ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 9, с. 836-841
ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ
УДК 533.952
ОСОБЕННОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ТОРМОЗНОГО КОНТИНУУМА И ЛИНЕЙЧАТОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ
В МИКРОПИНЧЕ © 2014 г. А. Н. Долгов*, Н. А. Клячин*, Д. Е. Прохорович*, **
* Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия ** Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, Москва, Россия e-mail: alnikdolgov@mail.ru, prokhorovich73@mail.ru, nklyachin@mephi.ru Поступила в редакцию 24.09.2013 г. Окончательный вариант получен 28.12.2013 г.
Проведено исследование поляризационных свойств рентгеновского излучения плазмы микропин-чевого разряда в области ^-спектра железа. Показано, что излучение различной природы обладает различающейся преимущественной ориентацией электрического поля волны. Обсуждаются механизмы, отвечающие за поляризацию излучения.
Б01: 10.7868/80367292114080046
1. ВВЕДЕНИЕ
Поляризация — одно из фундаментальных свойств электромагнитного излучения. Поляриметры оптического диапазона находят широкое применение в медицине, биологии, для фотометрических измерений в иных отраслях знаний. В исследованиях сильноточных импульсных разрядов типа Z-пинч применение техники поляризационных измерений магнитного вращения плоскости поляризации зондирующего лазерного излучения, обусловленного эффектом Фарадея, впервые позволило экспериментальными методами изучить пространственную структуру и динамику магнитного поля в пинчевом разряде. В дальнейшем это дало возможность восстановить распределение тока в плазме разряда и обнаружить ранее неизвестные особенности развития пинч-эффекта [1].
Исследования, проводимые с лабораторными источниками высокотемпературной плазмы, потребовали смещения области приложения поляриметрических измерений в рентгеновский диапазон спектра. Отметим, что поляризация излучения многозарядных ионов зарегистрирована в солнечной короне, лазерной плазме, плазменном фокусе, вакуумной искре; в то же время поляризация рентгеновского излучения не была обнаружена в токамаке [2—6].
В настоящей работе изучаются поляризационные свойства рентгеновского излучения микро-пинчевого разряда в плазме железа с целью получить информацию о связи динамики плазмы с развитием ускорительных процессов.
2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Методами дифракционной спектроскопии была осуществлена регистрация спектра рентгеновского излучения микропинчевого разряда в плазме железа в спектральном диапазоне Ка—Кр в условиях, когда выделялось одно из двух взаимно ортогональных направлений (параллельное либо ортогональное оси разряда) вектора напряженности электрического поля волны. Разряд осуществлялся в устройстве типа низкоиндуктивной вакуумной искры [2] в продуктах эрозии материала электродов. Электроды — коаксиальные. Анод (выполнен из стали марки Ст. 3) — цилиндр диаметром 3 мм, наконечник которого обтачивался под конус с углом раствора примерно 60°. Катод (выполнен из латуни) — цилиндр диаметром 20 мм с плоским основанием и сквозным отверстием в центре электрода. Как показала практика, электродная система выдерживает примерно 300 разрядов без заметных изменений режима разряда. При этом диаметр отверстия в катоде увеличивался от 1 до 2 мм. Расстояние между электродами на оси симметрии составляет 5— 7 мм. Разряд инициируется в вакуумной камере при начальном вакууме не хуже 10-4 мм рт. ст. в результате синхронного срабатывания четырех радиально расположенных вспомогательных разрядных устройств эрозионного типа. Источник тока — батарея низкоиндуктивных высоковольтных конденсаторов, заряжаемых до напряжения 10—12 кВ (рис. 1). Максимальная сила тока в разряде ~150 кА достигается за время 1.5—2 мкс после старта. Первоначально запасаемая в конденсаторной батарее энергия составляет 600—
л л\
•• V \ А/
V / V ^
\)
4 . 3
—РЛН'ь-
7=0
-ТШШШЖЛЛШЛШ-
2
Рис. 1. Схема разрядного устройства. 1 — внутренний электрод (анод), 2 — внешний электрод (катод), 3 — конденсатор инициирующего устройства, 4 — управляемый вакуумный разрядник, 5 — электроды инициирующего устройства, 6 — конденсаторная батарея, питающая основной разряд, 7 — пояс Роговского для измерения тока разряда.
800 кДж, а энергия, вкладываемая во вспомогательные разрядные устройства, — 3—5 Дж.
Сигнал с магнитного зонда, регистрирующего производную тока (рис. 2), и изображения области разряда, полученные с помощью рентгеновских камер-обскур в спектральных диапазонах X < 1.5 нм (рис. 3) и X < 0.3 нм (рис. 4), свидетельствуют о том, что процесс пинчевания канала тока развивается вплоть до образования так называемого микропинча, т.е. области горячей плазмы микронных размеров [1, 2]. Известно, что микро-пинч в вакуумной искре образуется в продуктах эрозии анода [7]. Спектрометрические исследования характеристического излучения разряда, выполненные на вышеописанной установке, никаких отступлений от этого экспериментально установленного факта не обнаружили.
Для исследования поляризационных свойств рентгеновского излучения в области ^-спектра железа была использована спектрополяриметри-ческая схема с брэгговским кристаллом, для которого угол падения анализируемого излучения оказывался близок к углу Брюстера, т.е. 45°. Кристалл на юстировочном столике устанавливался за пределами вакуумной камеры, имея плоскость дисперсии либо параллельной, либо ортогональной оси разряда, что осуществлялось поворотом на 90о фланца, на котором крепился юстировоч-ный столик. Таким образом, в одной серии экспериментов выделялось одно из двух взаимно ортогональных направлений вектора напряженности электрического поля падающей волны [8]. За пределы вакуумной камеры рентгеновское излучение выводилось через бериллиевое окно толщи-
Рис. 2. Осциллограмма сигнала с магнитного зонда.
ной 100 мкм, что обеспечивало практически полное пропускание излучения с длиной волны X < 0.2 нм. В качестве диспергирующего элемента использовался изогнутый кристалл кварца с фокусировкой по схеме Иоганна [9] и 2d = 0.850 нм, к = 3, где d — межплоскостное расстояние кристалла, к — порядок регистрируемого спектра. Углы падения анализируемого излучения в спектральном диапазоне Ка—Кр железа были в интер-
Рис. 3. Типичная рентгеновская обскурограмма разряда, полученная в спектральном диапазоне X <1.5 нм.
Рис. 4. Типичная рентгеновская обскурограмма разряда, полученная в спектральном диапазоне X < 0.3 нм.
вале 47—52°. Радиус кривизны кристалла составлял 325 мм и обеспечивался металлическим держателем из двух притертых частей, между которыми зажимался кристалл. Источник излучения располагался вблизи окружности Роуланда. В качестве детектора излучения использовалась медицинская рентгеновская фотопленка РМ-1, которая размещалась в светонепроницаемой кассете (защита от излучения видимого диапазона обеспечивалась применением экрана из светопо-глощающей фотобумаги, слабо поглощающей рентгеновское излучение в диапазоне X < 0.2 нм). Регистрация спектра в одной серии экспериментов при определенной ориентации плоскости дисперсии кристалла относительно оси разряда требовала осуществления 50 разрядов. Настройка системы регистрации спектра излучения производилась следующим образом. Луч полупроводникового лазера пропускался перпендикулярно оси симметрии электродной системы на расстоянии 1 мм от острия анода (примерное расположение области образования микропинча) так, чтобы луч падал на середину кристалла и отражался в центр фотодетектора. В дальнейшем методом последовательных приближений подбиралось положение кристалла и фотодетектора таким образом, чтобы на фотодетекторе регистрировался полностью интересующий нас интервал спектра Ка—Кр железа с максимально достижимым разрешением.
Попытки получить абсолютную калибровку спектра по длинам волн путем реализации режима функционирования разрядного промежутка в качестве источника характеристического излучения типа рентгеновской трубки не привели к успеху. Поэтому идентификация наблюдаемых в спектре линий характеристического излучения и излучения многозарядных ионов осуществлялась путем сравнения денситограмм зарегистрирован-
ных нами спектров с денситограммами спектров микропинчевых разрядов в плазме железа, приводимых в научной литературе авторами, качество работ которых не может вызывать сомнений [10-12].
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 5 и рис. 6 представлены денситограм-мы спектров, зарегистрированных для двух положений плоскости дисперсии анализирующего кристалла относительно оси симметрии разрядного устройства. Рис. 5 - плоскость дисперсии ортогональна оси разряда. Рис. 6 - плоскость дисперсии параллельна оси разряда. В первом случае выделяется компонента вектора напряженности электрического поля волны, направленная вдоль оси разряда, во втором случае — поперек оси разряда.
Анализ зарегистрированных спектрограмм двух типов сводился к сравнению почернения фотодетектора для одних и тех же интервалов длин волн, при этом количественные оценки не производились. Таким образом, выводы, сделанные авторами на основе спектрограмм двух типов, носят качественный характер.
Сравнение двух спектров, отличающихся выделенным направлением электрического поля исследуемой волны, позволяет прийти к следующим выводам. Направление электрического поля волны для регистрируемого тормозного излучения и линейчатого, идентифицируемого как излучение водородоподобного иона железа FeXXVI, а также, по-видимому, Ка-линии и излучения ионов низкой кратности, профили линий которых сливаются с Ка-линией на спектрограмме, оказывается преимущественно параллельным оси разряда. Более того, касаясь тормозного излучения и излучения водородоподобного иона железа, можно отметить, что их поляризация вдоль оси разряда ярко выражена на спектрограммах.
Электрическое поле регистрируемой волны, соответствующей излучению ионов FeXXIII— FeXXV, имеет как продольную, так и поперечную по отношению к оси разряда компоненты, причем вклад обеих компонент в интенсивность излучения сопоставим по величине. Излучение ионов FeXVШ—FeXIX, по-видимому, обладает преимущественной ориентацией волнового электрического поля, попере
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.