ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 12, с. 1076-1081
ИЗЛУЧЕНИЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082
ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕСТКОЙ КОМПОНЕНТЫ ИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ МИКРОПИНЧЕВОГО РАЗРЯДА
© 2012 г. Е. Д. Вовченко, И. Г. Григорьева, В. В. Макаров, А. С. Савелов, Г. Х. Салахутдинов
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия
Поступила в редакцию 22.12.2011 г. Окончательный вариант получен 21.05.2012 г.
Представлен комплекс спектрометров, позволивший одновременно провести измерения спектров импульсного рентгеновского излучения и электронной эмиссии плазмы микропинчевого разряда в широком энергетическом диапазоне (1.5—500 кэВ). Приведены экспериментальные результаты исследования электронного и рентгеновских спектров плазмы микропинчевого разряда. Механизм образования жесткого рентгеновского излучения обусловлен ускорительными процессами протекающими в плазме микропинчевого разряда.
1. ВВЕДЕНИЕ
Интерес к сильноточным импульсным электроразрядным устройствам на основе быстрых Z-пинчей обусловлен исключительно высокой эффективностью преобразования вкладываемой в разряд электрической энергии в энергию рентгеновского излучения (РИ). К пинчевым системам подобного типа относится установка "низкоиндуктивная вакуумная искра" (НВИ), в которой образуется плотная (Де > 1019 см-3) высокотемпературная (Те ~ 1 кэВ) многократно ионизованная плазма, являющаяся эффективным источником вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения высокой мощности.
Сильноточный импульсный электрический разряд на установке НВИ позволяет реализовать при определённых условиях режим микропинче-вания, сопровождающийся рождением уникального объекта, называемого плазменной точкой (ПТ) или микропинчом. В результате исследования микропинчевых разрядов (МПР) было показано [1-4], что ПТ представляет собой область плотной горячей плазмы (Де ~ 1020-1021 см-3, Те ~ ~ 1 кэВ) микронного размера (<40 мкм), в основном интенсивно излучающей за время не более 10 нс рентгеновское излучение в спектральном диапазоне линий ионов, соответствующих материалу электродов.
Высокие параметры плазмы, интересные физические процессы, относительная простота конструкции и эксплуатации делает микропинчевые установки перспективными как для фундаментальных исследований, так и для решения чисто прикладных задач. На основе микропинчевого источника рентгеновского излучения разработа-
ны схемы рентгеновской литографии и контактной рентгеновской микроскопии биологических объектов [5, 6]. Обнаружен эффект полировки поверхности высокотемпературных сверхпроводящих пленок при воздействии на них импульсов ВУФ-излучения плазмы микропинча [7]. Предложены экспериментальные исследования по применению быстрых Z-пинчей в среде тяжелых элементов для инерциального управляемого термоядерного синтеза [8, 9].
Исследования микропинчевого разряда проводятся во многих крупных лабораториях мира, однако физическая картина явлений в плазме МПР далека еще от полного понимания и является предметом интенсивных исследований и дискуссий, в частности, слабо исследованы механизмы генерации жесткого рентгеновского излучения и условия его возникновения. Во многих работах [10-17] указывалось на образование ионных и электронных пучков высокой энергии в плазме микропинчевых разрядов. Для детального изучения данных вопросов авторами разработан и применен комплекс диагностической аппаратуры, позволяющий за один импульс МПР, в широком энергетическом диапазоне (1.5-500 кэВ), получать информацию о спектральных и временных характеристиках импульсного РИ плазмы. В работе приведены результаты экспериментальных исследований электронного и рентгеновских спектров плазмы, измеренных одновременно в одном микропинче-вом разряде, а также показано, что генерация жесткого рентгеновского излучения во всех случаях связана с эмиссией тормозного излучения быстрых электронов на ионах плазмы и на аноде.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ
Исследования плазмы МПР проводились на установке [3, 18] низкоиндуктивная вакуумная искра с инициацией разряда от вспомогательных источников форплазмы эрозионного типа. Общая схема разрядного устройства представлена на рис. 1.
Разряд осуществлялся в вакуумной камере, откачанной до остаточного давления не хуже 10~4Торр. Рабочая среда разряда — продукты эрозии материалов электродов, изготовленных из железа или вольфрама. Импульсный источник тока — батарея низкоиндуктивных высоковольтных конденсаторов с общей емкостью С = = 3—12 мкФ. Режимы работы на установке: зарядное напряжение батареи и = 5—20 кВ, максимальное значение тока достигаемого в разряде 1тах = 60—150 кА, период разряда Т = 5—8 мкс. Схема инициации разряда — инжекция форплазмы от вспомогательного слаботочного импульсного разряда поверхностно-эрозионного типа с периодом порядка 0.2 мкс. Момент глубокого пин-чевания и образования ПТ фиксировался по особенности на осциллограмме разрядного тока, которая наблюдалась, как правило, только в первом полупериоде разряда в области достижения током своего максимального значения.
Для проведении исследований параметров плазмы был разработан комплекс диагностикой аппаратуры, состоящий из набора многоканальных рентгеновских спектрометров и магнитного спектрометра электронов, в которых регистрация РИ осуществлялась с помощью сцинтилляторов, термолюминесцентных (ТЛД) детекторов и ядерных эмульсий. В качестве спектрального селектирующего элемента в рентгеновских измерениях применялись различные фильтры-поглотители. Кроме того, при проведении экспериментов дополнительно использовался ряд стандартных диагностик: пояс Роговского, камера-обскура, вакуумный рентгеновский диод.
Измерение спектров импульсного рентгеновского излучения плазмы имеет ряд сложностей, связанных с тем, что при импульсе излучения малой длительности (от единиц до сотен наносекунд) возникает большое число квантов рентгеновского излучения (порядка 1017) сопровождаемое сильной электромагнитной наводкой. При таких условиях эксперимента, как правило, применяют спектрометрические методы, основанные на спектральной селекции первичного рентгеновского излучения. Одним из таких методов является метод "серых" фильтров и фильтров Росса [19]. Спектроселектирующим элементом в данном методе является набор фильтров или детекторов поглотителей различной толщины. В данном методе измеряется кривая ослабления,
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Рис. 1. Конструкция разрядного устройства с радиальной инициацией разряда: 1 — вакуумная камера; 2 — диагностические окна; 3 — анод; 4 — катод; 5 — внешний токовод; 6 — внутренний токовод; 7 — разделительный изолятор; 8 — триггерное устройство; 9 — разрядник; 10 — конденсаторная батарея триггерного устройства; 11 — конденсаторная батарея в контуре основного разряда.
представляющая собой зависимость энергии /(х) излучения, прошедшей сквозь фильтр и поглощенной в детекторе, от толщины данного фильтра х. По результатам измерений кривой ослабления проводилось восстановление спектров РИ специальными математическими методами [19, 20].
На основе данного метода был создан комплекс спектрометров рентгеновского излучения для исследования короткоживущего Z-пинчевого плазменного объекта на установке с большим суммарным динамическим диапазоном [20].
Следует отметить, что спектр рентгеновского излучения горячей плазмы имеет достаточно сложный вид с максимумом в области квантов низких энергий. Интенсивность рентгеновского излучения с ростом энергии квантов падает на несколько порядков. Детекторным системам, проводящим исследование рентгеновского излучения в различных энергетических областях, предъявляются различные требования. Следует особо уделить внимание к спектрометрии рентгеновского излучения с энергией выше 100 кэВ, где от регистрирующей аппаратуры требуется высокая чувствительность и эффективность регистрации слабоинтенсивного рентгеновского излучения.
Для проведения измерений спектрального состава однократных импульсов РИ плазмы в диапазоне энергий от 1.5 кэВ до 500 кэВ использовались три многоканальных сцинтилляцион-ных спектрометра. Первый спектрометр состоял из 15 каналов детектирования и работал в диапазоне энергий 1.5—200 кэВ, второй 7-канальный спектрометр — в диапазоне 100—400 кэВ, третий 4-канальный спектрометр — в диапазоне 200— 500 кэВ. Наличие общих зон перекрытия в смеж-
ных спектральных диапазонах позволяет проводить совместную обработку всех результатов измерений.
Компактный 15-канальный спектрометр предназначен для регистрации достаточно интенсивного мягкого рентгеновского излучения (МРИ). Его каналы построены по следующей схеме: фильтр-поглотитель, сцинтиллятор, волоконно-оптический световод, корректирующий светофильтр, ФЭУ-85. В спектрометре используются детекторы из С81(Т1) (08 х 15 мм). Применение волоконно-оптических световодов позволило уменьшить размеры детекторной части 15-канального прибора (08 х 30 мм) и снизить воздействие электромагнитных наводок на его электронную часть.
Ослабление рентгеновского излучения на входных окнах спектрометра осуществляется фильтрами поглощения различной толщины, коррекция интенсивности световых потоков на фотокатоде ФЭУ осуществляется с помощью калиброванных оптических светофильтров. Сигналы со всех каналов одновременно поступают на портативный амплитудный анализатор однократных импульсов. Информация об амплитуде сигналов выводится последовательно на цифровое табло. Динамический диапазон спектрометра 107.
Жесткая составляющая в спектре РИ измерялась компактным 7-канальным спектрометром. Его отличает высокая чувствительность, которая достигнута за счет размещения кристаллов сб1(т1), Bi4Ge3Oi2 (015 х 20 мм) в непосредственном оптическом контакте с входными окнами ФЭУ-60. Кроме того, за счет увеличения размеров сцинтиллятора была увеличена эффективность регистрации РИ. Компактность прибора обеспечивают миниатюрные размеры фотоумножителей. Порог регистрации в каждом канале может быть установлен на уровне 30 кэВ для кристаллов С81(Т1). Динамический диапазон спектрометра из семи каналов достигает 104.
В зависимости
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.