ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2008, том 34, № 9, с. 816-833
ДИНАМИКА ^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
УСКОРЕННЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ И ЖЕСТКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
В Х-ПИНЧЕ
© 2008 г. Т. А. Шелковенко, С. А. Пикуз, А. Р. Мингалеев, А. В. Агафонов, В. М. Романова, А. Е. Тер-Оганесьян, С. И. Ткаченко, И. С. Блеснер*, М. Д. Митчелл*, К. М. Чандлер*, Б. Р. Касси*, Д. А. Хаммер*
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия *Корнельский университет, США Поступила в редакцию 28.01.2008 г.
Рассматривается процесс генерации ускоренных электронов в минидиоде Х-пинчей. Известно, что при взрыве Х-пинча (из двух или большего количества проволочек) формируется "минидиод", в котором происходит ускорение электронов. Последующее торможение электронов в веществе продуктов взрыва проволочек Х-пинча вызывает появление жесткого излучения с энергиями квантов выше 10 кэВ. В работе исследуются пространственно-временные характеристики жесткого излучения Х-пинчей, обсуждаются особенности его генерации, рассматриваются потенциальные возможности использования этого излучения для рентгенографии различных плазменных и биологических объектов. Представлены результаты измерений параметров электронного пучка, выходящего из Х-пинча, выполненных с использованием цилиндра Фарадея и рентгеноспектральными методами. Эксперименты проводились на генераторах ХР (550 кА, 100 нс) Корнельского университета и БИН (270 кА, 150 нс) Физического института им. П.Н. Лебедева.
PACS: 52.58.Lq, 5259.Px
1. ВВЕДЕНИЕ
Х-пинч как источник мягкого рентгеновского излучения в диапазоне 1-10 кэВ исследовался достаточно подробно [1-4], в том числе для точечной рентгенографии [5-8]. Излучающая область Х-пинча представляет собой высокотемпературную сверхплотную плазму - так называемую "горячую точку", образующуюся в перетяжке мик-ропинча в области перекрестия проволочек (см. рис. 1а-б, а также [3]); время ее жизни не превышает долей наносекунды, а при определенных условиях и нескольких десятков пикосекунд. В горячей точке происходит быстрое локальное энерговыделение (радиационный взрыв), что приводит к обрыву перетяжки и образованию условий для ускорения электронов (рис. 1в-е). Ускоренные электроны, взаимодействуя с веществом продуктов взрыва проволочек, вызывают достаточно жесткое тормозное излучение, свойства которого зависят как от материала Х-пинча, так и от параметров генератора [2, 3, 7, 9, 10]. Измеренный спектр жесткого излучения Х-пинчей на генераторах, используемых в наших экспериментах, лежит в диапазоне энергий 10-100 кэВ при размере источника от 0.1 до 1 мм.
Жесткое излучение Х-пинчей наблюдалось как в наших экспериментах [2, 7-12], так и в экспериментах других групп [13-15]. В литературе отмечается связь данного излучения с ускоренными электронами [7, 9, 10, 13, 15], обсуждаются
возможные механизмы его генерации [10, 12, 13], однако до настоящего времени прямые измерения тока и энергетического спектра ускоренных электронов не проводились; оставалось также неясным, чем, кроме материала проволочек, определяется интенсивность и жесткость вызываемого ими излучения. В тех экспериментах, где основной задачей является исследование горячей плазмы и теплового излучения Х-пинча, ускоренные электроны являются негативным фактором, так как связанное с ними жесткое излучение создает сильную фоновую засветку, которая затрудняет измерения и требует принятия специальных мер по экранировке детекторов, фотопленок и преобразователей излучений. Тем не менее электронный пучок (ЭП) является неотъемлемой частью Х-пинча и в большей или меньшей степени присутствует во всех экспериментах, поэтому его исследование необходимо для понимания процессов, происходящих при взрыве Х-пинча, а ускорение электронов должно учитываться в общем балансе энергии. В зависимости от целей эксперимента определяющими становятся те из факторов, которые приводят к уменьшению или, наоборот, к увеличению интенсивности пучка и энергии электронов, а следовательно, интенсивности и жесткости излучения, возникающего при их взаимодействии с окружающей плазмой и анодом.
(а)
г = -1.1 не
(б) г = -0.6 не
анод
£ £
катод
1 мм
Рис. 1. Типичная картина образования микропинча и разрыва перетяжки в двухпроволочном Х-пинче из Мо проволочек; (а, б) - до разрыва перетяжки и генерации мягкого рентгеновекого излучения, (в-е) - поеле разрыва перетяжки при генерации уекоренных электронов и жееткого рентгеновекого излучения. Рентгенограмма Х-пинчей была получена при иепользовании Х-пинчей из Мо проволочек разного диаметра [3].
В наетоящей работе даетея краткое опиеание уже извеетных, а также предетавлены новые эке-периментальные данные по иееледованию жееткого излучения Х-пинчей и результаты измерений тока уекоренных электронов. Применение жееткого излучения Х-пинчей для получения изображений плазменных и биологичееких объектов также будет раеемотрено.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДИАГНОСТИК
Приведенные в етатье экепериментальные результаты были получены на генераторах ХР (им-педане О ~ 0.5 Ом, макеимальное значение тока I = = 550 кА, длительноеть импульеа тока А? = 100 не, время его нараетания т = 45 не) Корнельекого универеитета, США [16] и БИН (О ~ 1 Ом, I = = 270 кА, А? = 150 не, т = 100 не) Физичеекого ин-етитута им. П.Н. Лебедева РАН [17]. Экепериментальные уеловия (материалы и конфигурации Х-пинчей) и оеновные иепользуемые диагноети-ки на обеих уетановках практичееки идентичны, за иеключением рентгеновекого электронно-оп-тичеекого хронографа ео щелевой разверткой (етрик-камера), который иепользовалея только на уетановке ХР (рие. 2). В экепериментах иееле-довалоеь мягкое и жееткое рентгеновекое излу-
чение Х-пинчей, измерялиеь энергия и ток уекоренных электронов в двух- и четырехпроволоч-ных Х-пинчах из А1, Т1, Мо и
Для иееледования проетранетвенного раепре-деления мягкого и жееткого рентгеновекого излучений применялиеь камеры-обекуры е отвер-етиями различного диаметра (от 5 мкм до 1 мм) и фильтрами е разными энергиями отеечки (от 1 до 100 кэВ). Обекуры для жееткого (Е > 10 кэВ) излучения имели проетейшую конетрукцию и были изготовлены из толетой евинцовой фольги е от-веретиями еравнительно большого диаметра (до 1 мм), закрытыми толетыми фильтрами.
Очень информативным инетрументом в наших экепериментах оказалаеь щелевая камера ео ету-пенчатым фильтром (ЩСО), в которой одномерное изображение пинча етроитея е помощью щели шириной 50 мкм через етупенчатые фильтры из алюминиевой и медной фольги [10]. Камера раеполагалаеь таким образом, чтобы проетран-етвенное разрешение изображения оеущеетвля-лоеь вдоль оеи диода. Такая геометрия оправдана, так как экеперименты показывают, что еветящи-еея облаети в Х-пинче имеют тенденцию раепола-гатьея вдоль оеи диода [2, 3]. Щель была изготовлена из 50 мкм танталовой фольги, приклеенной к толетой етальной подложке и вмеете е ней от-
5 6
Рис. 2. Вакуумная камера и основные диагностики, используемые в экспериментах на установке ХР (а), 1 - Х-пинч, 2 -ФСПР спектрограф с кристаллом слюды радиусом 100 мм, 3, 4 - ФПД для регистрации мягкого рентгеновского излучения, 5 - система для рентгенографии в мягком рентгеновском излучении, 6, 7 - ППД с разными фильтрами для регистрации жесткого рентгеновского излучения, 8 - рентгеновская стрик-камера, 9 - ФСПР спектрограф; расположение цилиндра Фарадея, используемого для регистрации тока ускоренных электронов в Х-пинче; (б) 13 - катод, 14 -обратный токопровод, 15 - анод, 16 - ЦФ.
Си (мкм)
40
20
10
(а) И
12.5 мкм_
анод
А1 (мкм)
30
(б)
60
120
направление сканирования изображения для получения денситограмм
импульс 3967
г, мм
5 4 3 2 1 0
Рис. 3. Схематическое изображение ступенчатых ослабителей, используемых на установке ХР и изображение щели ЩСО камеры, полученное с пятикратным увеличением на установке ХР в излучении W четырехпроволочного Х-пин-ча с диаметром проволочек 17 мкм (а); изображение, полученное в данном пинче камерой-обскурой с отверстием 100 мкм и энергией отсечки фильтра 3 кэВ (б).
шлифованной, что позволило сделать ее достаточно длинной (около 30 мм) при минимальных отклонениях от заданной ширины. Использование тантала обеспечивает работу камеры в жестком излучении. Изображение регистрировалось на 2 или 3 расположенных друг за другом фотопленках через два ступенчатых ослабителя, сделанных из алюминиевой и медной фольги толщинами 15 и 10 мкм (ХР) и из 10 и 50 мкм алюминиевой фольги (БИН). Количество слоев ослабителя было выбрано кратным 2п (где п = 1,
2, 3 ...). Ширина ступенек достаточно велика (около 3 мм), так что размер изображений позволяет при их обработке осуществлять усреднение значений оптической плотности, что заметно улучшает отношение сигнал-шум, и идентифицировать даже слабые изображения. Схематическое изображение ступенчатых ослабителей, используемых на установках ХР и БИН, приведено на рис. 3 а и 56, соответственно.
Примеры изображений, полученных с помощью щелевой камеры, приведены на рис. 3-5. Со-
(а)
(б)
5 мкм
Си
импулье 3967
50 100
время, не
150
10 мкм 20 мкм 40 мкм
0
1
2
г, мм
Рис. 4. Сигналы излучения " четырехпроволочного Х-пинча с диаметром проволочек 17 мкм, зарегистрированные ФПД и ППД на установке ХР (а); денеитограммы изображения щели ЩСО-камеры, полученные через фильтры е разной энергией отеечки, показанной на рие. 3, в рентгеновеком излучении Х-пинча различного проиехождения (б). Толщина и материал фильтров указаны на рисунке.
импулье 070518-1
Рис. 5. Изображение щели ЩСО камеры, полученное е шестикратным увеличением на установке БИН в излучении Мо четырехпроволочного Х-пинча е диаметром проволочек 17 мкм (а); схематичеекое изображение ступенчатых оелабителей, иепользуемых на установке БИН (б); изображение, полученное в данном пинче камерой-обекурой с отверстием 100 мкм и энергией отеечки фильтра 3 кэВ (в).
поетавление этих изображений е изображениями, полученными е помощью камеры-обекуры, еви-детельетвует о преимущеетвах ЩСО-камеры. Во-первых, лучше проележиваетея етруктура излучающей облаети Х-пинча, в том чиеле за еамыми жееткими фильтрами; во-вторых, доетаточно проето мож
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.