ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 2, с. 139-146
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.952.8
РЕНТГЕНОВСКОЕ ПРОСВЕЧИВАНИЕ ПЕРИФЕРИЙНОЙ ОБЛАСТИ СЖИМАЕМОЙ ТОКОМ МНОГОПРОВОЛОЧНОЙ СБОРКИ НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1
© 2004 г. Е. В. Грабовский, К. Н. Митрофанов, Г. М. Олейник, И. Ю. Порофеев
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"
Поступила в редакцию 24.07.2003 г.
Описана методика просвечивания периферийной части лайнеров на установке "Ангара-5-1" посредством точечного рентгеновского источника - Х-пинча. Пространственное разрешение методики не хуже 4 мкм. Излучение Х-пинча, поглощенное в плазме, регистрируется на фотопленку. Переход от плотности почернения фотоматериала к плотности плазмы обеспечивается использованием ступенчатого ослабителя из того же материала, что и лайнер. Представлены результаты просвечивания периферийной части многопроволочного лайнера на 70-ю нс после начала тока через лайнер. Сделаны выводы о том, что к этому времени керны проволочек лайнера неодинаково истощились; они расширились по диаметру примерно в 3 раза и содержат до 70% от исходной массы. Наблюдается аксиальная стратификация с шагом 200 мкм плотности плазмы, срывающейся с кернов проволочек. В некоторых случаях фиксируется аксиальная неоднородность плотности вещества внутри керна с масштабом 20 мкм.
ВВЕДЕНИЕ
Имплозия цилиндрических сборок из вольфрамовых проволок (лайнеров) под действием тока широко исследовалась ранее [1, 2] и исследуется в настоящее время [3-6]. Мощный импульс мягкого рентгеновского излучения, который генерируется на фазе максимального сжатия и стагнации плазмы на конечной стадии имплозии вещества лайнера, используется в исследованиях по ИТС, в исследованиях уравнений состояния веществ при сверхвысоких плотностях энергии.
Информация о распределении плотности вещества внутри сжимающихся лайнеров в каждый момент времени имеет большое значение в понимании физики имплозии. Одним из методов определения абсолютного значения плотности вещества в таких объектах является зондирование плазмы излучением точечного рентгеновского источника ("backlighting"). Длительность вспышки такого источника должна быть много меньше характерной длительности процессов в исследуемой плазме. О плотности зондируемой плазмы можно судить по степени поглощения зондирующего излучения. Источником рентгеновского излучения для такого зондирования могут быть плазма, возникающая при падении сфокусированного мощного лазерного пучка малой длительности на твердую мишень [7, 8], или вспышка Х-пинча [9-11].
В настоящей работе зондирование производилось излучением Х-пинча [12], а информация о степени ослабления рентгеновского излучения, прошедшего через исследуемый объект, извлека-
лась путем регистрации этого излучения на фотопленку.
Целью зондирования было не только получение степени ослабления излучения плазмой, что при регистрации на фотоплёнку дает двумерное изображение, как при флюорографии. Основной целью являлось получение информации о количественном распределении массы вещества при имплозии проволочных вольфрамовых лайнеров в его периферийной части.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема эксперимента по просвечиванию периферии лайнера приведена на рис. 1. Юстировка осуществлялась таким образом, чтобы на фотопленки попадало изображение области как внутри, так и вне лайнера (т.е. луч зрения проходил вблизи касательной к цилиндрической поверхности сборки, как изображено на рис. 1). В наших экспериментах фотопленки располагались на расстоянии 1.2 м от Х-пинча.
Х-пинч представлял собой 4 скрещенные молибденовые проволоки диаметром 20 мкм, которые контактировали друг с другом в середине длины. Х-пинч устанавливался вместо одного из 8-ми обратных токопроводов (на расстоянии 45 мм от оси лайнера, см. рис. 2). Т.е. Х-пинч включался в цепь последовательно с основной нагрузкой генератора (лайнером). А это значит, что вспышка Х-пинча самосинхронизована со вспышкой 2-пинча. За один импульс Х-пинч излучает более 200 мДж в угол 4п стерадиан [13].
ч7
Рис. 1. Постановка эксперимента по просвечиванию периферии лайнера, вид вдоль оси лайнера. 1 -Х-пинч, 2 - проволочная сборка 3 - 2-пинч, 4 - тестовая проволочка, 5 - система экранов и диафрагм, 6 -фильтр, 7 - фотопленки, установленные друг за другом.
Г"1Н] | 1 И [»Л -
\\Т7 /-
через титановый 16 мкм фильтр или через алюминиевый 10 мкм фильтр. На вторую фотопленку попадали кванты, прошедшие через фильтр, а также через первую фотопленку, которая сама является фильтром толщиной 100 мкм. Итак, на каждой последующей фотопленке фиксируется изображение в более жестких квантах, чем на предыдущей. На установке Ангара-5-1 ставилось до 4-х фотопленок друг за другом.
Спектральная чувствительность фотопленки УФ-ШС, установленной за фильтрами, состоящими из нескольких фильтрующих элементов, показана на рис. 3. Кривая 1 - спектральная чувствительность фотопленки УФ-ШС за алюминиевым 10 мкм фильтром. Кривая 2 - за алюминиевым 10 мкм фильтром и 100 мкм фотопленкой. Кривая 3 - за алюминиевым 10 мкм фильтром и двумя 100 мкм фотопленками. Кривые построены для плотности почернения фотопленки Б = 1.
Рис. 2. Установка Х-пинча на анодном диске (вид сбоку):
1 - Х-пинч, 2 - многопроволочная сборка (лайнер), 3 -катод лайнера, 4 - обратный токопровод, 5 - к регистратору, 6 - анод лайнера.
Е, 105 фот/мм 3.0
5 6 кэВ
Рис. 3. Спектральная чувствительность фотопленки УФ-ШС, установленной за алюминиевым 10 мкм фильтром (1); за алюминиевым 10 мкм фильтром и 100 мкм фотопленкой (2); за алюминиевым 10 мкм фильтром и двумя 100 мкм фотопленками (3). Для плотности почернения фотопленки Б = 1.
Регистратор излучения Х-пинча
В качестве регистратора излучения Х-пинча использовались фотопленки РФ-3 и УФ-ШС. Спектральная чувствительность фотопленки УФ-ШС и характеристические кривые исследовались в [14]. Более подробная информация по фотопленке УФ-ШС есть в [15].
Фотопленки устанавливались друг за другом. Таким образом, на первой фотопленке РФ-3 фиксировалось изображение в квантах, проходящих
Селекция излучения Х-пинча на фоне излучения 2-пинча
Особенность зондирования многопроволочных сборок излучением Х-пинча заключается в том, что 2-пинч является гораздо более мощным источником рентгеновского излучения, чем Х-пинч и может внести вклад в сигнал, снимаемый с регистратора. На фотопленке это будет проявляться в виде паразитной засветки.
На финальной стадии имплозии мощность рентгеновского излучения 2-пинча достигает 6 ТВт при длительности 5-10 нс, энергия квантов, в основном, меньше 2 кэВ, излучающая зона сосредоточена на оси многопроволочной сборки и имеет диаметр 0.4-2 мм и высоту 1 см [16]. Мощность же излучения Х-пинча в области энергий квантов 2-20 кэВ не более 300 МВт [13], т.е. в 30000 раз меньше. Такого же порядка (несколько больше) и отношение энергий излучений 2-пинча (3080 кДж) и Х-пинча (200-700 мДж). Хотя обозначенные только что области энергий квантов формально не пересекаются, но всегда существуют пересекающиеся с областью регистрации излучения Х-пинча "хвосты" распределения излучения 2-пинча, причем мощность и энергия в этих "хвостах" могут быть сопоставимы с мощностью и энергией излучения Х-пинча. Рассеянное излучение 2-пинча на финальной стадии имплозии также может быть сопоставимо с излучением Х-пинча.
Для защиты фотопленки от прямого и рассеянного излучения 2-пинча в рентгеновском диапазоне между 2-пинчом и фотопленками устанавливалась система экранов и диафрагм (см. рис. 1). Диафрагмы препятствовали также попаданию на пленки рассеянного жесткого рентгеновского излучения. Чтобы защитить фотопленки от потоков микрочастиц и радиации, возникающей в мо-
6
6
2
1
5
3
мент пинчевания лайнера, а также от излучения плазмы на периферии лайнера, фотопленки были закрыты фольгой из титана толщиной 16 мкм или алюминия толщиной 10 мкм.
Пространственное и временное разрешение методики
Для определения времени вспышки и длительности излучения Х-пинча устанавливались датчики рентгеновского излучения -р-1-п диоды. Измерения с помощью р-1-п диодов [13] показали, что длительность (на половине высоты) импульса мощности излучения Х-пинча составляет ~1.8 нс в области энергий квантов >2 кэВ и уменьшается до 1.5 нс в области квантов >5 кэВ. Данные величины характеризуют временное разрешение методики рентгеновского просвечивания. По-видимому, реальная длительность импульса излучения Х-пинча короче измеренной, так как временное разрешение р-1-п диодов составляло ~1.2 нс и не позволяло регистрировать более короткие импульсы.
Пространственное разрешение методики при фиксировании теневого изображения определяется несколькими факторами. Это дифракция, преломление лучей в среде с переменной плотностью, интерференция отклоненных лучей, конечный размер источника. Была проведена оценка роли дифракции. Для этого была рассчитана задача о распределении относительной интенсивности излучения на экране за непрозрачной полоской шириной (. Расчет проводился с помощью интегралов Френеля с учетом фильтра, состоящего из алюминия 10 мкм и одной 100 мкм фотопленки, установленных друг за другом. Спектр излучения лежал в пределах от 1 до 8 кэВ. Расстояние от источника до полоски 5 см, от полоски до экрана - 1.2 м. В качестве меры ширины полученной дифракционной картины принималась полная ширина на уровне интенсивности, соответствующем полусумме минимальной интенсивности (в области тени) и невозмущенной интенсивности (на достаточном расстоянии вдали от тени полоски). Полученная ширина пересчитывалась на исходный объект с учетом масштабирования. Пересчитанное на объект распределение интенсивности за полоской толщиной ( = 4 мкм представлено на рис. 4а, ширина тени А составила 5.8 мкм. Зависимость А(() представлена на рис. 46. Диагональ на этом рисунке соответствует ситуации, если бы не было дифракционных искажений и ширина тени была бы равна ширине полоски. Как видно, расстояние между указанной диагональю и графиком А(() не превышает 3 мкм. Формально для определения дифракционного пространственного разрешения надо было бы рассчитать отклик на
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.