ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2008, том 34, № 10, с. 901-907
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА ИОНОВ И ДИНАМИКИ ПРИАНОДНОЙ ПЛАЗМЫ НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1
© 2008 г. В. В. Александров, Е. В. Грабовский, Г. Г. Зукакишвили, К. Н. Митрофанов, С. Ф. Медовщиков, И. Н. Фролов
ФГУП РФ ГНЦ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований",
Московская обл., Россия Поступила в редакцию 25.01.2008 г.
Окончательный вариант получен 04.03.2008 г.
Рассмотрены результаты исследования динамики прианодной плазмы и измерения потока ионов, испускаемых вдоль оси сильноточного Z-пинча. Разряд формировался в результате имплозии многопроволочных вольфрамовых сборок. Экспериментально показано, что энергетический спектр ионов зависит от массы и конфигурации проволочных сборок, а также от диаметра отверстия в аноде. Вид спектра ионов свидетельствует о том, что плазма распространяется в виде достаточно компактного сгустка. Теневые фотографии и изображения плазмы в рентгеновском излучении показывают, что аксиальная скорость истечения плазмы через анодное отверстие сравнима с радиальной скоростью сжатия плазмы и для ионов вольфрама может достигать 100 кэВ. Совокупность экспериментальных данных указывает на то, что энергетический спектр ионов формируется в основном за счет электродинамического ускорения плазмы и кумулятивных струй. Обсуждается возможный механизм формирования компактных плазменных образований в процессе электродинамического ускорения плазмы.
PACS: 52.59.Qy
ВВЕДЕНИЕ
Информация о корпускулярных потоках, эмитируемых сильноточными разрядами, представляет интерес как с точки зрения исследования процессов, происходящих в пинче, так и для прикладных задач. По энергетическому спектру ионов можно судить о механизмах ускорения плазмы (ионов), а по зарядовому составу ионов -о температуре плазмы.
В данной работе представлены результаты измерения энергетического спектра ионов вольфрама, покидающих разряд вдоль оси через отверстие в аноде. Детектором ионов служил цилиндр Фарадея. Сложность измерений в условиях установки Ангара-5-1 связана с тем, что мощное рентгеновское излучение приводит к полной ионизации остаточного газа в разрядной камере и измерительном тракте, а также к возникновению плазмы на поверхностях конструктивных элементов датчика ионов (на сетках и коллекторе).
В качестве нагрузок использовались вольфрамовые многопроволочные сборки различной конфигурации и массы.
Показана зависимость энергетического спектра ионов от массы и конфигурации сборок. Обсуждается вклад различных механизмов ускорения в наблюдаемый энергетический спектр ионов.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Установка Ангара-5-1 представляет собой мощный наносекундный генератор импульсов тока. На согласованную нагрузку величина тока достигает до 5 МА за время порядка 100 нс. В качестве нагрузок использовались многопроволочные вольфрамовые сборки. Диаметр проволок во всех опытах составлял 6 мкм. Масса лайнеров варьировалась в пределах 220-880 мкг/см. Высота лайнеров равнялась 15 мм, максимальный диаметр не превышал 20 мм. В экспериментах использовались одиночные сборки цилиндрической, конической и винтовой конфигурации, а также двойные сборки, представляющие собой комбинации перечисленных конфигураций. Например, внешняя сборка коническая, а внутренняя цилиндрическая, или внешняя - цилиндрическая, внутренняя - винтовая и т.д.
Схема эксперимента показана на рис. 1а. В представленных экспериментах измерялся поток ионов, покидающих разряд через отверстие в аноде. Детектором ионов служил цилиндр Фарадея, расположенный под углом 7° к оси разряда. Расстояние от пинча до детектора ионов составляло 3.3 м.
На рис. 1а показан один из вариантов использованных в экспериментах нагрузок - двойной лайнер из цилиндрических многопроволочных
(а) (б)
Рис. 1. Показано расположение 2-пинча, измерительного тракта и датчика ионов (а); схема датчика ионов (цилиндр Фарадея) (б).
сборок. Детектор ионов состоит из коллектора и двух сеток (см. рис. 1а). Первая, заземленная сетка экранирует область детектора от разрядной камеры. Вторая сетка находится под отрицательным потенциалом в -50 В и служит для отделения электронов от ионов, а также для возвращения в коллектор вторичных электронов, образованных при бомбардировке коллектора быстрыми ионами (гамма-эмиссия). Для эффективного разделения ионов и электронов размер ячейки сетки не превышал дебаевский радиус плазмы в области детектора и равнялся 0.3 х 0.3 мм. Суммарная геометрическая прозрачность сеток составляет ~0.4. Коллектор нагружен на сопротивление 50 Ом.
Энергия ионов измеряется по времени пролета от источника до коллектора. Отсчет времени производится от пика мягкого рентгеновского излучения (МРИ). Мощность МРИ на установке Ангара-5-1 достигает ~5-7 ТВт, а энергия ~100 кДж. Это излучение приводит к возникновению фотоэлектронов на коллекторе и сетках, полной ионизации остаточного газа в объеме детектора и образованию плазмы на сетках и коллекторе.
Фотоэлектроны, возникшие на коллекторе, первой сетке и внешней поверхности второй сетки, не приводят к появлению сигнала. Однако фотоэлектроны, возникшие на обращенной к коллектору поверхности второй сетки за счет отраженного от него излучения, попадают на коллектор и формируют отрицательный сигнал -"фото-пик". Длительность "фото-пика" совпадает с длительностью МРИ.
Концентрация плазмы, возникшей за счет фотоионизации остаточного газа, составляет при-
мерно 1012 см-3, а электронная температура достигает ~100 эВ. Большая часть этой плазмы за счет амбиполярного потенциала, создаваемого электронами, диффундирует на стенки коллектора. Однако примерно пятая часть ионов попадает на сетку, находящуюся под отрицательным потенциалом. В результате формируется отрицательный импульс, длительность которого определяется временем пролета ионов до сетки и составляет примерно 3 мкс.
Аналогичная ситуация возникает и для плазмы, возникающей на стенках коллектора за счет воздействия на них потока МРИ. Интенсивность падающего на коллектор излучения равна примерно 7 МВт/см2. При такой интенсивности преимущественно происходят нагрев и испарение поверхности, и лишь незначительная часть испаренного вещества может быть ионизована. Тем не менее количество плазмы, образованной на поверхности коллектора, может быть сравнимо с плазмой остаточного газа. Так как скорость ионов железа (материал коллектора) меньше скорости ионов азота, длительность отрицательного импульса может возрасти. В экспериментах длительность отрицательного импульса колеблется от 2 мкс до 10 мкс. Связано это, по-видимому, с изменениями концентрации остаточного газа и энергии МРИ.
На рис. 2 приведена типичная осциллограмма сигнала с цилиндра Фарадея. Промежуток времени отрицательного сигнала выделен окружностью (отрицательная часть сигнала не представлена). Пролетного времени плазмы достаточно для разделения отрицательного сигнала и положительного сигнала ионов.
U, в
Рис. 2. Осциллограмма сигнала с цилиндра Фарадея. Нагрузка: двойная сборка. Внешняя сборка коническая. Диаметр на аноде 20 мм, на катоде 10 мм. Число проволок 40^, масса 220 мкг/см. Внутренняя сборка цилиндрическая диаметром 6 мм, 80^, 440 мкг/см. Угол наблюдения а = 7°.
Полученные результаты представлены в виде дифференциальных и интегральных спектров. Дифференциальный спектр ионов dq/dE может быть представлен в виде
dq _ dq dt _ ^ dt _ д^з
dE dt dE dE
Коэффициент А определяется массой иона и расстоянием детектора ионов от источника излучения, ] - ток на коллектор, t - время пролета ионов. На представленных далее рисунках dq/dE заменено на dne/dE, где пе - количество элементарных зарядов, соответствующее заряду q.
Одновременно с измерениями потока ионов проводились измерения с помощью стандартного набора диагностик установки Ангара-5-1, включающего в себя измерение излучения вакуумными рентгеновскими диодами, электротехнические измерения тока и напряжения, фотографирование плазмы в рентгеновской и видимой областях спектра.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Анализ экспериментальных результатов показывает, что энергетический спектр ионов зависит от массы проволочных сборок, их конфигурации и диаметра отверстия в аноде. На рис. 3 представлены дифференциальные и интегральные спектры ионов для экспериментов, в которых масса сборок превышала 600 мкг/см. В этих экспериментах диаметр отверстия в аноде равнялся диаметру внутренней сборки и составлял 6 мм.
Рис. 3. Дифференциальные (верхний рисунок) и интегральные (нижний рисунок) спектры ионов. 1 - двойная цилиндрическая сборка: внешняя сборка - 60W, 330 мкг/см, Dout = 12 мм; внутренняя - 60W, 330 мкг/см, Din = 6 мм. 2 - внешняя сборка коническая - 40W, 220 мкг/см, Dout = 20 мм, Dca = 10 мм; внутренняя цилиндрическая - 80W, 440 мкг/см, Din = 6 мм. 3 - внешняя сборка коническая - 40W, 220 мкг/см, Dan = 20 мм, Dca = 10 мм; внутренняя цилиндрическая - 120W, 440 мкг/см, Din = 6 мм. Угол наблюдения а = 7°.
Для проволочных лайнеров массой свыше 660 мкг/см максимальная энергия ионов не превышает 17 кэВ. В случае двойной цилиндрической сборки максимум в энергетическом спектре приходится на ионы с энергией 3 кэВ. Для сборок, в которых внешняя многопроволочная сборка имеет коническую форму, максимум спектра смещается в более высокоэнергетичную область спектра (6-10 кэВ).
На рис. 4 показаны дифференциальные и интегральные спектры для проволочных сборок массой <330 мкг/см.
Для легких проволочных сборок массой 220330 мкг/см энергетический спектр простирается до 100 кэВ. В эксперименте 1 лайнер состоял из двух цилиндрических сборок одинаковой массы.
6 г
E, кэВ
Рис. 4. Дифференциальные и интегральные спектры ионов. 1 - двойная цилиндрическая сборка: внешняя сборка - 30W, 165 мкг/см, Dout = 12 мм; внутренняя -30W, 165 мкг/см, Din = 9 мм, закручена на угол 15°. 2 -одиночная коническая сборка Dan = 20 мм, Dca = 5 мм, 40W, 220 мкг/см. 3 - одиночная цилиндрическая сборка D = 20 мм, 40W, 220 мкг/см. На верхнем рисунке приведены дифференциальные спектры ионов, а на нижнем - соответствующие им интегральные сп
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.