Письма в ЖЭТФ, том 92, вып. 11, с.817-822
© 2010 г. 10 декабря
Регистрация спектров многозарядных ионов с временным разрешением и определение параметров горячей компоненты плазмы при магнитном сжатии многопроволочных сборок
С.С.Ананьев, С.А.ДанькоЮ.Г.Калинин, Фань Е2)+*, И.Цинь2^+, Ш. Дляи21 , Ф.Сюэ2)+, Ч.Л/г' .
Я.Ян2)+, Ж. С.юГг} ■
РНЦ Курчатовский институт, 123182 Москва, Россия + Institute of Nuclear Physics and Cbemistry, 621900 Mianyang, People's Republic of China *Key Laboratory ofParticle and Radiation Imaging, Tsinghua University, 100084 Beijing, People's Republic of China
Поступила в редакцию 27 октября 2010 г.
Приведены результаты исследований динамики горячей компоненты плазмы имплодирующих многопроволочных сборок по временному ходу рентгеновских спектральных линий многозарядных ионов. В экспериментах по сжатию многопроволочных сборок мегаамперными токами с помощью электронно-оптической хронографии зарегистрированы спектры [HJ- и [Не]-подобных ионов алюминия с наносекунд-ным временным разрешением. Одновременное разгорание резонансных линий [HJ- и [Не]-подобных ионов дает основания полагать, что до сжатия основной массы лайнера на оси уже существует горячая плазма, электронная температура которой превосходит 0.5 кэВ; дальнейшая динамика интенсивности линий в основном связана с ростом массы излучающей плазмы.
Эксперименты по регистрации спектральных линий с временным разрешением проводились на сильноточном генераторе С-300 при сжатии вложенных алюминиевых проволочных сборок с использованием стандартного набора диагностик [1]. Использовались цилиндрические сборки высотой 15 мм из проволочек с диаметром 15мкм. Внешняя оболочка диаметром 12 мм состояла из 48 проволочек, внутренняя -при диаметре б мм состояла из 24 проволочек; полная масса сборки составляла 348 мкг.
Для регистрации с временным разрешением была выбрана схема с преобразованием сцинтиллято-ром спектра рентгеновского излучения в оптическое изображение, которое передавалось гибким волоконным световодом на фотокатод светового хронографа. Основным ее достоинством является возможность относительно легко настраиваться на нужный спектральный интервал, изменяя угол падения излучения на кристалл и взаимное расположение кристалла и сцинтиллятора.
Схема регистрации спектра представлена на рис.1. Диспергирующим элементом для спектральных линий [Н]- и [Не]-подобных ионов алюминия (7-8А) являлся сферический фокусирующий кристалл слюды с межплоскостным расстоянием й = 9.906973 А. Кристалл с радиусом кривизны
e-mail: s.dankoômail.ru
2'Pan Ye, Yi Qin, Shuqing Jiang, Feibiao Xue, Zhenghong Li, Jianlun Yang, Rongkun Xu.
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 плоскости (поперек дисперсии) позволяет в несколько раз увеличить светосилу прибора по сравнению с другими схемами.
Сцинтиллятор, полистирол с р-терфенилом толщиной ~ 20 мкм, с характерным временем высвечивания 2.5 не наносился непосредственно на торцевую поверхность волоконного световода. Специальная диафрагма высотой 7.5 мм ограничивала поле зрения спектрографа таким образом, чтобы электроды генератора С-300 в него не попадали. Средний угол падения излучения ионов алюминия на кристалл составлял ~67°. Спектр фокусировался в вертикальном направлении на плоскость сцинтиллятора, удаленного от кристалла на ~ 83 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 на оптическом контакте два плоских световода сечением 2x6 мм2, которые двумя микрометрическими винтами могли плавно перемещаться по поверхности большой волоконной шайбы в нужную позицию. С помощью этих световодов два интере-
2500 mm from the source Optical fibers
Optical communication
220V
Рис.1. Схема регистрации спектра
сующих нас спектральных участка в окрестности резонансных линий [Н]- и [Не]-подобных ионов алюминия переносились на фотокатод малогабаритной оптической хронографической камеры К008 [2]. Временное разрешение системы составляло 5-10 не. Разрешающая сила системы Х/5Х = 500, что приблизительно в 5 раз хуже, чем разрешающая сила нашего спектрографа с пленкой. Подробное описание схемы регистрации можно найти в [3,4].
При обработке спектров выяснилось, что ширина характеристических линий на временной развертке превосходит ширину спектральных линий, зафиксированных интегрально по времени вторым спектрографом. Вследствие вышесказанного, для численных расчетов спектров, в которые в качестве входных данных вводились относительные интенсивности спектральных линий (резонансных и интеркомбинационной), а также ширина резонансной, была сделана корректировка ширины линии для времяраз-решенных спектров. Она уменьшалась на разность между средней шириной данной линии на развертке и шириной этой линии в интегральных во времени измерениях. Следует заметить, что использование двух различных, не вполне идентичных, световодов -каналов для регистрации областей спектра в районе резонансных линий [Н]- и [Не]-подобных ионов - приводит к искажению соотношения между интенсив-ностями линий. Необходимая калибровка была выполнена по спектрам, зарегистрированным в тех же экспериментах вторым спектрографом без временного разрешения.
На рис.2 продемонстрирована характерная подборка экспериментальных данных, полученных в процессе сжатия вложенной проволочной сборки. Представлены хронограммы резонансной линии [Н]-подобного иона А = 7.1709 А, а также резонансной, А = 7.7575 А, и интеркомбинационной, А = 7.8069 А, линий [Не]-подобного иона алюминия; приведены осциллограммы мягкого рентгеновского излучения, напряжения (шкала справа) и тока (шкала слева) через нагрузку на фоне щелевой развертки в свете. Мягкое рентгеновское излучение (МРИ) - сигналы кремниевых фотодиодов АХ11У-5 - имеет один или несколько выраженных пиков. При этом первый максимум с хорошей точностью совпадает с максимальным сжатием на щелевой развертке в свете и с самой сжатой фазой плазмы, сфотографированной в МРИ с экспозицией 5 не. Последующие пики рентгеновского излучения на сигналах с датчиков АХ11У-5 также хорошо соответствуют моментам увеличения интенсивности на временном профиле линий. Небольшое запаздывание, 2-3 не, максимумов сигналов датчиков относительно максимумов интенсивности линий может быть объяснено тем, что А"-спектр алюминия лежит в диапазоне более жестких квантов, чем диапазон Ьм > 150 эВ, регистрируемый детекторами АХ11У-5 с фильтрами, и относится к более горячей области плазмы.
На всех развертках А"-спектров линии вспыхивают практически одновременно (точность относительной временной привязки не хуже 2 не, и в момент резкого роста интенсивности временное разрешение
Регистрация спектров многозарядных ионов с временным разрешением ...
819
MA
0
100
200
300
MV
0.5
ns
Soft X-ray, a.u.
-- Super-rigid X-rays, a.u.
U
255 225 195 165 135 105 = 75 45 15
■А
f \
Is
250 200 150 100 50
000 0050 5 1 1 2
ч
Al[He] 7.75 А
ц
Al[H] 7.17 А
1
V
/ л ■■ч
125
100
75
50
25
0
2
Рис.2. Результаты эксперимента 06_5 №2. Вверху: на фоне щелевой развертки в свете (характерный размер указан стрелкой) показаны: осциллограмма датчика мягкого рентгеновского излучения AXUV-5, осциллограммы напряжения (шкала справа) и тока (шкала слева) через нагрузку. Внизу: синхронизованная с осциллограммами временная развертка элементов рентгеновского спектра. Интенсивность линий выражена в условных цветах. Слева от развертки - шкала интенсивностей в условных цветах. Сверху от развертки - профили временного хода интенсивности линии Res A1XIII ls-'2p. снизу - Res и Int A1XII ls2-ls2p, справа - профиль интенсивностей линий в момент максимума излучения Res A1XII. Время в не
регистрации спектра определяется преимущественно сцинтиллятором ~2нс), при этом передний фронт хода интенсивности линии [Н]-подобного иона круче, чем [Не]-подобного (рис.3). Но если следовать общепринятой модели, при которой кинетическая энергия
ионов при сжатии на оси столкновительным образом переходит в тепловую энергию и затем в энергию электронов, то должна происходить последовательная ионизация ионов алюминия, сопровождающаяся разгоранием линий [Не]- и, затем, [Н]-подобного иона.
Рис.3. Временной ход интенсивностей линий (каждая нормирована на свой максимум) [Не]- и [Н]-подобных ионов алюминия в экспериментах 06.5, № 1 и № 2
-15.5-3.5 8.6 20.6 32.6 44.7 56.7 68.7 80.8 92.8 104.8116.8128.9140.9152.9165.0 177.0
Скорость ионизации [Не]-подобного иона алюминия, оцененная по формуле Лотца, составляет
/14 3/2 а./я
М = ) ^-ехрНЗ)*
и8-10"13[см3/с], (1)
где 0 = 1/кТе, д = 2 - количество электронов в оболочке, I = 2086 эВ - потенциал ионизации [Неподобного иона алюминия, А = 5.46, х = 0-48 -подгоночные параметры [5]; значения Те = 600 эВ и Ие = Ю20 см-3 взяты как характерные величины из нижеприведенных расчетов параметров плазмы по интенсивностям характеристических линий. Отсюда время ионизации Р10п и (Ие(аь))^1 = 12 нс; при более высокой температуре электронов время ионизации составляет меньшее значение (при Те = 1 кэВ время Р10п ~ 2 нс). Отсутствие задержки в ~ 10 не и одновременный рост интенсивности линий [Н]- и [Неподобных ионов дают основание считать, что еще до начала регистрации излучения характеристических линий существует плазма с электронной температурой, приближающейся к Те = 1 кэВ, в которой присутствуют ионы обеих кратностей ионизации. При такой температуре нес
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.