^ ДИНАМИКА
ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
СИММЕТРИЧНЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ Х-ПИНЧ С МЕГААМПЕРНЫМ ТОКОМ
© 2010 г. Т. А. Шелковенко*, С. А. Пикуз*, Р. Д. МакБрайд**, П.Ф. Кнапп, Г. Вилхельм, Д. Б. Синарс**, Д. А. Хаммер, Н. Ю. Орлов***
Корнельский университет, США *Постоянное место работы: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва **Место работы в настоящее время: Сандиевская Национальная лаборатория, Альбукерк, США ***Объединенный институт высоких температур, РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 09.06.2009 г.
Увеличение тока через Х-пинч до мегаамперного уровня с целью повышения мощности генерируемого им рентгеновского излучения потребовал соответствующего увеличения начальной погонной массы нагрузки, что могло быть достигнуто либо увеличением количества проволочек, либо увеличением их диаметра. В обоих случаях без принятия специальных мер при перекрещивании проволочек в области их пересечения и касания возникала сложная конфигурация с неконтролируемой пространственной структурой, что приводило к серьезному нарушению симметрии образующейся в перекрестии перетяжки, дестабилизировало процесс образования плазмы и нарушало генерацию рентгеновского излучения. Для улучшения симметрии области пересечения проволочек были предложены и реализованы конфигурации Х-пинчей с регулярным многослойным расположением проволочек в перекрестии. Приведены результаты по исследованию различных симметричных конфигураций Х-пинчей на установке COBRA при токе ~1 МА. Экспериментально показано, что Х-пинчи с симметричной конфигурацией перекрестия, собранные в перекрестии из нескольких слоев проволочек, изготовленных из различных материалов, могут быть успешно использованы на установках с токами мегаамперного уровня. Найдены наиболее удачные комбинации проволочек в симметричных многослойных Х-пинчах, в которых наблюдается высокий и стабильный выход излучения и образуется единичная горячая точка.
PACS: 52.38.Ph, 52.59.Qy
1. ВВЕДЕНИЕ
Х-пинч является одним из наиболее ярких источников мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий фотонов 1—10 кэВ с уникальными параметрами: микронным размером излучающей области и пикосекундной длительностью импульса. Предложенный в 1982 году в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН [1], Х-пинч был впервые реализован на установке ДОН, являющейся наносекундным импульсным источником тока с параметрами: 1тах = 120 кА, I =80 нс, ?фр = 35 нс. Х-пинч в первоначальной конфигурации представлял собой нагрузку из двух или четырех проволочек длиной 0.5—2 см [1,2], перекрещенных в вакуумном диоде сильноточной установки. При протекании через диод тока в перекрестии нагрузки возникала высокотемпературная плотная плазма, интенсивно излучающая коротковолновое излучение.
Многие годы основные исследования Х-пинча велись на установках с токами 250—500 кА с длительностью 45—200 нс [3—11], на которых были получены подробные данные о процессах в
Х-пинче и его параметрах. Х-пинч оказался чрезвычайно гибким инструментом для генерации излучения в широком спектральном интервале, работающим при больших вариациях начальных условий (ток установки, материал и толщина проволочек, их длина и т.д.). Вместе с тем проведенный анализ результатов исследований показал, что существует определенные ограничения на форму тока через Х-пинч. В частности, было установлено, что горячие точки образуются в перетяжке Х-пинча только на установках со скоростью нарастания тока, превышающей 1 кА/нс [12]. При этом под горячими точками подразумеваются плазменные образования, параметры которых удовлетворяют следующим критериям: размеры менее 10 мкм, время существования 10—100 пс, электронная температура не менее 500 эВ, электронная плотность порядка или более 1023 см-3 [7, 8]. Такое определение наиболее близко к определению, данному в работе [13], в которой образование горячей точки в микропинче вакуумной искры связывалось с явлением радиационного коллапса. В настоящее время Х-пинч эффективно используется как точечной источник излуче-
энерговыход, мДж 800 г
_I_I_I_I_I_I
0 200 400 600
погонная масса, мкг/см
Рис. 1. Зависимость излученной энергии обычными Х-пинчами из И, Мо и W проволочек от погонной массы в перекрестии Х-пинчей, полученная на установке ХР.
ния для проекционной рентгенографии [9] различных биологических [14] и других объектов [15], самих Х-пинчей [6, 7, 9, 12], взрывающихся проволочек [16, 17] и проволочных сборок [18— 20].
Современные исследования Х-пинчей ведутся по двум основным направлениям. Во-первых, это создание простых, компактных устройств с целью практического использования Х-пинчей как точечного источника излучения для проекционной рентгенографии высокого разрешения [9, 21, 22], в том числе с использованием явления фазового контраста [15, 22]. В настоящее время уже реализованы устройства с токами меньше 100 кА на основе формирующей линии, заряжаемой непосредственно от небольшого генератора Маркса [23, 24], и устройства на основе малоиндуктивных конденсаторов и быстрых разрядников [25—27] c током до 350 кА при времени нарастания ~200 нс.
Другим направлением исследований является увеличение тока, подводимого к Х-пинчу, что должно приводить к более высоким параметрам источника излучения на его основе. В настоящее время проведены эксперименты на установках COBRA [13, 28-31] и ZEBRA [32] с током 11.2 МА, С-300 [33] с током до 3 МА и установке SATURN [34] с током до 7 МА. Следует отметить, что Х-пинчи на установках с токами мегаампер-ного уровня до настоящего времени работали весьма неустойчиво, что выражалось в генерации
большого количества источников излучения, в возрастании интенсивности жесткого рентгеновского излучения (Е > 10 кэВ) и нестабильном энерговыходе. Зачастую идентичные Х-пинчи в одинаковых условиях эксперимента дают совершенно различные результаты. Решению задачи создания нагрузки Х-пинча, стабильно и воспроизводимо работающего при больших токах и посвящена настоящая работа.
Увеличение тока через Х-пинч требует в свою очередь увеличения начальной погонной массы нагрузки. В первом приближении ее можно определить из известного в физике Z-пинчей соотношения [35, 36]
mj = m0I2, (1)
где m0 должна быть определена из эксперимента. На практике, из-за специфических свойств Х-пинча, зависимость оказалась сложнее. Согласно нашим экспериментам на установках ХР [11] и COBRA [12] лучшие параметры мягкого рентгеновского излучения (минимальная длительность, максимальная амплитуда, единичный импульс) Х-пинчей получены, если горячая точка образуется в промежутке времени между максимумом производной тока и максимумом тока. Использование для расчетов требуемой при увеличении тока через Х-пинч погонной массы нагрузки формулы (1), приводит к результату, когда в Х-пинчах мягкое рентгеновское излучение (далее МРИ) регистрируется после максимума тока нагрузки [12, 29]. Кроме того, оказалось, что для заданного максимального тока требуемая начальная масса зависит также от скорости его нарастания и материала проволочек. В качестве примера на рис. 1 приведены полученные нами на установке ХР [4, 8] зависимости выхода рентгеновского излучения в диапазоне энергий фотонов Е > 1.5 кэВ от погонной массы нагрузки Х-пинча для трех материалов проволочек. Из рис. 1 видно, что с увеличением атомного номера материала проволочки растет погонная масса, необходимая для достижения максимального энерговыхода в горячей точке (далее ГТ) Х-пинча.
Проведя анализ результатов наших экспериментов на разных установках [8, 11, 12, 28—31], мы можем сказать, что зависимость начальной погонной массы Х-пинча от тока при близких скоростях его нарастания приближенно выражается формулой
mj = mo(I/Io)a, (2)
где показатель степени a, m0, и I0 зависят от атомного номера вещества проволочек и a изменяется от a ~ 1.4 для легких элементов (алюминий, магний) до a ~ 1.8 для тяжелых элементов (вольфрам, золото).
Тем не менее, как показали эксперименты [12, 29, 32] при токах порядка или более мегаам-пера, правильный подбор массы проволочек хотя
СИММЕТРИЧНЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ Х-ПИНЧ С МЕГААМПЕРНЫМ ТОКОМ
55
анод
• 1
* i
\W
чу j § /
JK
1 мм
катод 1-1
Рис. 2. Фотография обычного Х-пинча из 8 Ti проволочек диаметром 100 мкм, помещенного в сильноточную установку COBRA. Фотография иллюстрирует размер и структуру области перекрестия Х-пинча.
и позволяет уменьшить количество образующихся в Х-пинче ГТ и снизить интенсивность жесткого излучения, но не устраняет сильную нестабильность энерговыхода. На практике требуемое увеличение погонной массы Х-пинча может быть достигнуто либо увеличением начального диаметра проволочек при сохранении их числа, либо увеличением их числа при сохранении диаметра используемых проволочек. В обоих случаях это ведет к увеличению геометрического размера области перекрестия Х-пинча и возрастанию ее топологической сложности. Здесь следует напомнить, что обычно конфигурация Х-пинча получается путем скручивания проволочек, исходно натянутых параллельно, на угол, достаточный для их касания в перекрестии. При количестве проволочек больше двух они располагаются равномерно по цилиндру, т.е. исходная конфигурация является аналогичной проволочной сборке, широко используемой в экспериментах с быстрыми Z-пинчами. Очевидно, что в общем случае после скручивания проволочки располагаются в области перекрестия произвольным образом. На рис. 2 приведено типичное изображение Х-пинча из восьми толстых проволочек.
На увеличенном фрагменте изображения видно, что даже при относительно малом количестве проволочек область перекрестия имеет сложную структуру и большой размер в радиальном направлении. Кроме того, область перекрестия становится заметно вытянутой в осевом направлении, то есть начальная особенность становится менее выраженной, что может негативным образом влиять на динамику формирования перетяжки и процесс образования ГТ. В таком Х-пинче проявляется тенденция к образованию достаточно длинной структуры с несколькими перетяжками, некоторого аналога структуры, наблюдаемой
при взрыве и пинчевании одиночной проволочки. Экспериментальные исследования пока
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.