ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 2, с. 168-172
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.951
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ИСТОЧНИКОВ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ИОНОВ В МИКРОПИНЧЕВОМ РАЗРЯДЕ © 2012 г. А. Н. Долгов, Н. А. Клячин, Д. Е. Прохорович
Национальный исследовательский ядерный университет "Московский инженерно-физический институт", Россия Поступила в редакцию 13.05.2011 г. Окончательный вариант получен 22.06.2011 г.
Зарегистрированы изображения источников ионной эмиссии в плазме микропинчевого разряда. Наиболее интенсивным источником ионов является прианодная область диаметром <1 мм и протяженностью около 3 мм. Основной вклад в формирование изображений вносят однозарядные ионы плазмообразующего элемента с энергиями 10—50 кэВ.
1. ВВЕДЕНИЕ
В литературе имеется достаточно обширная, хотя и разрозненная, информация, касающаяся параметров ионной эмиссии из плазмы Z-пинчей (в основном плазменного фокуса).
Методы корпускулярной диагностики в списке методов, применяемых для исследования пин-чующихся разрядов в среде тяжелых элементов, занимают весьма скромное место. Предпочтение отдается дифракционной рентгеновской спектроскопии высокого разрешения [1] и скоростному фотографированию [2, 3], т. е. тем видам диагностики, которые вне всяких сомнений обеспечили получение достоверной информации о параметрах объекта исследований и протекающих процессах в его наиболее экстремальных состояниях. Помимо измерения абсолютных значений электронной плотности и температуры, ионизационного состояния методы рентгеновской спектроскопии оказались применимы для получения информации о параметрах потоков высокоэнергетичных частиц и электрических полей в плазме разряда [4—6]. Что касается корпускулярных диагностик, то внимание уделяется прямой регистрации с высоким временным разрешением пучков высокоэнергетичных электронов с помощью цилиндра Фарадея, размещаемого на оси разряда. Прослеживается динамика электронного пучка, проводятся измерения тока, по ослаблению тока пучка в поглощающих фильтрах оценивается спектр эмитируемых электронов [1, 7]. Систематическому изучению параметров ионной эмиссии из плазмы Z-пинчей в среде тяжелых элементов видимо еще предстоит стать плодотворным инструментом в руках исследователей. В пользу этого свидетельствуют полученные результаты. Сравнительный анализ зарегистрированных спектров ионной эмиссии в диапазоне энергий частиц 30 эВ—150 кэВ и результатов
параллельных исследований плазмы микропин-чевого разряда, выполненных методами рентгеновской обскурографии, скоростного фотографирования в собственном излучении видимого диапазона и тенеграфии с импульсным лазерным осветителем, регистрации энергии испускаемого рентгеновского излучения, а также результатов расчетов, выполненных в рамках модели радиационного сжатия обнаруживают хорошее соответствие, что позволяет дать регистрируемым спектрам надежную интерпретацию [3, 8, 9]. С другой стороны, обнаружена генерация потока частиц с энергиями не менее 1 МэВ [10], механизм появления которых остается невыясненным.
По-видимому, для полноты картины характеристик корпускулярной эмиссии представляет интерес информация о пространственной структуре источников частиц. Авторы использовали технику камеры-обскуры для визуализации областей в плазме микропинчевого разряда, являющихся наиболее интенсивными источниками ионной эмиссии.
2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Эксперименты выполнены на установке типа сильноточной вакуумной искры [11]. Разряд реализуется в вакуумной камере в продуктах эрозии материала электродов (железо). Геометрия электродов: анод — конический, катод — цилиндрический с осевым отверстием диаметром 3 мм. Расстояние между электродами составляет 6 мм. Разряд инициируется при замыкании межэлектродного промежутка форплазмой от вспомогательного разрядного устройства эрозионного типа. Начальный вакуум не хуже 10-2 Па. Источник тока разряда — батарея низкоиндуктивных кон-
К А
Рис. 1. Рентгеновская обскурограмма в радиальном направлении: К — катод, А — анод, ПТ — плазменные точки.
денсаторов, время от момента инициации разряда до момента достижения максимальной силы тока ~150 кА составляло ~2 мкс.
Рутинные средства диагностики, обеспечивающие контроль режима разряда, включают рентгеновскую камеру-обскуру с фотодетектором (медицинская рентгеновская пленка), который регистрирует пространственную структуру излучающей в спектральном диапазоне X < 0.4 нм плазмы, и магнитный зонд для регистрации производной тока разряда. Наличие "особенности" на осциллограмме сигнала с магнитного зонда на участке нарастания тока свидетельствует о развитии процесса пинчевания плазменного канала тока в разряде [11]. Обскурограммы свидетельствуют о реализации механизма глубокого радиационного сжатия (вплоть до образования "плазменных точек" или микропинчей) в каждом разряде [12] (рис. 1).
Ионная камера-обскура состоит из двух основных элементов: диафрагмы с отверстием диаметром 0.5 мм, которое формирует изображение, и трекового детектора, чувствительного только к ионному потоку. Диафрагма устанавливалась на расстоянии 0.1 м от области разряда. Детектор, в качестве которого использовалась тонкая полимерная пленка СЯ-39 (толщина ~0.1 мм) [13] располагался за диафрагмой на расстоянии 0.1 м от нее. Необходимая для получения изображения экспозиция составила 100 разрядов. Для проявления изображения после экспонирования детектора в потоке ионов производилось его травление водным раствором №ОН при температуре 50°С в течении 8 ч. При указанных условиях травления проявлялось максимальное количество треков. На рис. 2 представлены изображения, полученные при наблюдении в радиальном и осевом направлениях. Для сравнения на рис. 3 представлено изображение области разряда, сформированное той же камерой-обскурой в осевом направлении при замене полимерной пленки фотодетектором, регистрирующим излучение в спектральном диапазоне X < 0.4 нм (экспозиция 10 разрядов).
Сравнение полученных ионных и рентгеновских обскурограмм позволяет сделать вывод, что основным источником ионов является прианод-ная область диаметром <1 мм и протяженностью около 3 мм. Кроме того, характер изображения, полученного с помощью ионной камеры-обскуры при наблюдении вдоль оси разряда, заставляет прийти к заключению, что данное изображение отражает не только пространственную структуру плазмы, испускающей ионный поток, но и условия формирования направленности ионного потока. Вероятно, ключевое обстоятельство -взаимодействие ионов различной зарядности с магнитным полем канала тока в разряде. В приосевой области магнитное поле не оказывает заметного влияния на распространение ионного потока, поэтому центральная часть изображения дает представление о поперечном по отношению
Рис. 2. Ионные обскурограммы: в радиальном направлении (а); в осевом направлении (б). Экспозиция — 100 разрядов. ФИЗИКА ПЛАЗМЫ том 38 № 2 2012
170
ДОЛГОВ и др.
03 мм
dN/dEh отн. ед. 105 ■
Рис. 3. Рентгеновская обскурограмма в осевом направлении. Экспозиция — 10 разрядов.
к оси разряда размере области формирования ионного потока. Кольцевые же структуры на ионной обскурограмме — результат взаимодействия ионного потока с магнитным полем разряда. Нельзя исключить возможность образования кольцеобразной структуры изображения вследствие разделения корпускулярного потока по за-рядностям ионов.
Возникает вполне естественный вопрос: частицы, каких энергий формируют изображение на ионной обскурограмме? Для ответа на указанный вопрос необходимо осуществить сепарацию частиц в коллимированном пучке, в условиях, подобных тем, в которых происходит отбор частиц, формирующих изображение в трековом детекторе ионной камеры-обскуры.
Спектры ионов были зарегистрированы с помощью двух расположенных на оси разряда анализаторов Томсона, отличавшихся протяженностью пролетной базы и области сепарации, а также размерами детектора: в одном случае расстояние от области разряда до детектора составляло ~0.2 м, в другом — 2 м [14, 15]. В качестве детекторов использовались ядерная фотоэмульсия без защитного покрытия, нанесенная на оптически прозрачную подложку, и полимерная пленка, аналогичная той, что была использована в ионной камере-обскуре. Ввиду отсутствия возможности осуществления прямой калибровки анализаторов был применен метод так называемой "математической" калибровки [16], основанный на расчете траекторий частиц в параллельных электрическом и магнитном полях с учетом полей рассеяния. С этой целью путем прямых измерений определялось распределение в пространстве магнитного поля, а распределение электрического моделировалось в электролитической ванне на макете анализатора. Методика восстановления энергетического спектра регистрируемых ионных потоков основана в случае использования фотоэмульсионного детектора на полученной автором работы [17] зависимости плотности почернения фотоэмульсии от числа частиц, приходящихся на единицу поверхности детектора, заряда и энергии ионов. В случае использования в качестве детектора полимерной
104
103
102
101
10е
¿4
□
□ ЕЬ
□ □
□
□
□
а 1—1 □ □
п
10
20
30
40 50 Е:, кэВ
Рис. 4. Спектр ионов Fe+1 (длина пролетной базы Ь = 0.2 м, экспозиция — 100 разрядов, детектор — фотоэмульсия).
пленки осуществлялся подсчет числа проявленных треков, приходящихся на единицу поверхности детектора.
На рис. 4—6 представлены распределения по энергиям ионов железа различной кратности, которые удалось зарегистрировать в эксперименте. Сравнивая полученные распределения можно прийти к заключению, что результаты регистрации ионных спектров с помощью обоих анализаторов и с использованием двух типов детекторов непротиворечивы. Можно отметить, что фотоэмульсия более информативна в качестве детектора, поскольку обладает большим динамическим диапазоном. Что касается полимерного трекового детектора, то он обеспечивает, по-видимому, большую надежность, так как допускает более непосредственное восстановление спектра путем подсчета количества треков в избранном спектральном диапазоне. Однако следует отметить, что длина первичных треков для частиц с эн
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.