научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГОРЯЧЕЙ КОМПОНЕНТЫ ПЛАЗМЫ ПРИ СЖАТИИ ПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК ПО ВРЕМЯРАЗРЕШЕННЫМ РЕНТГЕНОВСКИМ СПЕКТРАМ Н- И НE-ПОДОБНЫХ ИОНОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГОРЯЧЕЙ КОМПОНЕНТЫ ПЛАЗМЫ ПРИ СЖАТИИ ПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК ПО ВРЕМЯРАЗРЕШЕННЫМ РЕНТГЕНОВСКИМ СПЕКТРАМ Н- И НE-ПОДОБНЫХ ИОНОВ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 2, с. 111-124

ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ

УДК 533.9.16

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГОРЯЧЕЙ КОМПОНЕНТЫ ПЛАЗМЫ ПРИ СЖАТИИ ПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК ПО ВРЕМЯРАЗРЕШЕННЫМ РЕНТГЕНОВСКИМ СПЕКТРАМ Н- И Ш-ПОДОБНЫХ ИОНОВ © 2014 г. С. С. Ананьев, С. А. Данько, Ю. Г. Калинин

Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва, Россия

e-mail:danko@dap.kiae.ru Поступила в редакцию 29.08.2013 г.

Описана система измерения рентгеновских спектров ионов на основе сферического кристалла с последовательным преобразованием рентгеновского спектра в оптическое изображение и его регистрацией на оптическом хронографе. Представлен вычислительный код для восстановления параметров плазмы по интенсивностям спектральных линий Н- и Не-подобных ионов ряда химических элементов (г = 6—29). Изложены результаты экспериментов по определению параметров горячей плазмы при сжатии вложенных многопроволочных сборок из алюминия на сильноточном генераторе С-300.

БО1: 10.7868/80367292114020024

1. ВВЕДЕНИЕ

Рентгеновские спектры многозарядных ионов являются, пожалуй, основным источником информации о состоянии плотной горячей коротко-живущей плазмы. К настоящему времени выполнено большое количество работ, как экспериментальных, в которых исследовались рентгеновские спектры различных импульсных плазменных образований, так и расчетно-теоретических, позволяющих интерпретировать полученные результаты. С современным состоянием рентгеновской спектроскопии плотной горячей плазмы можно ознакомиться на сайте одной из последних тематических конференций [1]. Для получения надежных результатов спектральная диагностика должна соответствовать определенным требованиям:

а) очевидное, но и важнейшее из них — возможность регистрации спектров с временным разрешением, которое из-за экспериментальных трудностей, особенно при работе на мощных импульсных генераторах тока, в подавляющем числе экспериментов не выполняется;

б) достаточное спектральное разрешение, чтобы регистрировать не только интенсивности резонансных линий, но и оценивать их форму для правильного учета самопоглощения, разрешать их сателлиты и т.п.;

в) использование физической модели и подходящего математического кода, которые включают адекватные механизмы и физические процессы для конфигурации исследуемой плазмы, определяют ее излучательные характеристики и позво-

ляют восстановить параметры плазмы по спектральному составу ее излучения.

В представляемой работе описаны методика и результаты экспериментов по определению параметров плазмы на основе анализа временного хода К-спектров ионов алюминия при сжатии алюминиевых проволочных сборок мегаампер-ными токами на сильноточном генераторе С-300 [2]. Эта модель должна обязательно учитывать самопоглощение спектральных линий, так как обычно в результате сжатия нагрузок мегаампер-ными токами образуется оптически плотная плазма. Проще всего подобные модели строятся для спектров Н- и Не-подобных ионов. Первые сообщения об этих экспериментах можно найти в [3, 4].

2. СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ВРЕМЕННОГО

ХОДА РЕНТГЕНОВСКИХ ЛИНИЙ Н- И Не-ПОДОБНЫХ ИОНОВ АЛЮМИНИЯ ПРИ СЖАТИИ АЛЮМИНИЕВЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК НА УСТАНОВКЕ С-300

Временную регистрацию рентгеновских спектров можно разбить на две условные группы по числу спектральных каналов: дискретный метод, когда число каналов составляет несколько единиц, и "непрерывный", оперирующий с сотнями каналов. В первом случае несколько участков спектра, как правило, наиболее яркие линии, после спектрографа выводятся каждый на свой датчик — рентгеновский диод [5], сцинтилляционный реги-

к ЭОК

Рис. 1. Схема регистрации спектра: 1 — плазма, 2 — кристалл слюды, 3 — сцинтиллятор, 4 — световод, переносящий изображение к фотокатоду ЭОК.

стратор и т.п. Естественным его недостатком является плохое спектральное разрешение, определяемое достаточно большим размером приемника и малым числом спектральных каналов, что, как правило, не соответствует требованиям, указанным в п. б) Введения. Во втором случае вместо отдельных датчиков используется электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Предельное спектральное разрешение прибора 8А, в таком случае определяется свойствами всей системы, причем ограничивающим фактором обычно является пространственное разрешение электронно-оптической камеры. Число спектральных каналов, естественно, определяется соотношением А^/8^, где АХ — наблюдаемая область дисперсии системы. Редкими примерами реализации подобных схем в кадровом и хронографическом режимах являются работы [6, 7] соответственно.

В процитированных работах использовались открытые рентгеновские электронно-оптические камеры (РЭОК), обладающие хорошей чувствительностью и высоким временным разрешением. Для экспериментов на С-300 была выбрана схема с преобразованием сцинтиллятором рентгеновского спектра в оптическое изображение, которое передается гибким волоконным световодом для регистрации на световом хронографе. Проигрывая по чувствительности схеме, использующей открытые РЭОК, и имея ограничение по временному разрешению (время высвечивания пластмассовых сцинтилляторов не менее 0.1 нс, а луч-

7.1709 А

7.7575 А

Рис. 2. Интегральный по времени спектр H- и He-по-добных ионов алюминия, зарегистрированный на фотопленку Kodak CX. Высотой линий — минимальная около 0.5 мм — определяется временное разрешение спектра при развертке. Тонированными прямоугольниками обозначено положение двух волоконных световодов.

ших по световому выходу — 2—5 нс), она имеет существенные преимущества в эксплуатации. Основным ее достоинством является возможность относительно легко варьировать спектральный интервал регистрации излучения, изменяя угол падения излучения на кристалл и взаимное расположение кристалла и сцинтилля-тора. Рентгеновская регистрирующая камера в отличие от световой камеры жестко задает спектральный интервал измерений положением ва-куумно-плотного соединения. Помимо этого, во внутреннем объеме открытой РЭОК должен поддерживаться высокий вакуум, причем преобразователь должен быть отделен от основной вакуумной камеры, поскольку импульсное выделение газа в момент "выстрела" и разлет фрагментов нагрузки может привести к его электрическому пробою и механическим повреждениям оборудования.

Схема регистрации спектров представлена на рис. 1. Для регистрации спектральных линий Н- и Не-подобных ионов алюминия (7—8 А) в экспериментах с многопроволочными алюминиевыми нагрузками, для которых спектрограф разрабатывался, был выбран сферический фокусирующий кристалл слюды с межплоскостным расстоянием а = 9.906973 А. Кристалл с радиусом кривизны 150 мм располагался на удалении 2.5 м от источника излучения, представлявшего собой плазменное образование высотой около 15 мм и поперечным размером 1—3 мм. Возможность фокусировки излучения, как в плоскости дисперсии, так и в сагиттальной (поперек плоскости дисперсии) плоскости, позволяет в несколько раз увеличить светосилу прибора по сравнению с плоскими и цилиндрическими кристаллами. Небольшие угловые размеры источника в плоскости дисперсии делали возможным смещение (в пределах 20— 30 мм) сцинтиллятора от круга Роуланда для достижения фокусировки в сагиттальной плоскости без существенного ухудшения спектрального разрешения. Сцинтиллятор, полистирол с ^-терфе-нилом толщиной 20 мкм, с характерным временем высвечивания 2.5 нс располагался непосредственно на торцевой поверхности волоконного

световода. Специальная диафрагма высотой 7.5 мм ограничивала поле зрения спектрографа таким образом, чтобы электроды, удерживающие нагрузку, в него не попадали. Средний угол падения излучения на кристалл составлял 67°. Спектр фокусировался в вертикальном направлении в плоскости сцинтиллятора, удаленного от кристалла на 83 мм. При этом самые яркие линии Ни Не-подобного спектра алюминия укладывались в отрезок 12 мм. Световод круглого сечения диаметром 30 мм и длиной 50 см переносил входное изображение с пространственным разрешением 20 мкм. Выходной конец световода, выполненный в виде шайбы, залитой эпоксидной смолой, выходил в атмосферу через кольцевое вакуумное уплотнение. К торцу выходной шайбы круглого световода пристыковывались два плоских световода сечением 2 х 6 мм2, которые двумя микрометрическими винтами могли плавно перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях по поверхности большой волоконной шайбы в нужную позицию (рис. 2). С помощью этих световодов, имеющих оптический контакт со входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптической камеры (ЭОК), два интересующих нас спектральных участка переносились на фотокатод последней. Заметим, что возможность перемещения световодов по спектру позволяет разместить на фотокатоде два исследуемых участка спектра независимо от расстояния между ними. Это также выгодно отличает схему с преобразованием рентгеновского спектра в оптический от его непосредственной регистрации на рентгеновской ЭОК.

Юстировка всей регистрирующей системы производилась следующим образом. В предварительных экспериментах на месте расчетного положения спектра перед сцинтиллятором (см. рис. 1) в вакууме устанавливалась рентгеновская пленка в специальных направляющих, позволяющих после проявления точно восстановить ее положение, а, следовательно, и положение спектра на торцах световодов. Камера переводилась в кадровый статический режим с минимальным уровнем усиления. Полученный спектр просвечивался источником света, и пара прямоугольных световодов перемещалась по противоположному торцу круглого световода до точного наведения на конкретные линии. Контроль осуществлялся по изображению спектра на ноутбуке.

Существенной особенностью работы на мощном импульсном генераторе С-300 является наличие сильных электромагнитных наводок в момент срабатывания установки, которые особенно опасны в случае размещения регистрирующей аппаратуры непосредственно у разрядной камеры. Для защиты от них необходимо было принять специальные меры: надежную экранировку регистрирующей аппаратуры, обеспечение ее систе-

мой автономного питания, позволяющей избежать гальванической связи регистрирующей электроники с сетью пит

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»