ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 94-97
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 533.9Л
ИНФРАКРАСНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМОНАПОЛНЕННОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО ДИОДА
© 2004 г. В. С. Бурмасов, И. В. Кандауров, Э. П. Кругляков, С. С. Попов, А. Л. Санин
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 E-mail: V.S.Burmasov@inp.nsk.su Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Описан инфракрасный интерферометр, собранный по схеме Маха-Цендера без использования станины, с помощью которого в условиях большого уровня вибраций были проведены измерения динамики плотности плазмы внутри плазмонаполненного диода. Подобные измерения возможны при условии достаточно короткого времени жизни плазмы по сравнению с характерным периодом вибраций элементов интерферометра.
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования механизмов коллективного взаимодействия релятивистского электронного пучка (р.э.п.) с плазмой на установке ГОЛ-М [1] показали, что параметры ленгмюровской турбулентности, возбуждаемой р.э.п., пороговым образом зависят от плотности инжектируемого в плазму пучка. В связи с этим был осуществлен переход от "стандартного" режима экспериментов с плотностью тока в пучке ~1 кА/см2, при котором проведено большинство исследований ленгмюровской турбулентности, к менее стабильному форсированному режиму с плотностью тока >3 кА/см2, в котором впервые были обнаружены ленгмюров-ские каверны [2, 3]. В данной статье описан простой интерференционный метод, применявшийся при исследовании зависимости параметров р.э.п. от плотности плазмы в плазмонаполненном релятивистском диоде.
Измерения плотности плазмы в диоде проведены в отсутствие традиционной для коротковолновой интерферометрии рамы (станины) и, следовательно, в условиях значительного уровня вибропомех. Это объясняется тем, что с учетом специфики работы высоковольтного генератора и его плазмонаполненного диода монтаж фиксирующей рамы оказался практически невыполнимой задачей.
Ниже описана схема интерферометра, а также представлены основные результаты исследования динамики плазмы в релятивистском диоде, демонстрирующие возможности простого незащищенного от вибраций инфракрасного интерферометра при работе на крупной импульсной экспериментальной установке.
2. ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГО УРОВНЯ ВИБРАЦИЙ
Погрешность, обусловленная вибрацией, при регистрации сдвига фаз в присутствии плазмы п = = 5фвибр/5фплаз прямо пропорциональна амплитуде вибраций AL, но обратно пропорциональна квадрату используемой длины волны X, размеру плазмы a и ее максимальной плотности ne, max: п ~ ~ AL/X2ane max. Амплитуда вибраций элементов здания AL, в которых размещаются экспериментальные установки, составляет обычно —1—10 мкм с характерной частотой f — 10 Гц [4]. Однако смещения элементов и конструкций самой установки могут быть значительно большими. Так, например, стенка вакуумной камеры в токамаке JET смещалась во время рабочего цикла установки на 1 см [5], а измеренное в [6] импульсное продольное смещение торца соленоида установки ГОЛ-М достигало 4 мм.
Если время существования плазмы в установке т > 1/f, то в коротковолновой интерферометрии (X s AL) применяются, как правило, два достаточно эффективных способа снижения вибропомех: использование массивных рам для фиксации оптических элементов (например, 52-тонная станина на установке JET [5]) и метод двухволновой (двухцветной) интерферометрии, впервые примененный в токамаке DIII [7]. Достаточно эффективным может оказаться более простой метод частичной фиксации оптических элементов интерферометра, когда один из них монтируется на колеблющемся элементе установки, как это предложено, например, в работе [8].
Наконец, в случае импульсной плазмы с т < 1/f можно вообще обойтись без дополнительной фиксации оптических элементов, смонтировав их на конструктивных элементах установки, как это
ИНФРАКРАСНЫМ ИНТЕРФЕРОМЕТР
95
Сё^Те-детектор
Блок зеркал для выравнивания плеч
со2-
лазер
Катод
Светоделитель
Рис. 1. Схема исследования динамики плотности плазмы высоковольтного диода. Поперечный размер плазмы в диоде а = 1 см.
сделано в данной работе. Действительно, в этом случае эволюция фазы интерференционного сигнала в результате вибрации носит медленный характер, что позволяет аппроксимировать ее прямой линией за время измерения (см. ниже рис. 26).
Схема интерферометрических измерений представлена на рис. 1. Источником зондирующего излучения служил одночастотный непрерывный С02-лазер (Р = 5 Вт, X = 10.6 мкм). Резонатор лазера образован сферическим зеркалом (Я = 3 м) и решеткой (150 штрихов/мм), позволяющей обес-
печивать генерацию на одном колебательно-вращательном переходе. Выход излучения из резонатора осуществлялся в нулевой порядок решетки. С помощью внутрирезонаторной диафрагмы достигалась генерация на одной поперечной моде.
Интерферометр смонтирован по схеме Маха-Цендера на базе использовавшейся ранее схемы гетеродинной диагностики коротковолнового ионного звука [9]. Длина плеч интерферометра составляла ~20 м. Фокусирующие линзы на пути предметного луча на входе и выходе плазменной камеры позволили довести пространственное разрешение метода до ~0.5 мм. Широкие диагностические окна (050 мм) позволяли менять положение предметного луча путем перемещения линзы как в продольном, так и в поперечном направлении. Все оптические элементы (светоделительные пластины, поворотные зеркала, две фокусирующие линзы) данного С02-интерферометра располагались на конструкциях установки без применения дополнительных мер фиксации или демпфирования.
Интерферометр использовался для исследования динамики плотности плазмы (а - 1 см, пе тах ~ ~ 1015 см-3, т ~ 100 мкс) в релятивистском плазмо-наполненном диоде. Достигнутая в эксперименте чувствительность интерферометра составляла пе1 -- 1013 см-2, что соответствует п - 10-3 интерференционной полосы. Излучение на выходе интерферометра регистрировалось Сё^Те-детекто-ром с временным разрешением ~10 нс.
-и, В
(а)
0.2 (в)
3 г, мс
и, В
г, с
0
(б)
р.э.п.
и-
0.1 0.2 0.3 г, мс
(г) Аг
100
200 г, мкс
Рис. 2. Типичные интерференционные сигналы: а - интерферограмма вибраций; • - поведение плотности плазмы при срабатывании р.э.п.; в, г - динамика плотности плазмы в отсутствие пучка. /д - амплитуда интерференции, А/1 - время жизни плазмы в диоде, Ат - диапазон включения р.э.п.
0
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 2 2004
96
БУРМАСОВ и др.
J, кА/см2 15
12 9
('"л "Стандартный" ^^ режим
2 4 6 8 10 ие, 1014 см-3
Рис. 3. Зависимость плотности тока р.э.п. от плотности плазмы внутри диода, определяемой в начальный момент генерации пучка.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
На рис. 2а показана интерферограмма, демонстрирующая уровень вибраций на установке. Видно, что максимальная амплитуда сигнала /0, соответствующая смещению оптических элементов интерферометра на ДЬ = Х/2 = 5 мкм, примерно равна 1 В. Характерная частота вибраций / ~ 100 Гц. При этом обнаружимый минимальный сигнал, обусловленный шумами системы регистрации, равен 1-5 мВ, что соответствует (пе/)тт ~ 1013 см2.
На рис. 2в, 2г показана характерная осциллограмма интерференционного сигнала, полученная при измерении динамики плотности плазмы внутри диода. На участке Дг ~ 1 мс отображается временная зависимость плотности плазмы внутри диода. Следующие за ним регулярные осцилляции (рис. 2в) соответствуют смещениям оптических элементов интерферометра большой амплитуды (Ь > X), вызванным срабатыванием соленоида установки. Осцилляции позволяют определять начальную фазу интерференционного сигнала и его амплитуду /0.
Первый пик плотности плазмы на осциллограммах возникает в результате проникновения части разрядного тока в плазменной камере через анодную трубку в диод. Возникающая плазма распадается по мере прекращения разряда и плохо воспроизводится от выстрела к выстрелу. Второй пик показывает поведение плотности плазмы, натекающей в диод из плазменной камеры установки. Как показывают оценки, амплитуда пика и время прихода плазмы определяются ее диффузией поперек поля (В = 2.5 Тл) и рекомбинацией на внутренней стенке анодной трубки. Отметим, что в данной работе использовалась геометрия разряда (типа Пеннинга) с кольцевым электродом, в то время как в [3] использовался прямой разряд. Этим объясняется возникновение первого неста-
бильного пика плазмы, соответствующего по времени разрядному току. В связи с этим момент запуска р.э.п. выбирался на отрезке Дт (см. рис. 2г).
Рис. 26 демонстрирует типичную осциллограмму, полученную в эксперименте с формированием р.э.п. На ней отчетливо виден короткий фронт, соответствующий началу быстрого заполнения диода катодной плазмой, которая затем медленно распадается, давая множество интерференционных полос. Измерения, проведенные при различном положении зондирующего луча вдоль диода, дали величину скорости распространения катодной плазмы ~(2-4) ■ 106 см/с, что соответствует скорости распространения взрывоэмиссионной плазмы [10].
С помощью представленной диагностики была достигнута главная цель этой работы: исследование влияния заполняющей диод плазмы на параметры р.э.п. Плотность диодной плазмы в момент генерации р.э.п. варьировалась путем изменения времени срабатывания диода в интервале Дт. Результаты измерения зависимости плотности тока р.э.п. от плотности плазмы в диоде представлены на рис. 3. Несмотря на значительный разброс данных, явно видно, что исследуемая зависимость имеет четкий максимум в области пе = 2 ■ 1014 см3. Плотность тока при этом составляет =12 кА/см2, что примерно на порядок превосходит величину тока, характерную для "стандартного" режима, реализовавшегося при плотности плазмы менее п „ ё 1013 см-3.
4. ВЫВОДЫ
С помощью бесстанинного интерферометра была изучена динамика плотности плазмы внутри высоковольтного диода, измерена скорость распространения катодной плазмы. Применение этой методики позволило подобрать оптимальный уровень (2 ■ 1014 см-3) плотности для генерации р.э.п., что позволит продолжить в новом диапазоне параметров исследования явления ленгмюровского ко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.