ДИАГНОСТИКА ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ
УДК 533.9.07
ИЗМЕРЕНИЕ ГАЗОКИНЕТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ КОРПУСКУЛЯРНЫХ ПОТОКОВ ПЛАЗМЫ ИЗ ОБЛАСТИ МИКРОПИНЧЕВОГО РАЗРЯДА МЕТОДАМИ ЛАЗЕРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
© 2014 г. А. П. Кузнецов, О. А. Бялковский, К. Л. Губский, Г. И. Козин, Е. Д. Проценко, Э. И. Додулад, А. С. Савёлов
Национальный исследовательский ядерный университет "Московский инженерно-физический институт", Россия
e-mail: APKuznetsov@mephi.ru Поступила в редакцию 25.06.2012 г. Окончательный вариант получен 12.11.2013 г.
Представлены результаты разработки методики измерения газокинетического давления корпускулярных потоков импульсной плазмы, в которой в качестве датчика используется звукопровод в виде тонкого стержня, встроенный в оптическую схему лазерного интерферометра. Проведены исследования временной динамики газокинетического давления корпускулярных потоков из области мик-ропинчевого разряда типа низкоиндуктивная вакуумная искра. Большой динамический диапазон измерений ~105 позволяет использовать данную методику на различных плазменных установках с широким диапазоном параметров.
DOI: 10.7868/S0367292114040040
1. ВВЕДЕНИЕ
Импульсные электрические разряды, в которых реализуется режим микропинчевания, достаточно длительное время являются предметом интенсивных исследований, что обусловлено широким кругом научно-прикладных задач: от осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС) до разработки селективных источников коротковолнового (ультрафиолетового — УФ, вакуумного ультрафиолетового — ВУФ и мягкого рентгеновского — МР) линейчатого излучения. Явление микропинчевания имеет достаточно общий характер и обнаруживает себя в разрядах типа взрывающихся проволочек [1, 2], плазменного фокуса [3], низкоиндуктивной вакуумной искры (НВИ) [4], ^-пинча с импульсной инжекцией газа [5].
Получение информации о механизмах распада плазмы (как в межэлектродном промежутке, так и за его пределами), а также о параметрах плазменных и корпускулярных потоков из области разряда НВИ актуально для многих практических применений плазмы такого разряда. В частности, в качестве эффективных источников вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений, для рентгенолитографии и рентгеновской микроскопии. Возможно применение микропин-чевых разрядов для модификации поверхности твердых тел с целью улучшения прочностных характеристик материалов и создания сплавов на по-
верхности металлов, которые невозможно создать обычными методами [6].
Потоки плазмы из области разряда можно характеризовать величиной газокинетического давления. Давление — это один из фундаментальных параметров определяющих термодинамические параметры и гидродинамику плазмы. Прямые измерения давления потоков плазмы в разряде пьезоэлектрическими датчиками, встроенными в мишень, зачастую не возможны по причине недостаточной электрической прочности датчика. Кроме того, такие датчики обычно имеют невысокое быстродействие >1 мкс, которого часто бывает недостаточно для получения информации о динамике давления корпускулярных потоков с требуемой временной детализацией.
Помимо пьезоэлектрических датчиков существуют другие оптические методы прямого измерения давления. В поляриметрических и интер-ферометрических схемах [7] импульсное давление модулирует величину двулучепреломления в кварцевом волокне и, соответственно, фазу распространяющейся по оптоволокну электромагнитной волны. В датчиках, использующих резонаторы Фабри—Перо [8], тыльная сторона одного из зеркал многолучевого интерферометра контактирует с исследуемой средой. Изменение давления среды вызывает изменение длины резонатора, что в свою очередь, приводит к изменению интерференционного сигнала. Все эти датчики разработаны, в основном, для измерения акусти-
359
4*
КУЗНЕЦОВ и др. (а)
° Д2
Дх
АО
Оптоволокно
(в)
П
Л2
Д2
Излучение ->—
лазера
Стержень ■—
ш/шшЛя
М1 М2 Мз
Стенка
вакуумной
камеры
- -
' Анод
Катод
(б)
Рис. 1. Принципиальная схема (а), общий вид интерферометра, смонтированного на фланце вакуумной камеры установки "Зона-2" (б) и взаимное расположение торцов световодов Д^ Д2 относительно распределения освещенности на интерференционной картине в случае квадратурного режима (в).
ческих волн и давлений, сравнимых по величине с атмосферным.
В данной работе предлагается интерферомет-рическая методика для измерения временной динамики газокинетического давления плазмы в диапазоне от сотых долей до нескольких сотен бар. Временное разрешение измерений ограничивается быстродействием фотодетекторов и составляет ~1 нс. Разработанная схема была апробирована на установке "Зона-2" (НИЯУ МИФИ) при исследовании микропинчевого разряда типа НВИ.
2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ ГАЗОКИНЕТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ КОРПУСКУЛЯРНЫХ ПОТОКОВ ПЛАЗМЫ
Для измерения давления корпускулярных потоков плазмы микропинчевого разряда в качестве детектора используется звукопровод в виде тонкого стержня, встроенный в оптическую схему гомодинного интерферометра Майкельсона, образованного зеркалами М1—М3 (рис. 1). В качестве излучателя в интерферометре использован Не-№ лазер (X = 633 нм) мощностью 1 мВт. Акустический стержень длиной Ь = 210 мм и диамет-
ром 2.0 мм изготовлен из кварцевого стекла. Через резиновое уплотнение во фланце стержень вводится в вакуумную камеру. Один торец стержня помещается в области разряда НВИ, с возможностью регулировки его положения к относительно оси межэлектродного промежутка. Противоположный торец, отполированный с оптическим качеством и с нанесенным высокоотражающим алюминиевым покрытием, используется в качестве зеркала М2 в измерительном плече интерферометра. Для фокусировки лазерного излучения на торец стержня перед интерферометром установлена линза Л1 с фокусным расстоянием 10 см.
В процессе генерации плазмы корпускулярные потоки из области разряда НВИ создают динамическое давление, которое возбуждает в стержне продольную волну сжатия, распростра-
1/2
няющуюся со скоростью ев = (Е /р) , где Е — модуль упругости, зависящий от материала стержня и типа деформации, р — плотность материала стержня [9]. Массовая скорость распространения этой волны в стержне, равная половине скорости движения противоположного (свободного) торца, однозначно связана с давлением плазмы. Если давление корпускулярных потоков Р, перпендикулярно поверхности торца стержня, то смеще-
ние I частиц на расстоянии х от торца стержня можно записать в виде [10]
¿(х, t) = -L [р | t - х
dt,
t > x.
(1)
При х = Ь соответствующее смещение свободной поверхности стержня дается выражением
l(L,t) = 2— fpit - —
dt.
(2)
Pit-■
Смещение торца стержня, расположенного вне плазменной камеры, может быть измерено методами лазерной интерферометрии, в частности интерферометром Майкельсона. Тогда динамическое давление корпускулярных потоков, действующее на торец акустического стержня, может быть рассчитано по формуле
Ь \ _ рс,й1(,Ь) (3)
с, у 2 Л В [11] методика расчета величины динамического давления в плазме капиллярного разряда с испаряющейся стенкой (КРИС) была основана на измерении временных интервалов между последовательными максимумами гармонической зависимости сигнала фотодетектора и от изменения оптической длины I измерительного плеча интерферометра
U(t) = U0 cos (
(4n£(t)\
X í
(4)
Pit - L1 = PcA
В данной работе предложен новый метод, позволяющий измерять газокинетическое давление в плазме в диапазоне 0.01—800 бар. Нижняя граница диапазона определяется уровнем шумов системы фотоэлектрической регистрации интерференционных сигналов, верхняя — разрушением стержня при достижении напряжения, равного пределу упругости кварцевого стекла из которого выполнен стержень. Для обеспечения такого широкого динамического диапазона, более 105, в работе был применен квадратурный метод фотоэлектрического преобразования интерференционных сигналов [12].
Основная идея квадратурных интерферометров сводится к использованию двух интерференционных сигналов, сдвинутых друг относительно друга на четверть периода. На выходе такого интерферометра формируются два сигнала вида
U¿O = U0(t)sin ,
U2(t) = U 0(t)cos (
Í4nt(t)\
(6)
(7)
\ X )
Преобразование сигналов (6), (7) позволяет восстановить зависимость смещения торца стержня от времени
w = f arctg [Ж 4п \Ü2(t),
(8)
(В двухпроходном интерферометре Майкельсона разность оптического пути в измерительном и опорном плечах равна 21.)
Давление плазмы рассчитывалось по формуле
ол ' (5)
с,; 8А?
где ? = ? + ?2)/2, А? = — ?2|, Ь и ?2 — моменты времени соседних максимумов изменения интенсивности в интерференционном сигнале. Такая методика накладывает существенные ограничения на динамический диапазон и временное разрешение измерений так как, интерференционные измерения проводятся в режиме счета интерференционных полос. Соответственно, минимально измеряемое динамическое давление ограничено величиной, приводящей к смещению торца стержня не менее чем на X. При этом, временная детализация процесса изменения давления, т.е. количество экспериментальных точек, ровно количеству периодов интерференционного сигнала, зарегистрированных фотодетектором. Так, при использовании зондирующего излучения на длине волны 633 нм минимально измеряемое динамическое давление не может быть менее 10 бар с одной экспериментальной точкой на всем временном интервале изменения давления.
Операция деления сигналов U1 и U2 друг на друга, кроме того, устраняет влияние медленно меняющейся по сравнению с функциями sin (4n^(t)j и
(4лЩ „ тт ,Л
cos (—мультипликативной помехи U 0(t) в интерференционном сигнале.
Преобразование (8) позволяет однозначно измерить разность фаз 8(t) = 4пí(tтолько в области главных значений функции arctg в пределах одного фазового цикла п/2 < Í < п/2. Поэтому, если в процессе измерений смещение поверхности стержня I превышает Х/2, то происходит скачок текущего значения аг^(Ц1/и2) на п. Обычный алгоритм преобразования значений фазы на интервалах [-п/2, п/2] в непрерывную фазовую функцию заключается в обнаружении скачков S(í) между двумя соседними точками, превышающих величину п/2, и добавлением или вычитанием скачков
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.