ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 66-73
__ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 533.9.082.5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ МОЩНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ПО ОПТИЧЕСКОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ ПРИЕМНИКА
© 2004 г. В. Т. Астрелин, А. В. Бурдаков, А. Ю. Заболотский, В. С. Койдан, К. И. Меклер, С. В. Полосаткин, В. В. Поступаев, А. Ф. Ровенских, С. Л. Синицкий, П. З. Чеботаев
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Описывается метод определения пространственной структуры сильноточного релятивистского электронного пучка: при помощи абсолютно калиброванного п.з.с.-детектора регистрируется распределение яркости теплового излучения поверхности приемника пучка в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, которое затем пересчитывается в пространственное распределение энерговыделения пучка в мишени. Метод применим при значительном удельном потоке энергии пучка (~1 кДж/см2), вызывающем заметную эрозию приемника пучка.
ВВЕДЕНИЕ
Калориметрические методы широко используются для измерения энергосодержания сильноточных пучков заряженных частиц в условиях, когда удельное энерговыделение пучка в приемнике-калориметре достаточно мало и передняя поверхность приемника пучка находится в условиях, далеких от порога разрушения. В экспериментах же с большим удельным энерговыделением пучка для корректной обработки калориметрических измерений требуется учет нескольких дополнительных эффектов.
Ниже обсуждается метод калориметрии с пространственным разрешением порядка длины пробега электронов, разработанный для установки ГОЛ-3 [1], который основан на измерении оптического излучения нагретой поверхности приемника пучка. Электронный пучок, формируемый генератором У-2, принимается графитовым калориметром. Типичные параметры пучка: энергия электронов (напряжение на катоде) ~1 МэВ, длительность ~8 мкс, энергосодержание за импульс 100-200 кДж.
Характерная величина удельного энерговыделения в калориметре составляет ~1 кДж/см2. При этом температура поверхности калориметра может достигать нескольких тысяч градусов - значений, при которых наблюдаются фазовые переходы в графите и его хрупкое разрушение. Подобные условия детально изучались нами ранее применительно к проблеме материалов дивертора и первой стенки будущих термоядерных реакто-ров-токамаков класса ИТЭР, включая поведение различных конструкционных материалов под
воздействием мощных электронных и плазменных потоков [2].
Двумерное распределение яркости поверхности графитового калориметра измеряется цифровой камерой. Абсолютная калибровка этой камеры позволяет пересчитать полученное распределение яркости в двумерное распределение эффективной пиковой температуры поверхности. Затем, используя это распределение температуры, можно рассчитать пространственную структуру удельного энергопотока пучка. В расчеты энергобаланса включены: нагрев и испарение графита, фазовые переходы, тепловое излучение, теплопроводность внутрь приемника-калориметра, потери тепла за счет приповерхностной плазмы (теплопроводность и конвекция).
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ДИАГНОСТИКИ
Программа исследований на установке ГОЛ-3 одной из задач имеет изучение быстрого нагрева плотной плазмы в открытой ловушке за счет коллективной релаксации сильноточного релятивистского электронного пучка. В состав установки входит субмегаджоульный генератор электронного пучка У-2, имеющий сложную систему формирования, транспортировки и компрессии электронного пучка [3]. На пути от диода к плазме пучок сжимается магнитным полем в 40 раз по площади до диаметра ~5 см в магнитном поле 5 Тл. Для корректной обработки результатов по пучковому нагреву плазмы необходимо точно знать результирующую форму и степень однородности пучка, а на эти величины могут влиять несколько
процессов во время сжатия и транспортировки пучка.
На рис. 1 показано расположение части установки вблизи от входной магнитной пробки соленоида (в той конфигурации, которая использовалась во время измерения пространственных характеристик электронного пучка). После компрессии пучок сбрасывается на графитовый приемник-калориметр - диск 020 и толщиной 6 см из графита МПГ-6. Ведущее магнитное поле в месте установки калориметра понижено, чтобы снизить удельное тепловыделение. Измерялись следующие параметры пучка: напряжение на катоде (энергия электронов), ток в нескольких точках вдоль системы генерации и транспортировки пучка, а также ток, принимаемый калориметром.
Полное энергосодержание пучка измерялось термопарой по установившейся температуре калориметра после импульса. Точная калибровка чувствительности калориметра проводилась при помощи эталонного источника тепла, в качестве которого использовались лампы накаливания КГМ24-150, углубленные в материал калориметра. При такой калибровке лампы питались от источника постоянного тока, измерялись ток накала и напряжение на лампе. Длительность протекания тока по лампам выбиралась такой, чтобы полная энергия, передаваемая калориметру, приблизительно совпадала с ожидаемым энергосодержанием электронного пучка.
Измерения проводились сериями из нескольких последовательных включений, при этом начальная температура калориметра поднималась от комнатной до ~200°С. Измерения при разной начальной температуре калориметра позволили учесть нелинейность, связанную с температурной зависимостью теплоемкости графита. Время остывания калориметра за счет теплопроводности было много больше времени нагрева и выравнивания температуры при калибровке, тем не менее такие потери тепла учитывались при обработке.
В экспериментах на установке ГОЛ-3 с использованием электронного пучка длительностью несколько микросекунд существенным фактором является нейтрализация пространственного заряда электронного пучка в определенных секциях системы компрессии и транспортировки пучка. Для обеспечения нейтрализации в области максимального сжатия пучка осуществляется импульсный напуск газа (см. рис. 1). В результате во время инжекции всегда существуют токи, текущие по образовавшейся из этого газа нейтрализующей плазме. Поэтому величина полного энергосодержания электронного пучка, вычисленная из осциллограмм тока пучка (измеренного поясами Роговского, расположенными в областях, близких к точке напуска газа) и напряжения на катоде, может быть использована только в качестве оценки.
5 6 8
Рис. 1. Схема эксперимента. 1 - электронный пучок (показаны огибающие); 2 - вакуумная камера; 3 - катушки магнитной системы; 4 - место импульсного напуска нейтрализующего газа; 5 - поворотное зеркало; 6 - набор нейтральных светофильтров; 7 - цифровая фотокамера; 8 - свинцовая защита с окном из свинцового стекла; 9 - вывод термопары; 10 - продолжение вакуумной камеры и соленоида ГОЛ-3; 11, 15 - пояса Роговского; 12 - графитовый приемник-калориметр; 13 - датчик жесткого тормозного излучения; 14 - кремниевый фотодиод-монитор свечения поверхности приемника пучка.
В дополнение к электротехническим характеристикам измерялась мощность жесткого тормозного излучения пучка с поверхности приемника при помощи полупроводникового датчика (датчик снабжен свинцовым фильтром с энергией отсечки 300 кэВ). По этим измерениям отслеживали, насколько излучение с поверхности калориметра соответствует ожидаемому от электронного пучка с параметрами, измеренными в вакуумной части генератора пучка (до системы транспортировки и сжатия, в которой токи частично компенсированы и внутри которой может происходить потеря части электронов пучка).
Тепловое излучение поверхности калориметра измерялось при помощи цифровой регистрирующей системы, выполненной на основе цифровой фотокамеры Кодак БС-20. Эта камера была модифицирована для удаленной работы в условиях сильных радиационных и электромагнитных помех и снабжена системой точной синхронизации по внешнему импульсу запуска. В качестве результата измерения камера передает в компьютер матрицу 501 х 240 ячеек, разделенных мозаичным фильтром на четыре "цветовых плоскости" с различными кривыми спектральной чувствительности. Разрядность аналого-цифрового преобра-
т, К
2200 г
2100 2000 1900 1800 1700
20 40 60 80100 200 400
Величина сигнала А
Рис. 2. Калибровочные кривые для одной из "цветовых плоскостей" камеры. Показана связь между значением сигнала А в ячейке матрицы и температурой поверхности Т. Кривая 1 - калибровка с вольфрамом в качестве излучателя, 2 - пересчет для графита. Тонкие линии рядом с кривой 2 обозначают неопределенность в расчетах, связанную с отличием коэффициента черноты графитовой поверхности от табличной (зависит от состояния поверхности и температурной предыстории).
зователя камеры составляет 8 бит (256 уровней), что ограничивает динамический диапазон прибора (допустимый интервал температур поверхности при работе с определенным набором серых фильтров).
В описываемых экспериментах типичное время экспозиции составляло 30 мс. За это время заметного перераспределения тепла по поверхности графитового калориметра не происходило (пространственные характеристики теплового отпечатка пучка не изменялись), однако яркость поверхности изменялась за счет перераспределения тепла по глубине калориметра. Для корректного учета такого изменения яркости в течение времени экспозиции тепловое излучение дополнительно регистрировалось отдельными кремниевыми фотодиодами, имеющими то же поле зрения и приблизительно ту же спектральную чувствительность, что и п.з.с.-камера.
ПРОЦЕДУРА КАЛИБРОВКИ
Абсолютная калибровка камеры для получения точного значения температуры поверхности калориметра проходила в несколько этапов. На первом этапе для калибровки использовалась специальная лампа СИ8-200, имеющая тело накала в виде вольфрамовой ленты достаточно большой площади. Температура ленты измерялась при помощи оптического пирометра 0ПИИР-20 с точностью ± 20°С. Была проведена проверка линейности от-
клика п.з.с.-матрицы, проведены измерения спектральных коэффициентов пропускания всех оптических элементов в диапазоне длин волн 3201500 нм.
Спектральная чувствительность камеры пр
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.