ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 536.6+537.5
РАДИАЦИОННЫЙ БОЛОМЕТР ИЗ ФОЛЬГИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ БЫСТРЫХ /-ПИНЧЕЙ
© 2010 г. Г. С. Волков, Н. И. Лахтюшко, О. В. Терентьев
ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" Россия, 142190, Троицк Московской области Поступила в редакцию 02.03.2010 г.
Описан радиационный болометр из фольги, предназначенный для измерения потоков энергии излучения и плазмы на мощных импульсных плазменных источниках рентгеновского излучения. В приборе энергия излучения или ионных потоков поглощается ниобиевой фольгой толщиной 13 мкм, предварительно нагретой квазипостоянным током длительностью 2 с до температуры ~1900 К. По световоду длиной 8 м излучение фольги подавалось на полупроводниковый фотоприемник. Чувствительность прибора по результатам калибровок составила 0.56 Дж/В • см2. Временное разрешение методики ~2.5 мкс определяется временем теплового прогрева фольги. Реализованное временное разрешение позволяет в экспериментах с мегаамперными /-пинчами зарегистрировать энергию излучения отдельно от энергии плазменных потоков разлетающейся плазмы. При этом на работу радиационного болометра не оказывают влияния фотоэффект от рентгеновского излучения и проводимость разлетающейся плазмы. Продемонстрирована работоспособность прибора на установке "Ангара-5-1" в экспериментах по сильноточным /-пинчам с выходом энергии излучения 50— 100 кДж/импульс. Проведенные измерения показали, что плотность потоков энергии разлетающейся плазмы в направлении, перпендикулярном оси пинча, не превышает 5% плотности потока энергии мягкого рентгеновского излучения.
1. ВВЕДЕНИЕ
Полные энергетические потери плазмы при импульсных процессах измеряют термопарными калориметрами. При этом временное разрешение отсутствует, и вклад в показания калориметра вносят как потоки излучения, так и энергия, переносимая разлетающейся плазмой. Для измерения мощности излучения, как правило, применяются фольговые резистивные болометры, для которых реализовано временное разрешение порядка 1нс [1]. Существенное паразитное влияние на работу таких болометров оказывает фотоэффект от падающего рентгеновского излучения. Измерение энергии плазменных потоков с помощью резистивных болометров вообще невозможно из-за проводимости прилетающей плазмы. Фольговые радиационные болометры по своим характеристикам занимают промежуточное положение между термопарными калориметрами и рези-стивными болометрами. В зависимости от толщины и материала, а также режимов работы используемой фольги временное разрешение радиационных болометров составляет от 0.1 до 1 мкс. С одной стороны, такого временного разрешения, как правило, недостаточно, чтобы измерять мощность излучения в импульсных плазменных процессах. С другой стороны, даже временное разрешение порядка 1 мкс позволяет зарегистрировать энергию излучения отдельно от энергии плазменных потоков разлетающейся плазмы.
При этом на работу радиационного болометра не оказывают влияния фотоэффект от рентгеновского излучения и проводимость разлетающейся плазмы. Данные обстоятельства стимулировали интерес к работе.
2. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ФОЛЬГИ
И РЕЖИМОВ РАБОТЫ РАДИАЦИОННОГО БОЛОМЕТРА
На современных мощных импульсных генераторах в экспериментах с /-пинчами длительности импульсов мягкого рентгеновского излучения составляют 4—10 нс с мощностью излучения до 200 ТВт [2]. Временное разрешение радиационных болометров не достаточно высокое, чтобы обеспечить измерение мощности излучения при таких процессах. Однако это временное разрешение позволяет измерить как полную излученную энергию, так и энергию, приносимую на болометр разлетающейся плазмой. В связи с этим в работе основное внимание было уделено чувствительности методики, а не временному разрешению, хотя они взаимосвязаны.
Обычно в качестве поглотителя радиационных болометров используется предварительно нагретая фольга из тугоплавкого материала. Увеличение температуры фольги регистрируется инфракрасным датчиком с тыльной стороны фольги. Бейкер и Хаммель [3] применяли зачерненную
Значения удельных теплоемкостей тугоплавких материалов ср [Дж/кг ■ К] при различных температурах
Элемент Т, К
400 600 1000 1500 Рср/Р0
Ванадий 515 540 597 714 430
Вольфрам 136 140 148 158 305
Иридий 129.5 135 150 - 300
Кобальт 450 503 627 674 600
Молибден 264 276 294 - 300
Палладий 251 261 281 307 370
Платина 136 141 152 165 350
Рений 139 145 158 - 340
Тантал 141 145 152 163 270
Титан 548 597 684 687 310
Осмий 132 136 144 154 350
Ниобий 270 281 304 333 286
Никель 482 592 561 616 549
молибденовую фольгу толщиной 7.6 мкм. В работе [4] излучаемая энергия поглощалась платиновой фольгой толщиной 6 мкм, предварительно нагретой постоянным током до температуры 1500 К. Излучение фольги регистрировалось фотоэлектронным умножителем (ф.э.у.), фотокатод которого имел максимум спектральной чувствительности в области 900 нм. Временное разрешение методики составляло 0.2 мкс и определялось температуропроводностью платиновой фольги.
Чувствительность методики при заданной температуре фольги определяется ее теплоемкостью на единицу площади рср8, где р — плотность материала фольги, ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении, 8 — толщина фольги. Чем меньше теплоемкость на единицу площади, тем больше изменение температуры фольги для заданного энерговклада в нее от потоков излучения или плазмы и тем выше чувствительность методики. Для сравнения свойств фольг из различных тугоплавких материалов в таблице приведены значения ср [Дж/кг • К] при различных температурах [5]. В последней графе приведены значения рср/р0 для температуры 1500 К, где р0 = 10 г/см3 — нормировочная плотность, введенная для удобства сравнения.
Видно, что при одинаковой толщине фольги изменение ее температуры при заданном энерговкладе практически не зависит от выбора материала, за исключением ванадия, никеля и кобальта.
Время прогрева фольги после попадания на нее излучения определяется величиной ее температуропроводности х = к/рср, где к — теплопроводность материала. Ниже приведены типичные значения коэффициентов теплопроводности к и
температуропроводности х для ряда материалов при температуре 1000 К:
Материал фольги к, Вт/м ■ К X, м2/с
Платина 79 2.5 ■ 10-
Титан 21 6.4 ■ 10-
Никель 72 1.3 ■ 10-
Ниобий 64 2.3 ■ 10-
Так как характерное время прогрева фольги обратно пропорционально коэффициенту температуропроводности, то такие материалы, как платина и ниобий, обеспечивают не только высокую чувствительность, но и наилучшее временное разрешение. По литературным данным при толщине фольги 6 мкм эти материалы обеспечивают время прогрева порядка 200 нс.
В данной работе была использована фольга из ниобия толщиной 13 мкм. Рабочая температура фольги выбиралась довольно высокой (Т = 1700— 1900 К), что определялось следующими основными соображениями. При таких температурах максимум спектральной плотности излучения приходится на длины волн порядка 2.5 мкм и фольга уже хорошо излучает в красной и ближайшей инфракрасной областях спектра (длина волны 0.7— 1.3 мкм). Для этих длин волн еще несложно подобрать достаточно чувствительный регистратор типа ф.э.у. или фотоэлектронной камеры. Возможно также использование неохлаждаемых полупроводниковых детекторов. С другой стороны, абсолютное приращение сигнала при измерениях вложенной энергии пропорционально Т3.
3. СХЕМА ПРОГРЕВА ФОЛЬГИ И РЕГИСТРАЦИИ ЕЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Для прогрева фольги использовался импульсный источник питания, который поддерживал постоянное напряжение на фольге в течение заданного временного интервала. Для изменения рабочей температуры фольги регулировалась как величина подаваемого напряжения, так и длительность импульса. Ток через фольгу определялся ее сопротивлением. Длительность импульса прогрева могла регулироваться в пределах 0.5—2 с и подбиралась вместе с величиной подаваемого напряжения так, чтобы к окончанию импульса прогрева температура и излучение фольги выходили на стационарные значения. Источник запускался от внешнего импульса, а также выдавал импульс синхронизации в конце прогрева фольги. Величина тока через фольгу обеспечивала получение достаточно высоких стационарных температур фольги (равенство мощности излучения фольги и мощности омического нагрева). В данных экспериментах размер прогреваемой фольги составил 10 х 11 мм. Источник прогрева фольги обеспечивал дополнительный калибровочный электрический импульс длительностью 170 мкс в самом конце импульса прогрева фольги.
Схематически устройство прибора показано на рис. 1. Для регистрации сигнала излучения фольги использовались как ф.э.у., так и полупроводниковые детекторы. Для отладки методики на начальном этапе работ в схеме использовался стеклянный световод без конденсора длиной 1 м и оптическим диаметром 8 мм. В плазменных экспериментах использовался пластиковый световод длиной 8 м с входным конденсором. Световод был составлен из пяти волокон 01 мм и имел оптический диаметр 3 мм. В качестве регистратора использовался ФЭУ-28, имеющий максимум спектральной чувствительности в районе 0.9 мкм, а диапазон спектральной чувствительности от 0.4 до 1.1 мкм. Для увеличения чувствительности регистрации сигнал с выхода ф.э.у. поступал на катодный повторитель с входным сопротивлением 3.8 кОм. Выход катодного повторителя был нагружен на кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. При токе делителя ф.э.у. порядка 0.5 мА максимальный линейный ток в импульсе не превышал 0.1 мА, что обеспечивало линейный сигнал с ф.э.у. на уровне 300 мВ.
Для измерения мощных потоков излучения использовался полупроводниковый фотодетектор ФД-256. Для уменьшения влияния электромагнитных наводок использовалась схема с двумя одинаковыми детекторами. Разностный сигнал с детекторов подавался на вход дифференциального усилителя с отрицательной обратной связью, причем только один детектор регистрировал из-
о ........................
3
Рис. 1. Схема устройства болометра. 1 — источник излучения; 2 — входной коллиматор; 3 — промежуточные ограничительные диафрагмы; 4 — прогреваемая фольга; 5
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.