ДИАГНОСТИКА ^^^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.07
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТИ И СТЕПЕНИ ИОНИЗАЦИИ ПЛАЗМЫ В ПЛАЗМЕННОЙ МИШЕНИ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ВОДОРОДЕ
© 2013 г. А. П. Кузнецов*, О. А. Бялковский*, Р. О. Гаврилин**, А. А. Голубев**, К. Л. Губский*, И. В. Рудской**, С. М. Савин**, В. И. Туртиков***, А. В. Худомясов**
* Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия ** ГНЦРФ "Институт теоретической и экспериментальной физики", Москва, Россия ***Кластер ядерных технологий Фонд "Сколково" e-mail:apkuznetsov@mephi.ru Поступила в редакцию 25.06.2012 г. Окончательный вариант получен 23.08.2012 г.
Методами лазерной интерферометрии проведены измерения плотности свободных электронов и степени ионизации плазмы водородной мишени, предназначенной для экспериментов по измерению энергетических потерь пучков тяжелых ионов в ионизованном веществе. Показано, что изменением начальных параметров плазмы — давления водорода в мишени и тока разряда — можно изменять величину линейной электронной плотности в диапазоне от 3.3 х 1017 см-2 до 1.3 х 1018 см-2. Погрешность измерения линейной электронной плотности составила менее 1% во всем диапазоне изменяемых параметров плазмы. Максимальная степень ионизации плазмы была достигнута при начальном давлении 1 мбар и составила величину 0.62 ± 0.05.
БОТ: 10.7868/80367292113030062
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследованиям тормозной способности вещества для пучков заряженных частиц, в частности, тяжелых ионов, посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ [1-7].
Вопрос об энергетических потерях ионов в холодном и ионизованном веществе крайне важен не только при разработке мишеней инерциального термоядерного синтеза, но имеет и целый ряд практических приложений в медицине, материаловедении, ускорительной физике. Энергетические потери заряженных частиц в веществе плотностью р можно представить в виде [8]:
= Е = ^Ьв + + + ^т
р ах
(1)
ое
ах
4^е#в р&-а)
mv
Ат,
Ь
Ьв
(2)
где т, е — масса и заряд электрона; Zф V — эффективный заряд и скорость налетающего иона; А, Z, а — масса, атомный номер и степень ионизации атомов среды, Z—а — число связанных электронов, приходящихся на один атом среды, тА — атомная единица массы, ЬЬе — кулоновский логарифм для связанных электронов.
Тормозная способность свободных электронов
может быть записана в виде [10]
ОЕ _ 4п1е1Гв р аО(у/Vв)
ах
mv
Ат.
Ь
'/в
(3)
где 5'Ье вклад связанных электронов, свободных электронов, причем вкладом ядерных взаимодействий 8пе и свободных ионов плазмы Б^ в интересующем нас диапазоне энергий заряженных частиц меньше 1 МэВ/а.е.м. можно пренебречь.
Выражение для тормозной способности связанных электронов БЬее, без учета релятивистских поправок, имеет вид [9]
где — кулоновский логарифм для свободных электронов, V — скорость свободных электронов мишени, G(v/ve) — функция Чандрасекхара, описывающая изменение кулоновских потерь иона вследствие усреднения его скорости по отношению к скоростям свободных электронов мишени, имеющих распределение Максвелла. Если V > уе, то О ~ 1, если V <§ то О стремится к нулю как (V/^е)3. Кулоновские логарифмы ЬЬе и для связанных и свободных электронов, соответственно, возникают в результате интегрирования резер-фордовского сечения по области изменения прицельного параметра или, что эквивалентно, по области переданного импульса.
откачка
откачка
и = 2-5 кВ
Рис. 1. Принципиальная схема (слева) и вид в разрезе (справа) водородной плазменной мишени.
Как показывают оценки, ионизованное вещество должно обладать более высокой тормозной способностью по сравнению с неионизованным при одинаковой плотности. Особый интерес представляет диапазон сравнительно низких энергий ионов 40-400 кэВ/а.е.м., когда скорость ионов пучка становится сравнимой с тепловой скоростью свободных электронов. В этом диапазоне энергий предсказывается резкое увеличение тормозной способности плазмы по сравнению с холодным веществом [10]. Проведение теоретических оценок энергетических потерь ионов связано с рядом трудностей, в частности, большую сложность представляет расчет эффективного заряда ионов Zeff. Для расчета динамики изменения заряда иона в среде необходимо знание соответствующих сечений ионизации и рекомбинации. В случае торможения ионов низких энергий в плазме необходимые сечения практически неизвестны, а результаты расчета сечений с использованием различных теоретических моделей могут различаться на порядок. В этой связи актуальной задачей является проведение прямых измерений энергетических потерь ионов как в холодном, так и в ионизованном веществе. Одним из основных аспектов этих экспериментов является сопоставление потерь энергии ионами с параметрами ионизованного вещества - плотностью, температурой и степенью ионизации.
2. ПЛАЗМЕННАЯ ВОДОРОДНАЯ МИШЕНЬ
Для экспериментальных исследований процессов, происходящих при торможении заряжен-
ных частиц в ионизованном веществе, применяются плазменные мишени, созданные на основе разряда в газе [11-13], капиллярного разряда [14], лазерной плазмы [15, 16], плазмы взрывного генератора [17].
В ИТЭФ для экспериментов по торможению пучков заряженных частиц в ионизованном веществе была разработана плазменная мишень на основе линейного электрического разряда в водороде. Плазма в мишени создается при электрическом разряде в двух коллинеарных кварцевых трубках с внутренним диаметром 6 мм и длиной 78 мм каждая (рис. 1). Конденсаторная батарея емкостью 3 мкФ, заряжаясь до напряжения 25 кВ, инициирует ток до 400 А в каждом разрядном канале, при этом обеспечивается противоположное направление тока в каналах, что позволяет снизить эффект фокусировки ионного пучка из-за магнитного поля тока разряда. Для защиты вакуумной системы "ионопровода" от газовой нагрузки мишени применяется дифференциальная откачка с использованием турбомолекуляр-ного насоса со скоростью откачки 500 л/с. При такой системе откачки длина газового столба в мишени ограничена двумя диафрагмами с отверстиями диаметром 1 мм и составляет £ = 220 мм.
Как показали двумерные гидродинамические расчеты [18], в рабочих режимах мишени температура плазмы превышает 1 эВ, что может приводить к появлению в плазме примесей, обусловленных испарениями материала стенки (8Ю2) и электродов (Си). Экспериментальные исследования химического состава плазмы были проведены методами эмиссионной спектроскопии.
Анализ спектров показал, что в пределах экспериментальной погрешности, определяемой чувствительностью спектрометра (сигнал/шум 103), линии примесей, в частности кремния и меди, не обнаружены, что позволяет считать плазму чисто водородной за время развития основного разряда.
Водородная мишень в процессе электрического разряда переходит из состояния холодного нейтрального газа в состояние частично ионизованной плазмы. Энергетические потери аЕ в холодном водороде пропорциональны линейной плотности связанных электронов МЬе газовой мишени, тогда как потери в частично-ионизован-ной плазме пропорциональны аддитивному вкладу плотности связанных МЬе и свободных Ще электронов. Поэтому при сравнительном анализе торможения заряженных частиц в плазме и холодном веществе необходимым условием является установление однозначного соответствия между тормозной способностью плазмы и ее параметрами: плотностью свободных электронов N и средней степенью ионизации вещества
N
а = ■
Ще + N
(4)
Ье
Поскольку плотность свободных электронов Ще и средняя степень ионизации а в плазме зависят от времени, то основной задачей является экспериментальное определение этих параметров с временным разрешением.
Первоначально плазменная мишень была использована в экспериментах по исследованию энергетических потерь протонов с энергией 1 МэВ, результатом которых стало измерение отношения кулоновского логарифма свободных электронов водородной плазмы к логарифму связанных электронов молекулярного водорода Ь/е/ЬЬес = 3.1 ± 0.6 [19]. Основной источник ошибки определялся погрешностью определения степени ионизации плазмы из интерферометриче-ских измерений методом визуализации интерференционного поля в режиме щелевой развертки.
Первые исследования энергетических потерь ионов в плазменной мишени были проведены на линейном тяжелоионном ускорителе с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (установка ТИПр [20]). Эксперименты проводились на ионах меди (Си2+ и Си3+) с энергией 100 кэВ/а.е.м. Полученная методом квадратурной интерферометрии информация о плотности свободных электронов позволила сделать оценки тормозной способности плазмы [21]. В ходе этих экспериментальных исследований были измерены потери энергии в плазме которые составили Бр1 = (АЕ/р)€ = 158.0 МэВ/(мг/см2), и в холодном водороде = 27.1 МэВ/(мг/см2) при начальном давлении водорода в мишени 0.95 мбар (рЬ = = 13.6 х 10—7 г/см2). К сожалению, полученные
результаты носили оценочный характер так как не удалось измерить степень ионизации плазмы и расчеты были проведены при условии полностью ионизованной плазмы.
В данной работе представлена двухволновая квадратурная методика, позволившая провести измерения электронной плотности и степени ионизации плазмы при изменении начального давления водорода и тока разряда плазменной мишени.
3. ДВУХВОЛНОВЫЙ КВАДРАТУРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТИ И СТЕПЕНИ ИОНИЗАЦИИ ПЛАЗМЫ ВОДОРОДНОЙ МИШЕНИ
Среди невозмущающих методов диагностики плазмы наиболее точная информация об электронной концентрации может быть получена интерференционными методами. Фазовый сдвиг 8 в зондирующей электромагнитной волне при распространении в плазме размером € определяется изменением интегрального по хорде зондирования показателя преломления плазмы п:
8 =
2п X
|(п - п0)ОI,
(5)
где X — длина волны зондирующего излучения. При условии пренебрежения соударениями показатель преломления плазмы приближенно можно записать в виде [21]
1 - 4.49 х 10-14Х2Nв.
(6)
В случае многокомпонентной плазмы при низкой степени ионизации вклады различного рода частиц, входящих в ее состав: электронов, ионов различной кратност
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.