ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 3, с. 263-268
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.03.537.5
О ВОЗМОЖНОСТИ СТАБИЛИЗАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИСТОЧНИКА НА ОСНОВЕ ВАКУУМНОГО ДИОДА С ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ
© 2004 г. А. С. Кишинец, Ю. В. Коробкин, И. В. Романов, А. А. Рупасов, А. С. Шиканов, А. Мурти, П. A. Найк, П. Д. Гупта
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН *Center of Advanced Technology, Indore 452 013, India Поступила в редакцию 24.07.2003 г.
Представлены экспериментальные результаты исследований неустойчивостей разряда, энергетических и временных характеристик рентгеновского излучения источника на основе вакуумного диода с лазерно-плазменным катодом в широком диапазоне энергий, плотностей мощности, длительностей плазмообразующего лазерного импульса. Экспериментально показано, что характеристики лазерного излучения кардинально определяют динамику вакуумного разряда и позволяют контролировать радиационные процессы на разных стадиях его развития. Минимальная зарегистрированная длительность рентгеновского импульса (с количеством 1011 квантов ) в К-линиях титана (4.5 кэВ) составила 10 нс в случае образования плазменного катода лазерным импульсом с длительностью 27 пс и плотностью мощности 1013 Вт/см2. Установлено, что в режиме подавления неустойчивостей и при приложении ускоряющего напряжения, в 3-4 раза превышающего порог возбуждения линий, выполняются условия достижения максимального контраста характеристического излучения над тормозным.
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что импульсные рентгеновские трубки с взрывными катодами являются источниками тормозного рентгеновского излучения и не обладают высоким контрастом линий характеристического излучения. Это обусловлено высоким порогом рабочего напряжения (не менее 50 кВ), а также их конструктивными особенностями. Как правило, коммерческие рентгеновские трубки работают в режиме, при котором время разряда накопительной емкости меньше времени движения катодной плазмы через промежуток. В противном случае, из-за оставшейся в конденсаторе энергии после замыкания межэлектродного промежутка загорается вакуумная дуга, сопровождающаяся сильной эрозией электродов. В связи с этим процесс генерации рентгеновского излучения происходит на спаде анодного потенциала, что "размазывает" максимум тормозного излучения по спектру, снижая тем самым контраст характеристических линий. Поэтому в экспериментальных исследованиях, где требуется импульсное высококонтрастное характеристическое рентгеновское излучение, можно использовать рентгеновский источник на основе вакуумного диода с лазерно-плазменным катодом. В [1, 2] сообщалось о создании малогабаритного, квазиточечного (размер излучающей области ~250 мкм) источника характеристического рентгеновского излучения со спектральной яркостью в К-серии
титана (~4.5 кэВ) ~ 1021 фотонов/(см2.с.ср.кэВ) (1011 квантов в одном импульсе длительность ~20 нс), управляемого лазерным импульсом длительностью ~10-30 нс с энергией <1 Дж. Возможность работы источника при любом требуемом напряжении и позволяла выполнить условие и = = (3-4) и0 (и0 - порог возбуждения серии характеристического излучения), которое обеспечивает максимальный контраст по интенсивности характеристического излучения над тормозным. Условное постоянство потенциала анода в стартовой стадии разряда обеспечивалось низкой величиной суммарного заряда, переносимого пучком электронов, эмитированных из лазерной плазмы, образованной на катоде, в сравнении с зарядом конденсатора электрической схемы источника. Дальнейший разряд конденсатора через заполненный лазерной плазмой и плазмой анодного факела межэлектродный промежуток вызывал эрозию конического титанового анода и за 5 х 102 разрядов диаметр его острия увеличивался с 200 до 300 мкм, что в лабораторных условиях это увеличение являлось вполне допустимым.
Измеренный контраст А-линий титана в диапазоне 0.24-0.3 нм соответствовал величине >100, но, как было замечено, значительно уменьшался в случае образования плазменного катода лазерным импульсом с энергией <5 мДж. Дальнейшие исследования спектрального состава методом фильтров выявили жесткую компоненту рентге-
100 МОм
луч лазера, X = 1.06 мкм
анод, Т1
+20 кВ
5 нФ
85 мОм
е
катод, Т1
Рис. 1. Схема вакуумного диода с лазерно-плазменным катодом.
новского излучения, превышающую энергетические характеристики тормозного излучения, соответствующие приложенному напряжению. При ускоряющей разности потенциала в 20 кВ были зарегистрированы рентгеновские кванты, излучаемые анодом источника, с энергией свыше 25 кВ. Как известно, причинами, обуславливающими появление таких квантов, могут являться неустойчивости разряда низкого давления (р ~ ~ 10-4-10-6 Тор), сопровождаемые частичными обрывами тока и скачками напряжения на электродах [3-5]; а так же микропинчевание плазменных каналов [6-8]. В связи с этим были проведены исследования токопрохождения и условий возникновения неустойчивости разряда в рентгеновском источнике на основе вакуумного диода с лазерно-плазменным катодом.
2. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема эксперимента приведена на рис. 1. Разрядный контур вакуумного диода состоял из конденсатора емкости 5 нФ, заземленной массивной титановой мишени (катод) и титановый конусный анод с диаметром острия ~250 мкм. Напряжение на конденсаторе поддерживалось источником постоянного напряжения в диапазоне 3-20 кВ. Межэлектродное расстояние могло изменяться в диапазоне 1-20 мм. Давление в разрядной камере вакуумного диода составляло ~4 х 10-5 Тор. Индуктивность электрической цепи диода преимущественно определялась индуктивностью конденсатора, но в зависимости от электродной конфигурации составляла 0.2 или 0.8 мкГн. Катодная плазма создавалась излучением неодимового лазера (X = 1.06 мкм), сфокусированным на мишени в пятно с диаметром в 200 мкм. Из образовавшейся на катоде плазмы эмитировались электроны, которые ускорялись под воздействием электрического поля в направлении титанового анода, инициируя рентгеновское излучение в характеристических К- и ¿-линиях титана и тормозное рент-
геновское излучение с максимумом интенсивности при Х[нм] = 1.86/и [кэВ]. В целях расширения диапазона плотности мощности светового пучка на катоде, а также исследования влияния длительности лазерного импульса на процесс генерации рентгеновского излучения источника в экспериментах использовались лазеры с модуляцией добротности (длительность импульса т = 20 нс, энергия Е < 120 мДж) и с пассивной синхронизацией мод (т = 27 пс, Е < 2 Дж). Ток в цепи диода измерялся частотно независимым коаксиальным шунтом с сопротивлением 85 мОм, а напряжение на разрядном промежутке - резистивным делителем. Интенсивность рентгеновского излучения измерялась с помощью кремниевых р-г-я диодов (Quantгad 100-РВД-250), исходя из известной величины отклика, равной 0.2 Кл/Дж. Регистрация сигналов осуществлялась с помощью осциллографа Ьеегоу 9350А с полосой пропускания 500 МГц. Широко распространенная методика исследования вакуумного разряда - измерение анодного тока цилиндром Фарадея [3] - в наших экспериментах не применялась ввиду сложной геометрии диода. При этом регистрировалась временная структура рентгеновского излучения, которая полностью воспроизводила наличие пучкового режима разряда в его стартовой фазе и в моменты возникновения неустойчивостей.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
На рис. 2а, б представлены примеры осциллограмм напряжения на разрядном промежутке и временной структуры рентгеновского излучения при разных энергиях светового импульса длительностью 27 пс. Ускоряющее напряжение 20 кВ соответствовало максимальному контрасту К-линий титана, при этом межэлектродное расстояние равнялось 4 мм, индуктивность электрической цепи составляла 0.2 мкГн, а ток разряда не превышал 3 кА. В стартовой фазе разряда напря-
О ВОЗМОЖНОСТИ СТАБИЛИЗАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИСТОЧНИКА 265
Рис. 2. Осциллограммы напряжения на разрядном промежутке (Ц) и рентгеновского излучения источника (I) при межэлектродном расстоянии d = 4 мм; длительность и энергия лазерного импульса т = 27 пс, Е = 2 мДж (а), Е = 100 мДж (б).
жение на электродах спадает медленно, ток определяется законом "трех вторых" и его рост связан с сокращением межэлектродного промежутка и увеличением эмитирующей поверхности лазерной плазмы. При этом реализуется пучковой режим токопрохождения, сопровождаемый вспышкой рентгеновского излучения. Характерный спад напряжения на этой стадии разряда не превышает 15% от величины приложенного, что не может заметным образом оказать влияние на контраст линий характеристического излучения. В следующей фазе разряда скорость спада напряжения увеличивается, что связано с эффектом накопления ионов в разрядном промежутке и образованием области с потенциалом, превышающим приложенное напряжение ("горба потенциала" [5]). Эта область является потенциальной ловушкой для электронов. В ней происходит эффективная ионизация остаточного газа и паров материалов электродов, что приводит к быстрому расширению плазмы и возрастанию тока разряда. Как видно из осциллограмм рис. 2а, б скорость спада напряжения возрастает с увеличением энергии лазерного импульса. В нашем случае также существенную роль оказывает плазма анодного факела, так как за счет малой площади электрода плотность мощности электронного пучка на нем может превосходить величину 109 Вт/см2 и создаются условия для интенсивного плазмообразования. Отличительной особенностью осциллограммы, зарегистрированной в случае создания катодной плазмы лазерным импульсом с энергией Е = 2 мДж, являются вспышки рентгеновского излучения и скачки анодного потенциала во второй фазе разряда, что свидетельствует о развитии неустойчивостей. Снижение контраста характеристических линий рентгеновского излучения в этом режиме работы источника объясняется непостоянством потенциала анода и формированием электронных пучков в широком энергетическом диапазоне во второй фазе разряда. Наличие рентгеновских квантов с энергией, превышающей ускоряющее напряжение на промежутке, связано с механизмами возникновения неустойчивостей, которые подробно обсуждаются в ра
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.