ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 10, с. 894-902
^ ДИНАМИКА
ПЛАЗМЫ
УДК 533.952, 533.9.082.16
ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ БЫСТРЫХ Z-ПИНЧЕЙ,
ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ СЖАТИИ МНОГОПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1
© 2012 г. Е. А. Болховитинов*, Г. С. Волков, И. Ю. Вичев**, Е. В. Грабовский, А. Н. Грицук, В. И. Зайцев, В. Г. Новиков**, Г. М. Олейник, А. А. Рупасов*, Е. В. Светлов, А. С. Шиканов*, М. В. Федулов
ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Москва, Россия *Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия **ИПМим. М.В. Келдыша РАН, Москва, Россия e-mail: volkov@triniti.ru Поступила в редакцию 26.12.2011 г.
Окончательный вариант получен 17.02.2012 г.
Приведены результаты измерений спектров излучения вольфрамовой плазмы Z-пинчей, образующихся при сжатии цилиндрических многопроволочных сборок током ~3 МА с погонной массой 200—400 мкг/см и начальным диаметром 12—20 мм в экспериментах на сильноточной установке Ан-гара-5-1. Зависимость интенсивности излучения от энергии квантов в интервале 50—900 эВ получена спектрографом с пропускающей решеткой и регистрацией излучения на рентгеновскую фотопленку УФ-4. В интервале энергий квантов 1—3 кэВ спектр излучения был получен кристаллическим обзорным спектрографом. Для защиты пропускающей решетки от быстрых микрочастиц, возникающих при эрозии высоковольтных электродов, использован электромагнитный шторный затвор. Полный выход энергии излучения измерялся термопарным калориметром. Показано, что основная доля энергии излучения вольфрамовой плазмы находится в интервале энергии квантов 80—300 эВ. Измерения спектральной интенсивности излучения с пространственным разрешением по радиусу пинча показали, что эффективный поперечный диаметр пинча не превышает 2 мм, что совпадает с независимыми токовыми измерениями размера пинча. Проведено сравнение результатов измерений спектральной интенсивности излучения с расчетами, выполненными в предположении стационарности и однородности плазмы.
1. ВВЕДЕНИЕ
На современных мощных импульсных генераторах в экспериментах с многопроволочными быстрыми Z-пинчами, длительности импульсов мягкого рентгеновского излучения составляют 4—10 нс и мощностью излучения до 200 ТВт [1]. Наряду с измерением мощности излучения, существенное значение для понимания физических процессов эффективного сжатия пинча и трансформации электрической энергии в излучение имеет исследование спектров излучения таких источников в диапазоне энергий квантов 0.05—3 кэВ и эффективного размера излучателя.
Измерения мягкого рентгеновского излучения пинча, образующегося при сжатии многопроволочной вольфрамовой сборки, проведенные на установке Ангара-5-1 с временным и пространственным разрешениями показали, что наряду с жестким излучением свыше 300 эВ в плотном горячем пинче с поперечным размером 2 мм, более мягкое рентгеновское излучение соответствует излучению "гало" с диаметром 6 мм [2]. Отметим, что в этих экспериментах не было получено дан-
ных о спектральном составе излучения пинча. В экспериментах на установке Z [3] при сжатии вольфрамовых многопроволочных сборок током до 20 МА измерения спектра мягкого рентгеновского излучения пропускающей решеткой показали, что в момент максимума мощности излучения его можно представить как суперпозицию двух планковских спектров разных температур и эффективных излучающих размеров: Т1 = 240— 250 эВ и = 5 мм2, Т2 = 110-120 эВ и ¿2 = 60 мм2. Спектральные измерения полихроматором в 10-ти спектральных точках в интервале энергий квантов 0.05-600 эВ с наносекундным временным разрешением, проведенные на установке С-300 в экспериментах по сжатию током 2.5 МА многопроволочных цилиндрических вольфрамовых сборок с погонной массой 300-400 мкг/см показали, что спектр излучения описывается моделью черного тела с температурой 40-50 эВ [4]. В этой работе сделан вывод о том, что основная часть энергии рентгеновского излучения возникает в плазме, окружающей сжатый компактный пинч. Таким образом, эксперименты, проведен-
Рис. 1. Геометрия схемы спектрографа с пропускающей решеткой: 1 — рентгеновская пленка, 2 — блок с пропускающей решеткой (штрихи решетки параллельны спектральной щели), 3 — спектральная щель, 4 — пинч, 5 — электромагнитный шторный затвор.
ные на этих установках, указывают на сложную пространственно-временную структуру излучающего пинча.
В данной работе приведены результаты измерения спектров и мощности излучения, а также радиального размера Z-пинчей, образующихся при сжатии цилиндрических многопроволочных вольфрамовых сборок в экспериментах по сильноточным Z-пинчам на установке Ангара-5-1.
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводились на восьмимо-дульном импульсном генераторе Ангара-5-1 [5]. Токи от отдельных модулей по линиям с магнитной самоизоляцией подводились к общему концентратору, в межэлектродном зазоре которого помещалась нагрузка в виде цилиндрической многопроволочной сборки длиной 1.5 см. В качестве нагрузки использовались многопроволочные цилиндрические сборки, составленные из тонких вольфрамовых проволочек. Суммарная величина тока через нагрузку (0.2—0.3 Ом) достигал 3 МА. Длительность импульса электрической мощности на нагрузке составляла 140 нс, с максимальной мощностью Р ~ 3 ТВт. При сжатии током генератора многопроволочных сборок с оптимально подобранными параметрами, в момент времени, приблизительно совпадающий с моментом максимума тока, вблизи оси сборки образуется плотный, высокотемпературный пинч, наиболее интенсивно излучает в диапазоне энергий квантов 0.1—2 кэВ. Длина пинча практически совпадает с размером межэлектродного зазора (15 мм) и его диаметр по рентгеновскому излучению с энергией квантов свыше 0.1 кэВ составляет от 1 до 4 мм в зависимости от типа выбранной нагрузки.
Спектры излучения в интервале энергий квантов 50—900 эВ снимались спектрографом с пропускающей дифракционной решеткой и регистрацией излучения на рентгеновскую фотопленку УФ-4. Использовалась дифракционная решетка с периодом d = 1.4 мкм, сформированная внутри щели шириной Б = 70 мкм свободновися-щими золотыми полосками количеством 50, длиной 1.7 мм, шириной Ь = 0.7 мкм и толщиной 0.6 мкм с зазором между ними 0.7 мкм. Такая структура дифракционной решетки обеспечивала минимальное влияние второго порядка дифракции на спектры первого порядка. Расстояние от источника до решетки составляло а = 1.9 м и от решетки до пленки I = 79.4 см. Угол между осью пинча и направлением регистрации составлял 90°. Для получения приемлемого спектрального разрешения использовалась дополнительная щель шириной г = 200—400 мкм, расположенная на расстоянии 10 см от источника излучения и ограничивающая его угловой размер. Дополнительная щель ориентировалась вдоль или поперек пинча, но всегда была параллельна штрихам решетки, т.е. перпендикулярна направлению спектральной дисперсии решетки (рис. 1). При ширине щели 200 мкм спектральное разрешение, определяемое угловыми размерами источника со стороны решетки и решетки со стороны спектральной щели, составляет Дк = d[D/l + (г + Б)/а] = = 3 А. Юстировка спектрографа проводилась с помощью полупроводникового лазера. Измерения спектра излучения с пространственным разрешением проводились с ограничением размера длины решетки до 0.6 мм, от ее полной длины 1.7 мм. С учетом геометрии эксперимента пространственное разрешение по объекту в этом случае составляло величину порядка 2 мм. Защита пропускающей решетки от быстрых микрочастиц, возникающих при эрозии высоковольтных элек-
Таблица 1. Сводные результаты по серии экспериментов с вольфрамовыми сборками
№ эксп. Материал и диаметр проволочек Количество проволочек тп , мкг/см J, МА Е, кДж Р, ТВт т, нс ВРД, кДж
4864 ^ 9 мкм 60 720 2.76 59 1.4-1.7 12.2 26
4844 ^ 6 мкм 80 440 2.83 91 4.0-4.6 7.2 55
4926 ^ 6 мкм 80 440 1.97 71 2.3-2.7 9.3 35
4847 ^ 6 мкм 60 330 2.60 91 3.3-3.8 9.0 57
4891 ^ 6 мкм 60 330 2.92 71 2.7-2.9 10.2 40
4855 ^ 6 мкм 40 220 2.52 70 2.9-3.1 10.6 42
4888 ^ 6 мкм 40 220 2.68 70 2.9-3.2 10.5 43
4886 ^ 6 мкм 40 220 2.64 48 1.5-1.6 12.5 25
тродов [6], осуществлялась электромагнитным шторным затвором [7]. Для отработки режимов защиты пропускающей решетки от потока быстрых микрочастиц, возникающих при эрозии высоковольтных электродов, была подобрана задержка 600 мкс запуска установки, относительно времени запуска электромагнитного шторного затвора. По результатам измерений [6] эффективное время перекрытия апертуры затвора диаметром 20 мм составило 500 мкс.
Спектроскопические исследования излучения пинча в интервале энергий квантов 1—3 кэВ проводились обзорным рентгеновским спектрографом с выпуклым кристаллом слюды (2ё = 19.9 А). Спектрограф располагался на расстоянии от источника излучения 2 м. При заданной геометрии измерений спектральное разрешение спектрографа определялось шириной кривой отражения кристалла и составляло Е/АЕ ~ 400 для первого порядка дифракции. Угол между осью пинча и направлением наблюдения составлял 90°. Направление дисперсии кристалла было перпендикулярно оси пинча. В качестве регистратора излучения использовался прибор с зарядовой связью в виде открытой ПЗС линейки (ЛПЗС) [8]. Спектр излучения восстанавливался с учетом пропускания входных рентгеновских фильтров, чувствительности ПЗС-детектора [8], геометрии эксперимента и коэффициента отражения кристалла [9]. Калибровка спектров по длинам волн проводилась с учетом длин волн реперных линий. В качестве ре-перных линий использовались резонансные линии Н-подобных или Не-подобных ионов алюминия. Реперные линии алюминия из плазмы пинча регистрировались в отдельных выстрелах при использовании в качестве анода толстой алюминиевой фольги.
Изображение пинча в диапазоне энергий квантов 0.1—3 кэВ регистрировалось камерами обскурами за различными фильтрами на пленку, с пространственным разрешением по объекту порядка 60 мкм. Мощность импульса мягкого рент-
геновского излучения определялась по сигналам вакуумных рентгеновских фотодиодов (ВРД), имеющих чувствительность в спектральном интервале 0.1—2 кэВ [10]. Измерения полного выхода излучения проводились
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.