ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 3, с. 261-269
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 535.338:533.952
ИССЛЕДОВАНИЕ ВКЛАДА МАТЕРИАЛА ЭЛЕКТРОДОВ В ПЛАЗМУ СИЛЬНОТОЧНОЙ ВАКУУМНОЙ ИСКРЫ
© 2012 г. О. А. Башутин, Е. Д. Вовченко, Э. И. Додулад, А. С. Савёлов, С. А. Саранцев
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия
Поступила в редакцию 21.09.2011 г.
Методами рентгеновской спектроскопии и лазерных диагностик исследуется вклад материалов электродов в формирование плазмы разряда низкоиндуктивной сильноточной вакуумной искры и их влияние на процесс микропинчевания разряда. Определены конфигурации электродной системы со сравнимым вкладом в излучающую в рентгеновском диапазоне плазму материалов обоих электродов и с преимущественным излучением материала только одного электрода. Установлено преимущественное пинчевание разряда в парах острийного электрода независимо от его полярности. Получены свидетельства о формировании пучка надтепловых электронов в области микропин-чевания разряда.
1. ВВЕДЕНИЕ
Искровые разряды в вакууме изучаются уже в течение нескольких десятилетий. Такой интерес обусловлен их высокими излучательными характеристиками при относительной простоте конструкции разрядной системы. В настоящее время развиваются два основных направления исследования вакуумных искровых разрядов: как источников рентгеновского излучения (для микроскопии, микролитографии и т.д.) [1, 2] и как источников заряженных частиц [3—5]. Каждому их этих направлений свойственны свои особенности в конструкции электродной системы и параметры разрядной цепи, причем подразумевается знание элементного состава излучающей плазмы.
Согласно современным представлениям, интенсивная генерация пучков заряженных частиц наблюдается на начальной стадии развития искровых разрядов, еще до замыкания плазмой разрядного промежутка. При этом, наряду с генерацией электронных пучков, распространяющихся в направлении электрического поля к аноду, в том же направлении возможно и распространение пучков ионов из прикатодной области, фактически движущихся против электрического поля [6, 7]. Заряд этих ионов может достигать достаточно высоких значений [3].
В разрядах сильноточной низкоиндуктивной вакуумной искры (СНВИ) при токах порядка 100 кА и выше наблюдается образование ионов высокой кратности ионизации, вплоть до водоро-доподобных, в так называемых "горячих точках" (ГТ), формирующихся при микропинчевании плазмы [8]. Область формирования ГТ является интенсивным источником характеристического
рентгеновского излучения. Большинство исследователей отмечает, что формирование наиболее интенсивно излучающих ГТ происходит преимущественно в парах материала конического анода, который, как правило, является внутренним электродом [8, 9]. Вместе с тем имеются свидетельства о пинчевании плазмы СНВИ около внутреннего электрода и при его отрицательной полярности [10, 11]. Сопоставление этих данных приводит к предположению о том, что формирование микропинчей в разряде сильноточной вакуумной искры всегда происходит в плазме материала внутреннего электрода, независимо от его полярности. Подобное предположение представляется важным для более полного понимания сути явлений, приводящих к формированию ГТ, и подтверждения имеющихся теоретических моделей их образования. Однако вышеупомянутые исследования проводились на установках с различающейся геометрией электродных систем, при разных параметрах разрядной цепи и различных системах инициирования разряда, что могло различным образом влиять на динамику развития разряда СНВИ.
В данной работе мы представляем исследование вкладов материалов электродов в формирование плазмы разряда сильноточной вакуумной искры и их влияния на процесс микропинчева-ния по К-спектрам излучения данных материалов, проведенное на одной и той же установке, с одинаковыми параметрами разрядной цепи и системы инициирования разряда, но при различных полярностях напряжения на электродной системе.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Эксперименты проводились на микропинче-вой установке "Зона-2" (НИЯУ МИФИ) [12]. Внутренний электрод выполнялся в виде заостренного стержня диаметром 3 мм. Внешний электрод представлял собой плоский цилиндр высотой 10 мм и диаметром 20 мм с 3 мм отверстием посередине. Для выделения вклада материала электродов в плазму разряда один из электродов всегда выполнялся из меди, а другой из стали. В ходе исследований, помимо изменения полярности электродов, производилась также перекрестная замена материала электродов. О необходимости такой замены написано ниже. Всего было исследовано четыре варианта конфигурации электродной системы: стальной острийный катод и медный плоский анод, стальной острийный анод и медный плоский катод, медный острий-ный катод и плоский стальной анод и медный острийный анод при плоском стальном катоде.
В качестве накопителя использовалась конденсаторная батарея емкостью 20 мкФ. При зарядном напряжении 15 кВ ток разряда достигал 150 кА. Период разряда составлял величину 8.5 мкс. Инициирование разряда во всех экспериментах осуществлялось со стороны катода с помощью вспомогательного триггера. В случае внешнего плоского катода триггер располагался на краю поверхности катода, а для случая внутреннего острийного катода около его боковой поверхности вблизи острия. Для уменьшения влияния материала триггера на результаты измерений его высоковольтный электрод был изготовлен из молибдена. Ток разряда контролировался поясом Роговского, а амплитуда и длительность рентгеновских импульсов - рентгеновским pin-диодом. Регистрация сигналов производилась осциллографом TDS-3054.
3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Вклад материала электродов в плазму СНВИ предполагалось оценивать по интенсивностям ^„-излучения меди и железа из разряда и анализа пространственного положения его источников.
Для регистрации линий Ха-излучения были использованы два фокусирующих спектрографа с пространственным разрешением ФСПР-1Д/2Д [13], собранные по схеме Иоганна. В качестве диспергирующего элемента использовался кристалл слюды (2d = 1.986 нм), изогнутый по сферической поверхности радиусом 150 мм. Спектрографы располагались с противоположных сторон вакуумной камеры установки, и каждый настраивался на свой материал электрода. Вывод излучения осуществлялся через Be фильтры толщиной 110 мкм. Далее для простоты будем называть спектрограф, настраиваемый для регистрации
Ка-излучения меди, "медным", а спектрограф, настраиваемый для регистрации Ка-излучения железа, — "железным".
Регистрация Ка-излучения меди осуществлялась в 12 порядке отражения. Для обеспечения оптимальных условий фокусировки расстояние от кристалла до источника излучения составляло 192 мм. Регистрация излучения производилась на фотопленку, расположенную на круге Роуланда на расстоянии 139 мм от центра кристалла. При этом спектрограф работал в режиме с одномерным пространственным разрешением в направлении оси разряда. Коэффициент увеличения в этом направлении составлял 0.72 при пространственном разрешении ~ 100 мкм. Поскольку настройки спектрографа для регистрации линий Ка меди в 12 порядке очень близки к настройкам для регистрации Не-подобных линий FeXXV в 10 порядке отражения, то была возможна одновременная регистрация "медным" спектрографом и линий Ка меди (X = 1.54 А), и линий К-спектра железа вблизи X = 1.85 А, в различных порядках отражения от кристалла.
Несколько сложнее оказалась ситуация с регистрацией Ка-излучения железа. В этом случае спектральное разрешение, сравнимое с разрешением спектрографа, настроенного на Ка меди, обеспечивалось при регистрации спектра в 10 порядке отражения. Однако это требовало размещения кристалла на расстоянии 160 мм от оси разряда, что было невозможно из-за геометрических размеров вакуумной камеры установки. При регистрации в 8 порядке отражения требуемое расстояние составляло 550 мм от оси разряда. При таком расположении существенно уменьшается светосила прибора и возрастает поглощение излучения с энергией ~6 кэВ в воздухе. В качестве компромисса была использована схема спектрографа с двумерным пространственным разрешением ФСПР-2, в которой кристалл располагался на расстоянии 300 мм от оси разряда, а фотопленка вне круга Роуланда на расстоянии 152 мм от центра кристалла. Такой выбор обусловливался, в том числе, и возможностью оценки поперечных размеров источников эмиссии излучения. Регистрация производилась в 8 порядке отражения. Пространственное разрешение в обоих направлениях составляло ~100 мкм, а коэффициенты увеличения вдоль и поперек оси разряда были соответственно 0.51 и 0.22.
На чувствительность спектрографа, при прочих равных условиях, влияют как расстояние до источника излучения, в том числе и из-за ослабления излучения в воздухе, так и используемый порядок отражения. Первый фактор может быть легко учтен в результате расчета. Однако точные данные о коэффициентах отражения кристалла
слюды в разных порядках для различных углов падения на кристалл труднодоступны либо отсутствуют. Это затрудняет корректное сравнение ин-тенсивностей эмиссии материалов электродов из области разряда, а следовательно, и вклада материала каждого электрода в рабочее вещество. Однако приблизительная оценка может быть произведена путем измерения интенсивностей линий при перекрестной замене материала электродов (с сохранением их полярности) и последующего вычисления поправочного коэффициента, обеспечивающего совпадение в обоих случаях соотношений интенсивностей свечения материалов катода и анода.
Рассмотрим два варианта конфигурации электродной системы с внутренним острийным катодом и внешним плоским анодом: I — с медным катодом и стальным анодом; II — со стальным катодом и медным анодом. Будем считать, что процентное содержание материала анода, а, и катода, а, в общей концентрации частиц N в /-ом разряде при данной конфигурации не зависят от материала электрода, а определяются лишь его полярностью.
Обозначим кг — вероятность излучения Ка-фо-тонов данным веществом в разряде, к0 — коэффициент ослабления излучения на пути к спектрографу, ка — аппаратурный коэффициент, характериз
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.