ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 5, с. 395-418
^ ДИНАМИКА
ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ГИБРИДНЫЕ Х-ПИНЧИ
© 2012 г. Т. А. Шелковенко, С. А. Пикуз, С. А. Мишин, А. Р. Мингалеев, И. Н. Тиликин*, П. Ф. Кнапп**, А. Д. Кахилл**, К. Л. Хойт**, Д. А. Хаммер**
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия *Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Московская обл., Россия **Корнельский университет, Итака, Нью Йорк, США Поступила в редакцию 12.10.2011 г.
Представлены результаты исследований гибридного Х-пинча, начальная конфигурация которого представляет собой сильноточный диод с коническими вольфрамовыми электродами с зазором порядка 1—2 мм, соединенными проволочкой диаметром 20—100 мкм. Эксперименты проводились на четырех установках с амплитудой тока от 200 до 1000 кА и длительностью фронта 45 до 200 нс. Показано, что при значительно более простой конфигурации гибридные Х-пинчи на установках с коротким фронтом импульса тока (50—100 нс) не уступают стандартным Х-пинчам по мощности генерируемого мягкого рентгеновского излучения и существенно превосходят их по стабильности формирования единичной горячей точки при практически полном отсутствии жесткого рентгеновского излучения. Рассмотрены возможности использования гибридных Х-пинчей в качестве источников излучения для точечной проекционной рентгенографии плазменных объектов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Х-пинч, предложенный в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН в 1982 г. [1] как источник плотной высокотемпературной плазмы, и в настоящее время активно исследуется как интересный объект физики высоких плотностей энергии. Уникальные свойства Х-пинча обусловили его использование как источника, зондирующего в схеме проекционной рентгенографии высокого разрешения в исследованиях различных физических и биологических объектов. Первоначально Х-пинч, который мы далее будем называть стандартным Х-пинчем, представлял собой две или несколько тонких проволочек, перекрещенных в сильноточном диоде. Это достигалось, как правило, простым скручиванием исходной цилиндрической проволочной конфигурации в диоде сильноточного генератора. При протекании через диод тока в перекрестии нагрузки возникала высокотемпературная плотная плазма, интенсивно излучающая коротковолновое излучение. Стандартные Х-пинчи хорошо работают и достаточно подробно изучены на генераторах с токами от 100 до 500 кА [1-12].
Х-пинч оказался чрезвычайно гибким инструментом для генерации излучения в широком спектральном диапазоне, работающим при больших вариациях начальных условий (ток установки, материал и толщина проволочек, их длина и т.д.). В определенном интервале согласованных начальных условий [13] в Х-пинче образуется так называемая горячая точка (ГТ), которая является одним из наиболее ярких источников мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий
фотонов 1—10 кэВ с уникальными параметрами: микронным размером излучающей области и пи-косекундной длительностью импульса [6, 14—18]. Такой источник излучения является идеальным для метода точечной проекционной рентгенографии, которая является эффективной диагностикой, дающей как качественную, так и количественную информацию об исследуемом объекте [19]. В исследованиях быстроизменяющихся плазменных объектов эта диагностика часто оказывается единственно возможной [5, 6, 19—25].
Мощность излучения Х-пинча возрастает с увеличением тока генератора, однако требуемая при этом погонная масса нагрузки также возрастает [13, 24—26]. Это ведет к увеличению диаметра и количества проволочек, необходимых для обеспечения требуемой массы нагрузки в стандартных Х-пинчах. Область перекрестия проволочек становится очень сложной и весьма протяженной как в радиальном, так и в аксиальном направлениях. Из рисунка 1а видно, что в Х-пинче из восьми вольфрамовых проволочек диаметром 50 мкм на установке COBRA [27, 28] с максимальным током 1.2 МА область перекрестия в аксиальном направлении имеет размер порядка миллиметра, а в радиальном — порядка 0.5 мм. Произвольная конфигурация перекрестия Х-пинча легко приводит к нарушению симметрии в области пересечения проволочек и нестабильности процесса образования перетяжки. Для повышения стабильности и улучшения воспроизводимости процессов образования ГТ при больших токах нагрузки была предложена многослойная симметричная конфигурация Х-пинчей [24, 25]. Однако упорядочение
Рис. 1. Лазерная тенеграмма Х-пинча из 8-ми W проволочек диаметром 50 мкм до выстрела (б); тенеграмма того же Х-пинча через 55 нс после начала тока (50 нс до вспышки МРИ) установки COBRA (в); увеличенное изображение центральной части Х-пинча до выстрела (а) и через 55 нс после начала тока (г).
проволочек в перекрестии Х-пинча привело к существенному усложнению процесса изготовления нагрузки.
Как показано в предыдущих исследованиях [6, 15, 26, 29], в Х-пинчах наиболее важны процессы, происходящие в области перекрестия проволочек размером порядка 1 мм. В перекрестии Х-пинча происходит слияние кернов взорванных проволочек, формирование начальной перетяжки и образование конфигурации вещества схожей с ми-нидиодом, на оси которого расположена цилиндрическая нагрузка.
(а) t = 88(-72) нс (б) t = 116(-44) нс
Рис. 2. Рентгенограммы Х-пинча из 8-ми W проволочек диаметром 75 мкм (а, б), полученные на установке COBRA в излучении Х-пинчей из 4-х Мо проволочек (диаметрами 20 и 25 мкм для изображений а и б соответственно), расположенных в цепи обратного тока.
На рис. 1в и 2 показаны изображения восьми-проволочных Х-пинчей на установке COBRA на стадии формирования перетяжки. Изображение на рис. 1в, соответствующее стадии слияния кернов, получено при лазерном зондировании Х-пинча излучением второй гармоники NdYAG лазера с длительностью импульса 180 нс. Рентгенограммы на рис. 2, на которых видна стадия формирования минидиода, зарегистрированы в излучении молибденовых Х-пинчей расположенных в цепи обратного тока [18, 30]. Образование минидиода и перетяжки начинается задолго до вспышки рентгена, причем даже на этих стадиях части проволочек вне перекрестия являются только источником токонесущей плазмы. В дальнейшем происходит быстрое, в пределах 1 нс, пинчевание нагрузки минидиода, когда в результате процесса, названного каскадированием [29], формируется конечная перетяжка микронного размера, в которой образуется высокотемпературная плазма [6, 26, 29, 31]. На этой стадии формирования Х-пинча, показанной на рис. 3, влияние кернов проволочек вне перекрестия на процесс формирования ГТ тем более отсутствует. Таким образом, можно считать, что наиболее важной для процессов образования ГТ является только центральная часть Х-пинча длиной порядка 1 мм, а остальные части проволочек служат для подведения тока к перекрестию Х-пинча.
2. КОНСТРУКЦИЯ ГИБРИДНОГО Х-ПИНЧА И ДИАГНОСТИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Принимая во внимание сказанное выше, кажется заманчивым упростить конструкцию Х-пин-ча. Для этого нужно искусственно создать конфигурацию нагрузки, похожую на конфигурацию, возникающую в стандартном Х-пинче на стадии
t = -1.9 нс
t = -0.6 нс
1 мм
100 мкм
I_I
Рис. 3. Рентгенограммы Х-пинча из 2-х Мо проволочек диаметром 20 микрон, полученные на установке ХР в излучении идентичных Х-пинчей, расположенных параллельно в диоде. Указаны времена до момента вспышки рентгена.
Рис. 4. Схема Х-пинча из двух проволочек (а); конического минидиода с проволочкой — гибридного Х-пинча (б); поперечный разрез гибридного Х-пинча (в) и его фотография (г). На рисунках 4б и 4в указаны длина центральной проволочки и размеры конуса, применяемые в экспериментах на всех используемых установках.
формирования первичной перетяжки. Минидиод в этом случае может быть образован металлическими электродами, а центральная часть перетяжки, образуемая в стандартном Х-пинче при слиянии кернов взорванных проволочек (см. рис. 3), может быть заменена единственной проволочкой с подходящей погонной массой. Для обеспечения возможности аксиального движения вещества после взрыва проволочки [4] в электродах должны быть сделаны отверстия с диаметром, большим диаметра проволочки. Конструкция такого упрощенного Х-пинча, названного нами гибридным, показана на рис. 4б—г. Очевидно, что гибридный Х-пинч должен в принципе работать при тех же токах, что и стандартные Х-пинчи. Наиболее полезной она может быть при больших
токах, когда требуется большая начальная погонная масса вещества в перекрестии.
При рассмотрении работы гибридного Х-пин-ча необходимо принять во внимание тот факт, что его электроды выполнены из вещества в твердом состоянии, в отличие от стандартного Х-пинча, где плотность вещества "электродов" минипинча значительно ниже и их положение определяется условиями равновесия вещества под действием магнитного поля. В гибридном Х-пинче следует учитывать, что при взрыве проволочки генерируется интенсивное ультрафиолетовое излучение, под действием которого на электродах образуется плотная плазма. Плазма, расширяясь, изменяет конфигурацию минидиода и даже может закоротить его до момента образования ГТ. Из данных,
Радиальное направление
(б)
(в)
А х
j_i_i_L
40 20 0 20 40 40 20 0 20 40
АХрад, МКМ
А
мкм
Выстрел XP 04
Рис. 5. Рентгенограмма сетки, зарегистрированная в гибридном Х-пинче с N1 проволочкой диаметром 50 мкм и расстоянием между электродами 0.8 мм (а); денситограммы изображения проволочки сетки в радиальном (б) и аксиальном (в) направлениях. На денситограмму (б) наложена (кружки) наиболее близкая расчетная денситограмма, соответствующая размеру источника 1.1 микрона. Увеличение равно х4.
полученных в работе [32] при исследовании стандартных Х-пинчей с латунными электродами на установке "Дон" (ток 120 кА, длительность фронта 40 нс) с помощью лазерного зондирования, следует, что скорость расширения плотной при-электродной плазмы Уср составляет (1—2) х 106 см/с. В экспериментах с многопроволочными Х-пин-чами на установках ХР и COBRA скорость расширения приэлектродной плазмы латунных электродов Уср составляла (2—3) х 106 см/с. Время заполнения диода плотной плазмой определяется двумя составляющими. Во-первых, это в
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.