ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 2, с. 115-128
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.952.08
РЕНТГЕНОВСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПРИОСЕВОЙ ОБЛАСТИ ПЛАЗМЫ МНОГОПРОВОЛОЧНОГО ЛАЙНЕРА НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1
© 2004 г. Г. С. Волков, Е. В. Грабовский, К. Н. Митрофанов, Г. М. Олейник
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"
Поступила в редакцию 22.07.2003 г.
Приведены результаты экспериментов по рентгеновскому зондированию приосевой области лайнера, сжимаемого током сильноточного генератора. Для просвечивания лайнера использовался источник мягкого рентгеновского излучения Х-пинч, а излучение регистрировалось р-1-п диодами. Использование нескольких фильтров с разными окнами пропускания перед р-1-п диодами позволило обеспечить интерпретацию результатов измерений в экспериментах с каскадными лайнерами сложного элементного состава. Нижний предел чувствительности методики составляет величину =125 мкг/см2 для плазмы тяжелых элементов (Щ) и =220 мкг/см2 для плазмы легких элементов (С, О, М), при энергии квантов зондирующего излучения 1.0-1.5 кэВ. Достоинства метода заключаются в высоком временном разрешении (=1 нс) и возможности разграничить по времени вспышки излучения с оси лайнера от 2-пинча и излучения Х-пинча. Метод не налагает ограничений на длительность импульса излучения источника, используемого для просвечивания плазмы.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время широко исследуется имплозия многопроволочных лайнеров под действием тока. На установке Ангара-5-1 при пропускании тока до 4 МА с фронтом нарастания =100 нс через многопроволочный лайнер в момент схло-пывания плазмы на оси генерируется импульс мягкого рентгеновского излучения (МРИ) с пиковой мощностью =3-5 ТВт и длительностью на полувысоте =6-10 нс. Было показано, что плазмооб-разование в таких системах длится почти все время имплозии лайнера (=100 нс), пока полностью не испарятся проволочки - источники плазмы (явление затянутого плазмообразования [1]).
В рамках концепции затянутого плазмообразования большой интерес в понимании физики имплозии проволочных сборок представляет собой исследование пространственного распределения массы внутри проволочной сборки в течение имплозии, особенно в момент времени, близкий к моменту максимума импульса МРИ.
Одна из возможностей провести такое исследование - это просветить сжимающийся лайнер рентгеновским излучением источника Х-пинч [2] и зарегистрировать его временной профиль посредством полупроводниковых детекторов (р-г-п диодов) за разными фильтрами [3, с. 14-17]. В наших экспериментах по поглощению рентгеновского излучения в плазме определялась ее поверхностная плотность [г/см2] вдоль луча зондирования в приосевой области лайнера.
В некоторых экспериментах по рентгеновскому зондированию приосевой области лайнера на
ось проволочного лайнера устанавливались также нагрузки из пористых веществ средней плотностью рАА = 3-20 мг/см3 и характерной погонной массы от 200 до 1100 мкг/см. В качестве пористого материала применялась пена из агар-агара. Использовались также мишени из агара, в которые вносился в качестве наполнителя мелкодисперсный порошок из тугоплавких материалов (например, металлического вольфрама, 50-60% по весу) с эффективным диаметром крупинок 3-10 мкм. Наполнитель был нужен для создания необходимых излучательных свойств плазмы пены в рентгеновском диапазоне энергий излучаемых квантов.
Здесь также необходимо отметить, что степень испарения под воздействием МРИ крупинок вольфрама, внесенного в полимерную пену, остается неизвестной. Знание о степени испарения вольфрама в пене важно для интерпретации экспериментальных данных и моделирования ее излучательных характеристик в опытах по созданию динамического хольраума для облучения термоядерной мишени [4]. Поэтому была предпринята попытка рентгеновского зондирования пены с мелкодисперсным вольфрамовым порошком.
МЕТОДИКА ЗОНДИРОВАНИЯ
От плотности р зондируемой плазмы зависит коэффициент прохождения К зондирующего излучения, который вычисляется как отношение интенсивности излучения, прошедшего через плазму, к интенсивности излучения, которое не ослаблялось плазмой и регистрировалось в опор-
Рис. 1. Массовый коэффициент поглощения веществ. 1 - полимерной основы агар-агар; 2 - вольфрама; 3 -полимерной основы агар-агар с однородно распределенным вольфрамом (весовой состав: 50% пена, 50% вольфрамовый наполнитель).
ном канале. Поглощение определяется интегралом плотности плазмы вдоль луча зондирования
|р (х)^х. Этот интеграл будем называть поверхностной плотностью р1 [г/см2] вдоль луча зондирования. Коэффициент прохождения К равен ехр(-ц(йу)р/), где ц(йу) [см2/г] - массовый коэффициент поглощения квантов с энергией Hv в зондируемом веществе (коэффициент поглощения равен 1 - К). Таким образом, измеряя К, можно найти р1 по закону Бэра, представленного в виде
р1 = -1и(К)/ц(Ну).
Существуют две проблемы, осложняющие использование приведенной выше формулы.
Первая проблема - массовые коэффициенты поглощения излучения для веществ разные при температуре, когда нет ионизации вещества, и в процессе имплозии, когда температура зондируемой плазмы до момента финального сжатия составляет 20-30 эВ и может достигать 300-400 эВ в момент максимального сжатия. В нашем случае использовались коэффициенты поглощения веществ при температуре, когда нет ионизации вещества.
Далее по крайней мере до момента финального сжатия при температуре зондируемой плазмы 20-30 эВ и энергии зондирующих квантов более 1.0 кэВ отличия не будут столь значительными.
Вторая проблема заключается в том, что спектр Х-пинча достаточно широкий и коэффициент поглощения ц(Ну) сильно зависит от Ну, а, значит, и коэффициент прохождения К тоже сильно зависит от Ну. Требуется знание спектра излучения Х-пинча.
Массовые коэффициенты поглощения для веществ сложного состава являются аддитивными функциями весовых частей элементов, присутст-
вующих в веществе в свободных или связанных состояниях. Суммирование производится по всем элементам, входящим в сложную молекулу. Так, массовый коэффициент поглощения цаа(Ну) для полимерной основы агар-агар (С14Ы18О9)п, содержащего в основном углерод (С), водород (Ы) и кислород (О), будет
тс тн т0 Цлл( Н V) = -Цс (Н V) +-Цы (Н V) +-Цо (Н V),
тАА тЛЛ тЛЛ
где Ц (Hv) - массовые коэффициенты поглощения элементов, т{ /тАА - весовые части элементов (I = С, Ы, О), тАЛ - масса агар-агара.
Рассчитанный таким образом массовый коэффициент поглощения для агар-агара представлен на рис. 1 (кривая 1). Здесь же для сравнения представлен массовый коэффициент поглощения для вольфрама (кривая 2). Зависимости массовых коэффициентов поглощения веществ от энергии квантов взяты из [5].
Особенность зондирования 2-пинча излучением Х-пинча заключается в том, что 2-пинч сам является гораздо более мощным источником рентгеновского излучения, чем Х-пинч, и может внести вклад в сигнал, снимаемый с регистратора (в данном случае сигнал с р-1-п диода).
Как было показано в работе [3, с. 34], мощность и энергия излучения Х-пинча в области энергий квантов 1-20 кэВ составляют -(200300) МВт и -(200-700) мДж соответственно. Это меньше, чем мощность и энергия излучения 2-пинча в этом же диапазоне энергий квантов. Таким образом, регистрация излучения Х-пинча в присутствии мощного излучения 2-пинча потребовала значительных мер по подавлению излучения 2-пинча в области детектора излучения. Для этого была применена селекция излучения не только по спектру квантов излучения методом фильтров, но и по времени: р-1-п диодами регистрировалось излучение Х-пинча и 2-пинча с разрешением во времени. Недостаток этого метода по сравнению с регистрацией излучения Х-пинча на фотопленку в том, что используются только несколько лучей зондирования (3 в нашем случае), тогда как при регистрации на фотопленку получается двумерное изображение [6]. Однако при регистрации на фотопленку излучения Х-пинча, прошедшего через исследуемый объект, необходимо знать характеристическую кривую фотопленки, либо использовать специальный набор калиброванных фильтров из того же вещества, что и исследуемый объект (так называемый ступенчатый ослабитель). Это составляет определенную трудность, так как нужно изготавливать очень тонкие фильтры (<1 мкм для вольфрама).
К достоинству метода регистрации излучения посредством р-1-п диодов, можно отнести то, что нет необходимости использовать источник рент-
Рис. 2. Геометрия эксперимента по зондированию приосевой области лайнера (вид сверху). 1 - сборка опорных р-1-п диодов (3 датчика с разными фильтрами); 2 - сборкар-1-п диодов (3 датчика с такими же фильтрами); 3 - многопроволочная сборка; 4 -источник излучения Х-пинч; 5 - приосевая область разряда.
геновского излучения малой длительности. В данном случае, чем протяженней вспышка зондирующего излучения по времени, тем больше информации можно получить об исследуемом объекте за это время.
Во всех случаях "мягкая" составляющая рентгеновского излучения (энергия квантов менее 1 кэВ) Х-пинча и 2-пинча отсекалась фильтрами, закрывающими регистраторы.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ЗОНДИРОВАНИЮ ПРИОСЕВОЙ ОБЛАСТИ ЛАЙНЕРОВ
Геометрия эксперимента показана на рис. 2.
Как отмечалось, в качестве регистраторов излучения Х-пинча использовалисьр-1-п диоды. Три из них (1) являлись опорными (фиксировали излучение Х-пинча без поглощения), три других (2) регистрировали излучение Х-пинча, ослабленное вследствие поглощения его веществом, присутствующим на данный момент вблизи оси лайнера. Расстояние между двумя крайними датчиками в последней тройке к = 6 см. Расстояние от сборки р-г-п диодов до оси лайнера составляло а = 2.6 м. Опорные датчики располагались на расстоянии Ь = 3.2 м от оси. Расстояние от источника Х-пинч до оси лайнера составляло с = 4.5 см. Поле зрения АХ по объекту для сборки из 3-х датчиков и поле зрения АХ' для одного датчика соответственно равны
АХ = -кк— = 1.0 мм, АХ' = -с- dw = 44 мкм, а + с а + с
где dw - диаметр входного окна детектора.
Р(Е)
Е, кэВ
Рис. 3. Относительные спектральные чувствительности Г(Б) р-г-п диода за различными фильтрами. 1 - алюминий 10 мк
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.