ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.317.794
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ БОЛОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СИЛЬНОТОЧНОГО Z-ПИНЧА
© 2014 г. П. Б. Репин, И. М. Маркевцев, С. Ю. Корнилов
РФЯЦ-ВНИИэкспериментальной физики Россия, 607188, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 E-mail: mailbox.75@bk.ru Поступила в редакцию 12.07.2013 г.
Разработан высокочувствительный болометр с малым временем отклика на нагрев внешним излучением, предназначенный для измерения интегральных параметров мягкого рентгеновского излучения лайнерной плазмы. Болометр адаптирован к условиям взрывных экспериментов с повышенным уровнем электромагнитных наводок на установках на основе взрывомагнитных генераторов с мегаамперными токами. Для повышения помехозащищенности измерений корпус болометра выполнен из металла. В качестве материала резистивного элемента рабочего тела болометра использована никелевая фольга толщиной 2 мкм. Проведен анализ выбора материала и геометрических размеров рабочих тел болометра. Определена предельная тепловая нагрузка на болометр. Разработана методика калибровки рабочих тел импульсным током. Продемонстрирована работоспособность, хорошая помехозащищенность и высокая чувствительность болометра в экспериментах. Динамический диапазон измерений поверхностной плотности энергии рентгеновского излучения составляет 0.03-0.3 Дж/см2.
DOI: 10.7868/S0032816214020128
1. ВВЕДЕНИЕ
При осевом магнитном сжатии цилиндрических плазменных лайнеров, формируемых на основе как газовых струй, так и многопроволочных сборок [1, 2], генерируются мощные импульсы мягкого рентгеновского излучения (м.р.т.). В НТЦФ РФЯЦ-ВНИИЭФ продолжаются исследования по диагностике лайнерной плазмы Z-пинчей и импульсов м.р.и. в экспериментах с формирователями тока на основе взрывомагнитных генераторов (в.м.г.) [3] и на лабораторной установке "СарМАТ".
Для измерения больших потоков м.р.и., реализуемых на установках с Z-пинчем, традиционно используются полупроводниковые детекторы, вакуумные фотодиоды, сцинтилляционные детекторы, эмиссионные диоды и калориметры. Каждый тип детектора обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому комплексное применение разных детекторов позволяет получить наиболее полную и достоверную информацию о длительности, интенсивности, спектральном составе и интегральной энергии импульса излучения.
Одной из основных величин, измеряемых на мощных Z-пинч-установках, является энергия, излучаемая плазмой в рентгеновском диапазоне. Измерение излучаемой энергии очень важно для понимания физики генерации рентгеновского
излучения из Z-пинча многопроволочного лайнера, для определения динамики плазмы и ее температуры. Для решения данной задачи был разработан быстродействующий и высокочувствительный болометр для измерений в условиях высокого уровня электромагнитных наводок.
2. КРИТЕРИИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КОНСТРУКЦИЮ БОЛОМЕТРА
Полагая, что сопротивление рабочего тела линейно зависит от температуры, поглощение падающего излучения происходит равномерно во всем его объеме, а оттоком тепла от рабочего тела можно пренебречь, для величины полезного сигнала запишем следующее простое выражение:
Аи = I( - Д) = 1Щ , (1)
ст
где I — ток, протекающий через рабочее тело; Я0 и ЯБ — сопротивление рабочего тела до и после воздействия излучения соответственно; А Ж— поглощенная болометром энергия; т — полная масса рабочего тела; а и с — соответственно температурный коэффициент сопротивления материала рабочего тела и его удельная теплоемкость.
Поглощенная в рабочем теле болометра энергия, определяемая из выражения для величины полезного сигнала, используется для нахождения
Рис. 1. Интегральная по спектру доля энергии проходящего через слои никеля различной толщины излучения абсолютно черного тела с температурой 40 (7), 60 (2) и 100 эВ (3).
излучаемой пинчем энергии Ж. В случае полного поглощения падающей на рабочее тело болометра энергии, в рамках дополнительных приближений (см. ниже), можно связать параметры А Жи Ж через безразмерный коэффициент, в котором заложена геометрия расположения болометра относительно источника излучения, а также геометрические параметры пинча и площадь рабочего тела болометра.
Предположим, что плазма пинча излучает как абсолютно черное тело с температурой <100 эВ. Тогда для полного поглощения такого излучения в металлах со средним и большим атомным весом достаточно слоя толщиной не более нескольких микрон.
Для расчета зависимостей, представленных на рис. 1, использовались данные библиотеки EPDL 97 [4]. Для снижения времени выравнивания температуры материал фольги должен обладать хорошей теплопроводностью, а толщина должна быть минимальной, но при этом удовлетворяющей технологическим требованиям (прочность, возможность изготовления, простота соединения с другими элементами конструкции, коррозионная стойкость и т.д.).
Снижение толщины фольги при прочих равных условиях способствует увеличению полезного сигнала за счет увеличения сопротивления рабочего тела и, следовательно, падения напряжения на нем при том же токе. По этой же причине при выборе материала фольги предпочтение следует отдавать металлам с высоким удельным сопротивлением.
Последнее требование к рабочему телу болометра — это линейная зависимость сопротивле-
Рис. 2. Геометрия размещения болометров в радиальных каналах (вид в плоскости, перпендикулярной оси пинча).
ния от температуры при максимально возможной величине температурного коэффициента сопротивления (т.к.с.) а.
По совокупности вышеизложенных условий тело болометра размером 2 х 8 мм было выполнено из никелевой фольги толщиной 2 мкм.
Нагрев рабочего тела опорным током допустим до тех пор, пока при суммарном нагреве рабочих тел излучением и током сохраняется линейная зависимость т.к.с. материала рабочего тела болометра от температуры. Для никеля такой нагрев соответствует диапазону температур от 293 К (комнатная температура) до точки Кюри 631 К. При нагреве свыше 631 К т.к.с. никеля падает [5]. В связи с этим следует ограничить поглощаемую рабочим телом энергию м.р.и. на уровне, обеспечивающем нагрев рабочего тела до температуры не выше точки Кюри. Отработка реальных рабочих тел из гальванически осажденного никеля показала, что поглощаемая энергия должна быть ограничена величиной А Ж < 5 • 10-2 Дж при предельной плотности энергии <0.3 Дж/см2.
Проведенная оценка температуры нагрева рабочих тела болометра применяемым в нашей методике импульсным источником питания с амплитудой тока 10 А и длительностью импульса 100 мкс дает значение 16 К. Таким образом, максимально допустимый нагрев рабочих тел потоком излучения составляет ~300 К. Это условие учитывается при выборе геометрии расположения болометра и размеров ослабляющих диафрагм.
3. РАСЧЕТ ПОЗИЦИИ БОЛОМЕТРА И ЭНЕРГИИ ИМПУЛЬСА М.Р.И.
Типичная геометрия размещения болометров в радиальных каналах взрывных источников м.р.и. показана на рис. 2. Рабочие тела болометров расположены на расстоянии Ь от оси пинча, составляющем в разных экспериментах от 0.5 до 4.5 м. В каждом болометре смонтированы два рабочих тела размером ^ х й = 8 х 2 мм, выполненные из
никеля толщиной т = 2 мкм (на рис. 2 показано одно тело). Длинные стороны рабочих тел каждого болометра параллельны друг другу и разнесены на расстояние А = 4 мм. Рабочие тела болометров могут быть ориентированы так, что оси пинча перпендикулярна их длинная (ж) или короткая (й) стороны.
Наблюдение за пинчем ведется через отверстие размером 50Ь0, где 80 — размер вдоль оси пин-ча, выполненное в обратном токопроводе лайнера. Радиус обратного токопровода Я. Попадающий на рабочие тела болометров поток излучения ограничивается диафрагмой, установленной на расстоянии 4 от оси пинча. При этом, исходя из геометрии объекта (проекция пинча на плоскость, параллельную его оси, представляет собой прямоугольник) и рабочих тел болометров, целесообразно использовать не круглую, а щелевую диафрагму, ограничивающую зону видимости болометра только в осевом направлении. Это упрощает процедуру восстановления из показаний болометра энергии, излучаемой пинчем. Размеры ограничивающей диафрагмы 5Д где — размер вдоль оси пинча. Кроме того, для снижения отраженного от стенок каналов потока м.р.и. на болометры вдоль каналов устанавливаются дополнительные диафрагмы размером 5 Д- (5 — осевой размер), не ограничивающие ход основных лучей.
Будем полагать, что плазма пинча имеет близкую к цилиндрической форму радиусом г и излучает как оптически плотное черное тело (т.е. излучает только поверхность), яркость которого одинакова для любой точки поверхности (т.е. выполняется закон Ламберта). Полную энергию, излучаемую боковой поверхностью пинча, обозначим как Ж Для равно-яркого цилиндрического источника имеем [6]
W = 2v2BrH,
(2)
телесный угол d®, в который излучается попадающая на рабочее тело энергия, одинаков для любого элементарного участка поверхности пинча и равен (при условии, что устанавливаемые в канале болометра диафрагмы не ограничивают телесный угол до меньшей величины)
d® = sd/L2. (4)
Одинаково также и направление на болометр — перпендикулярно оси пинча — от любого элементарного участка поверхности пинча, т.е. dA = dA = = const. Тогда для яркости пинча имеем следующее выражение:
B =
A WL
2
(5)
sdA А
где АЖ — энергия, падающая на рабочее тело болометра от цилиндрического участка пинча высотой к < Н (полагаем, что зона видимости болометра вдоль оси пинча ограничивается щелевой диафрагмой, см. ниже) или, что одно и то же, от прямоугольной плоской площадки площадью АА = = 2кг.
Тогда из (2), (5) получаем
A W =
sdh n2L2H'
(6)
Выражение, связывающее поглощенную болометром энергию и полную излучаемую пинчем энергию, в случае малого радиального размера пинча (г1) при выполнении условий:
2r1 <
b0L + R^s
(7а)
L - Re
при ориентации рабочих тел болометра парал
лельно оси пинча и
2r1 <
b0L + R0 (А + 2d)
(7б)
где В, г и Н — яркость, радиус и высота пинча соответственно. Выразим энергию, падающую на рабочее тело болометра, через яркость пинча. Яркость элементарного участка поверхности пинча площадью
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.