ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 92-106
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 533.952.08
СИНХРОНИЗУЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР Х-ПИНЧА
© 2014 г. А. П. Артёмов, А. С. Жигалин, И. В. Лавринович, В. И. Орешкин, Н. А. Ратахин, А. Г. Русских, А. В. Федюнин, С. А. Чайковский, А. А. Эрфорт, К. Н. Митрофанов*, Е. В. Грабовский*, В. В. Александров*, В. П. Смирнов**
Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 *ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" Россия, 142190, Москва, Троицк, ул. Пушковых, владение 12 **Россия, 119017, Москва, ул. Большая Ордынка, 24 E-mail: aap545@gmail.com Поступила в редакцию 25.09.2013 г.
На сильноточном генераторе тераваттного уровня мощности продемонстрирована работоспособность методики рентгеновского теневого зондирования с помощью отдельного компактного импульсного генератора тока с нагрузкой в виде Х-пинча. Апробация методики проводилась на генераторе "Ангара-5-1" с пиковой мощностью до 6 ТВт в экспериментах по электродинамическому сжатию многопроволочных сборок. Преимуществом данной методики по сравнению с проводившимися ранее экспериментами на генераторах тераваттного уровня мощности является наличие отдельного генератора для питания Х-пинча, что позволяет произвольным образом варьировать момент зондирования исследуемого объекта. Импульсный генератор тока, питающий Х-пинч, соединен с узлом нагрузки посредством гибкой низкоиндуктивной передающей линии. Гибкость передающей линии является еще одним достоинством данной методики, так как позволяет существенно повысить точность юстировки рентгенографической схемы и расположить Х-пинч вблизи плазменной нагрузки. По сравнению с лазерным способом создания источника зондирующего излучения предложенный подход отличают меньшие габариты и стоимость установки, отсутствие дорогостоящих оптических элементов, более высокая эффективность генерации излучения. Благодаря компактности синхронизуемого генератора Х-пинча возможна его транспортировка для использования в исследовательских целях в других научных организациях.
DOI: 10.7868/S0032816214040016
ВВЕДЕНИЕ
Импульсная теневая рентгенография в мягком рентгеновском диапазоне спектра является мощным инструментом для исследования быстропро-текающих процессов. В настоящее время наиболее востребованными объектами исследований являются: многопроволочные сборки для создания мощного источника мягкого рентгеновского излучения (м.р.и.), Н\ > 100 эВ, перспективного для реализации инерциального управляемого термоядерного синтеза [1—5]; сферические мишени, используемые в схемах лазерного термоядерного синтеза [6—10]; электрически взрывающиеся проводники и фольги [11—15].
Для энергии квантов зондирующего излучения 3—5 кэВ массовые коэффициенты поглощения веществ со средним зарядом ядра составляют 100—1000 см2/г [16]. Это позволяет с высоким контрастом получать теневые изображения объектов с линейной вдоль луча зрения плотностью ~0.01—0.001 г/см2, т.е. толщина исследуемого объекта составляет, например, для конденсирован-
ных алюминия, вольфрама и лавсана соответственно ~4—40, ~0.5—5 и ~7—70 мкм. Помимо получения теневых изображений исследуемого объекта, также возможно проведение абсолютных измерений распределения массовой плотности либо путем монохроматического зондирования, либо с помощью ступенчатых ослабителей из материалов исследуемого вещества.
В качестве источников излучения для теневого рентгеновского зондирования часто используется высокотемпературная плотная плазма, создаваемая при взаимодействии импульсного лазерного излучения с твердотельной мишенью (см., например, [4—6]) либо формирующаяся в ходе развития перетяжки Х-пинча [17]. В обоих случаях, даже при использовании простейшей схемы точечного теневого проецирования, удается достичь микронного пространственного разрешения. Длительность импульса рентгеновского излучения лазерной плазмы близка к длительности лазерного импульса, что позволяет получать временное разрешение пико- и наносекундного диапазона.
Для Х-пинчей типична длительность импульса излучения единицы наносекунд.
В целом к преимуществам лазерного метода создания рентгеновского зондирующего источника следует отнести хорошую воспроизводимость параметров источника и возможность размещения источника достаточно близко к зондируемому объекту. К недостаткам относятся: сравнительно невысокая эффективность конверсии энергии лазерного излучения в рентгеновское, ~10-3—10-5 (см., например, [4, 5]), высокая стоимость, большие габариты и сложность в эксплуатации мощных лазерных комплексов.
Для Х-пинчей с электропитанием от компактных импульсных генераторов тока эффективность конверсии энергии первичного накопителя в рентгеновское излучение с энергией квантов >1 кэВ может достигать ~3 • 10-4 [18—20]. При этом габариты и стоимость генератора могут быть сравнительно небольшими, а эксплуатационные затраты и сложность работы невысокими. В первую очередь этими факторами определяется интерес к Х-пинчам как источникам рентгеновского излучения для теневого зондирования быстропротекающих процессов.
Предложенный в 1982 г. Х-пинч [17] представлял собой две скрещенные в виде буквы "Х" тонкие проволоки (откуда и получил свое название), по которым пропускался импульс тока сильноточного генератора. В последующих экспериментах стали использовать 4 и более проволок, тем не менее, название "Х-пинч" сохранилось. При протекании по Х-пинчу импульса тока со средней скоростью нарастания >1 кА/нс в области перекрестия формируется яркий источник мягкого рентгеновского излучения с микронными размерами и наносекундным временем жизни, что дает возможность использовать его в качестве зондирующего для теневой съемки быстропротекаю-щих процессов.
Малый размер источника излучения на основе Х-пинча позволяет использовать простейшую схему зондирования с большим увеличением — точечное проецирование. При этом исследуемый объект располагается между источником излучения и его приемником (фотопленка), что дает возможность получать теневые снимки объекта с пространственным разрешением ~1 мкм без применения рентгенооптических элементов, требующих тщательной юстировки.
Естественным подходом к постановке эксперимента по рентгеновскому зондированию с помощью Х-пинча представляется использование двух хорошо синхронизованных установок. Первая из них служит для создания исследуемого объекта (например, взрывающийся проводник), вторая — для запитки Х-пинча. Такая схема была использована в экспериментах по изучению элек-
трического взрыва тонких проволок и фольг [21— 23, 14, 15].
Вместе с тем весьма результативным оказался второй подход — запитка исследуемого объекта и Х-пинча одним и тем же генератором [24]. Так, например, в экспериментах по имплозии многопроволочных сборок на мегаамперных генераторах MAGPIE (Великобритания) [25] и "Ангара-5-1" (Россия) [1, 3] Х-пинч устанавливался вместо одного из стержней обратного токопровода. Дальнейшим развитием такого подхода стала пятикад-ровая система рентгеновского зондирования на основе Х-пинчей, успешно опробованная на генераторе COBRA (США) [26] в экспериментах с Z-пинчем. Очевидными преимуществами такого подхода являются отсутствие дополнительного генератора для питания Х-пинча и возможность установки Х-пинча близко к многопроволочной сборке с целью получения высокого коэффициента увеличения, что снижает требования к пространственному разрешению приемника излучения.
Наиболее существенным недостатком второго подхода является трудность варьирования момента генерации импульса зондирующего излучения относительно исследуемого процесса. Рассмотрим схему экспериментов по рентгеновскому зондированию многопроволочных сборок, применявшуюся в [1, 25, 26]. В этих экспериментах для имплозии многопроволочной сборки использовался импульс тока мегаамперного уровня с временем нарастания ~100 нс.
С точки зрения эффективности конверсии энергии генератора в тепловую энергию плазмы и в излучение максимальное сжатие плазмы должно происходить вблизи максимума тока, т.е. спустя 100—110 нс от начала импульса тока. Взрыв изначально конденсированных проволок и длительное плазмообразование, а также формирование радиальных плазменных потоков, ускоряемых силой Ампера, происходит в первые десятки наносекунд от начала протекания тока.
При установке Х-пинча вместо одного из стержней обратного токопровода форма импульса тока через него незначительно отличается от формы тока через проволочную сборку, а амплитуду тока IX можно грубо оценить, поделив амплитуду тока через лайнер на число стержней обратного токопровода. При заданной форме и амплитуде импульса тока через Х-пинч момент вспышки т рентгеновского излучения можно варьировать только изменением погонной массы проводников m, следуя приближенной эмпирической закономерности т ~ Vm/IX [19].
Излишнее уменьшение массы Х-пинча, как правило, приводит к формированию двух и больше импульсов рентгеновского излучения, в то время как существенное увеличение массы способствует увеличению размера источника и ухуд-
шению воспроизводимости параметров источника излучения от выстрела к выстрелу [27]. Таким образом, варьирование массы Х-пинча приводит к существенному изменению параметров зондирующего излучения, что значительно затрудняет интерпретацию результатов эксперимента.
Именно этим обстоятельством можно объяснить то, что в экспериментах [1, 26] не удалось получить качественные теневые рентгеновские снимки раньше 70 нс от начала протекания тока. Решение этого вопроса связано с использованием первого подхода — созданием отдельного генератора, питающего Х-пинч, синхронизованного с генератором исследовательской установки.
Задачами настоящей работы являлись:
— разработка и создание компактного импульсного генератора тока с нагрузкой в виде Х-пинча, обеспечивающего точность синхронизации импульса излучения с импульсом тока мегаамперно-го генератора "Ангара-5-1" не хуже 10 нс;
— разработка конструкции установки Х-пинча вблизи плазменной нагрузки (многопроволочной сборки) генератора "Ангара-5-1";
— демонстрация р
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.