научная статья по теме МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ МЕГААМПЕРНЫХ Z-ПИНЧЕЙ НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1 Физика

Текст научной статьи на тему «МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ МЕГААМПЕРНЫХ Z-ПИНЧЕЙ НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2015, том 41, № 2, с. 195-199

ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ

УДК 537.531.2

МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ МЕГААМПЕРНЫХ Z-ПИНЧЕЙ НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1

© 2015 г. А. С. Болдарев*, Е. А. Болховитинов**, И. Ю. Вичев*, Г. С. Волков***, В. А. Гасилов*, Е. В. Грабовский***, А. Н. Грицук***, С. А. Данько****, В. И. Зайцев***, В. Г. Новиков*, Г. М. Олейник***, О. Г. Ольховская*,

А. А. Рупасов**, М. В. Федулов***, А. С. Шиканов**

* Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша, Москва, Россия ** Физический институт им. П.Н. Лебедева, Москва, Россия *** Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, Москва, Россия ****НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия e-mail: vzaitsev@triniti.ru Поступила в редакцию 15.05.2014 г. Окончательный вариант получен 14.07.2014 г.

Описаны методики и результаты исследований спектрального состава излучения сильноточных /-пинчей, значительно отличающихся по атомному составу. С целью охвата широкого спектрального диапазона (Е„ = 30—3000 эВ) применялись две диагностические методики: пропускающая решетка и отражающий кристалл слюды. Характеристики излучения определяются атомным составом пинча: при токах 2—3 МА для легких материалов (А1) "жесткий" край излучения имеет линейчатый вид с ярко выраженными К-линиями, тогда как для тяжелых материалов (' спектр сосредоточен в более "мягкой" области энергий квантов и имеет квазинепрерывный характер. С целью определения параметров плазмы использовались два метода обработки полученных спектров. Параметры А1-плазмы определялись традиционными методами по отношению интенсивности К-линий А1 с учетом прозрачности плазмы для квантов данной энергии. Спектры '-плазмы сравнивались с результатами моделирования процесса сжатия пинча, которое, наряду с магнито-тидро-динамическими, включали процессы излучения плазмы. Применимость данных методов спектрального анализа обсуждается.

DOI: 10.7868/S0367292114120014

1. ВВЕДЕНИЕ

Одним из способов реализации инерциально-

го термоядерного синтеза является применение

генераторов тока мегаамперного диапазона, где

БТ-мишень обжимается рентгеновским излуче-

нием плазмы, возникающей на конечной стадии

сжатия /-пинча. Нагрузкой генераторов тока, яв-

ляющейся стартовой основой /-пинча, обычно

служат цилиндрические проволочные сборки

(лайнеры). Характеристики рентгеновских пото-

ков (мощность, спектральный состав) определя-

ются, наряду с геометрией источника, параметра-

ми плазмы, определение которых является необ-

ходимой задачей в исследованиях инерциального

термоядерного синтеза. Параметры плазмы силь-

ноточных /-пинчей N = 1021—1022 см-3, Т = 50-

500 эВ, диаметр 1-4 мм), малое время жизни

плазмы (5-10 нс) не позволяют при анализе спек-

тров напрямую применять "классические" мето-

ды описания радиационных свойств плазмы для

малоплотной плазмы или модель "черного тела"

для весьма плотной плазмы и требуют включения в алгоритм обработки степени прозрачности плазмы для квантов излучения.

В настоящей работе обсуждаются методики спектроскопических исследований излучений /-пинчей, применяемые на импульсной термоядерной установке Ангара-5-1 (ток 2-3 МА) [1], и приводятся полученные результаты спектрального анализа. Использование лайнеров с различным атомным весом и связанная с этим значительная трансформация спектрального состава рентгеновского излучения приводит к необходимости применения как различных диагностических методик, так и способов обработки экспериментальных данных. Если для элементов с малым атомным весом (А1) анализ проводится на основе интенсивностей К-линий, то для элементов с большим атомным весом О, где К-линии практически не идентифицируются, был применен метод сравнения формы экспериментального спектра с расчетным. Анализ спектров "тяжелых" ионов для '-плазмы проводился путем сравне-

195

6*

интенсивность, отн. ед

Рис. 1. Спектр А1-пинча. Эксперимент #4477. Лайнер: 60 А1-проволок 015 мкм на диаметре 12 мм.

ния экспериментально полученных спектров с расчетными, где определенным параметрам плазмы 2-пинча (плотности и температуре) сопоставляется определенная форма спектра. Однако в [4] при сравнении расчетных спектров, полученных в рамках стационарной модели, с экспериментальными спектрами не удалось получить достаточно хорошего соответствия. В данной работе описан результат с лучшим соответствием экспериментального спектра W-плазмы с расчетом, где в алгоритм расчета спектра излучения включена динамика сжатия пинча.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ

Эксперименты проводились с цилиндрическими лайнерами, образованными из тонких проволок, расположенных на диаметре (10—20) мм. Использовались два материала проволок А1), значительно различающихся по атомному весу. Диаметр и число проволок подбирались такими, чтобы погонный вес лайнера был примерно одинаковым. На конечном этапе сжатия пинча возникает плазменный столб, интенсивно излучающий в течение ~10 нс в диапазоне энергий квантов (0.05—2) кэВ [2]. Длина пинча примерно совпадает с межэлектродным зазором 15 мм. Диаметр пинча на конечном этапе сжатия зависит от атомного состава плазмы и согласно полученных с помощью камеры-обскуры изображений плазмы в области энергий квантов свыше 0.2 кэВ, составляет от 1 до 4 мм. Спектральный анализ излучения пинча проводился с помощью двух диагностических методик.

Спектрограф с выпуклым кристаллом слюды (2й = 19.9 А) применялся для спектрального анализа излучения А1-плазмы в области энергий квантов выше 1000 эВ. Спектральное разрешение спектрографа определялось шириной кривой от-

ражения кристалла в данной геометрии эксперимента и составляло Х/ДХ = 400 для первого порядка дифракции. Угол между осью пинча и направлением наблюдения составлял 90°. В качестве детектора излучения использовался одномерный прибор с зарядовой связью с 2048 ячейками размером 15 х 15 мкм. Интерфейс прибора позволял получать спектральную картину излучения непосредственно в процессе эксперимента [3].

Измерения спектров излучения W-лайнеров в "мягкой" области энергий квантов (Е < 1000 эВ) проводились с помощью пропускающей дифракционной решетки. Параметры решетки следующие: материал — золото, толщина — 0.6 мкм, период решетки — 1.4 мкм, число периодов — 50. Геометрия измерений обеспечивала спектральное разрешение 3 А в первом порядке дифракции. В качестве детектора использовалась фотопленка УФ4. Защита решетки от твердых частиц, возникающих в результате разрушения электродов, производилась с помощью клапана, перекрывающего апертуру за время 500 мкс [4].

Экспериментально полученные спектры W сопоставлялись с результатами компьютерного моделирования, где использовалась теоретическая модель стационарной излучающей плазмы многозарядных ионов, учитывающая поуровневую кинетику и радиационный перенос энергии [5]. Сравнение форм экспериментального и расчетного спектральных распределений давало возможность определять параметры излучающей плазмы. В настоящей работе приводятся результаты сравнения измерений и моделирования, где в алгоритме расчета учитываются изменение спектра излучения в процессе сжатия лайнера.

3. МЕТОДЫ АНАЛИЗА И РЕЗУЛЬТАТЫ

Типичный спектр излучения пинча, образованного из А1-лайнера (число проволок 60, начальный радиус 12 мм, погонная масса 330 мкг/см) приведен на рис. 1. Спектр имеет линейчатый вид, где наиболее интенсивными являются водородо- и гелиеподобные линии. Также на спектре можно видеть К-линии магния, несколько процентов которого присутствует в проволоках.

Расчет спектров лайнеров из А1 проводился по модели стационарной излучающей плазмы [5]. Определение температуры и электронной плотности плазмы проводилось путем подбора расчетных значений Т и N таким образом, чтобы отношение интенсивностей резонансных линий Ни Не-подобных ионов А1, а также отношение интенсивности интеркомбинационой и резонансной линий Не иона А1 совпадали с экспериментальными или возможно меньше отличались от них [6, 7]. Поглощение излучения в линиях учитывалось путем ввода в расчет фактора ускольза-

Рис. 2. Результаты расчета спектрального состава излучения W-пинча в различные моменты времени от начала коммутации формирующих устройств установки в единой шкале ординат, Ц — интенсивность в единичном интервале энергии квантов в различные моменты времени.

ния [8], определяющего вероятность выхода родившегося кванта за пределы плазменного образования. Информация, необходимая для определения ширины линий, скоростей возбуждения, ионизации и рекомбинации, а также значения энергетических уровней и вероятностей радиационных переходов, взята из работ [9—13]. Итерации проводились при вариации температуры Те, электронной концентрации N и радиуса цилиндрической излучающей плазмы Я. Характеристики плазмы в расчетах варьировались в следующих интервалах — Те — в 4 раза, Ме — на два порядка и Я-плазмы — в 4 раза. Результаты обработки эксперимента № 4477 следующие: N - 1.96 х 1020 (±20%) см-3, Те - 520 (±10%) эВ, Я плазмы = 2 мм (±10%). Надо отметить, что размеры излучающей области, полученные в результате обработки спектров, совпадают с экспериментально полученными с помощью камер-обскур.

Увеличение атомного номера материала лайнера приводит к резкому уменьшению интенсивности спектральных линий. Включение малого количества вольфрамовых проволок (около 10%) приводит к уменьшению интенсивности спектральных линий А1-плазмы более чем на порядок. Дальнейшее увеличение доли W в лайнере приводит к полному исчезновению характерной для А1 "жесткой" части спектра.

С целью анализа излучательных характеристик W-пинча, как и в случае А1-пинча, была разработана излучательная модель на основе стационарного столкновительно-излучательного равно-

весия излучающей плазмы. Пинч рассматривался как бесконечный однородный по плотности и температуре цилиндрический столб. Точное описание эффектов непрозрачности в таком случае дает возможность детально описать влияние поглощения и излучения в спектральных линиях. Перенос излучения рассчитывается с коэффициентами поглощения и излучения, полученными при заданных температуре электронов и изл

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»