научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМЫ НА ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНОЙ ИСКРЫ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМЫ НА ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНОЙ ИСКРЫ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 11, с. 1006-1016

^ ДИНАМИКА

ПЛАЗМЫ

УДК 535.338:533.952

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМЫ НА ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНОЙ ИСКРЫ

© 2013 г. О. А. Башутин, М. А. Алхимова, Е. Д. Вовченко, Э. И. Додулад, А. С. Савёлов, С. А. Саранцев

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия

e-mail: boa308@mail.ru Поступила в редакцию 14.03.2013 г. Окончательный вариант получен 19.06.2013 г.

Представлены исследования влияния электродной системы на излучательные характеристики сильноточной низкоиндуктивной вакуумной искры. Выявлено существенное влияние геометрии и взаимного расположения электродов на структуру и состав излучающей в рентгеновском диапазоне плазмы. Предложен механизм такого влияния, основанный на начальном распределении электрических полей в межэлектродном пространстве. Определены условия формирования излучающей плазмы из продуктов эрозии только одного или обоих электродов.

DOI: 10.7868/S0367292113110012

1. ВВЕДЕНИЕ

Как известно, импульсные искровые разряды в вакууме являются интенсивными источниками вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения и потоков заряженных частиц [1—6]. В разрядах подобного типа основными компонентами плазмы являются продукты эрозии материала электродов, которые и определяют спектральный состав излучения из плазмы. В сильноточной низкоиндуктивной вакуумной искре (СНВИ) благодаря эффекту пинчевания возможно формирование плазмы с плотностью до пе ~ 1021—1022 см-3, температурой Те до 10 кэВ, и размером в десятки и единицы микрон [7, 8]. Пинч с такими параметрами является интенсивным точечным источником характеристического рентгеновского излучения ионов высокой кратности ионизации, вплоть до гелие- и водородопо-добных. Исследованию механизмов формирования подобных источников излучения посвящено большое количество исследований, результаты которых, в частности, отражены в обзорах [7, 9]. Поскольку рабочее вещество в вакуумном искровом разряде поступает в межэлектродный промежуток в результате эрозии электродов, то уже в первых экспериментах обращалось внимание на то, какой из электродов ответственен за спектральный состав излучения плазмы [10]. В большинстве работ, посвященных исследованию сильноточной вакуумной искры, использовалась электродная система с внутренним заостренным и внешним плоским электродами [8-11]. Внутренний электрод, как правило, находился под положительным потенциалом. При этом регистрировался ^-спектр излучения продуктов эрозии

внутреннего электрода, включая линии гелие- и водородоподобных ионов, свидетельствующие о пинчевании разряда в парах анода. Вместе с тем, имеются свидетельства о пинчевании плазмы СНВИ около внутреннего электрода и при его отрицательной полярности [12, 13]. Однако в этих работах оба электрода были выполнены из одного материала, и поэтому даже проведение спектроскопических измерений не позволяло сделать вывод о принадлежности излучающей плазмы к тому, или иному электроду.

Для повышения эффективности и ресурса работы эрозионного плазменного источника излучений варьируются конфигурации и материалы электродов, в которых иногда используются тугоплавкие вставки. Поэтому немаловажную роль играет понимание влияния электродной системы на состав образующейся плазмы и ее излучатель-ные характеристики. Несмотря на ряд исследований эрозии электродов в вакуумном разряде [1416], остается открытым вопрос о вкладе каждого из электродов в элементный состав излучающей плазмы.

В работе [17] нами были начаты исследования влияния конфигурации электродной системы на процессы формирования излучающей плазмы в сильноточной вакуумной искре, которые проводились на одной и той же установке, с одинаковыми параметрами разрядной цепи и системы инициирования разряда. При этом изучалось влияние полярности напряжения на электродной системе на вклады материалов электродов в формирование плазмы разряда СНВИ. Для обычно используемой электродной конфигурация с острийным внутренним и плоским внешним

Рис. 1. Разрядная система установки "Зона-2" со сменными электродами: 1 — вакуумная камера, 2 — диагностические окна, 3 — внешний токовод, 4 — внутренний токовод, 5 — изолятор, 6 — внутренний сменный электрод, 7 — внешний сменный электрод, 8 — местоположение триггера для внутреннего катода, 8'— местоположение триггера для внешнего катода, Со — конденсаторная батарея, Стр — конденсатор триггера, Р — управляемый разрядник; а), б) и в) — конфигурации электродной системы "острие—плоскость", "острие—острие" и "плоскость—острие" соответственно.

электродами была выявлена существенная зависимость элементного состава излучающей плазмы от полярности напряжения на электродах. Причина такой зависимости, по нашему мнению, была связана с геометрией использованных электродов.

Данная работа посвящена в основном изучению влияния геометрии электродной системы на формирование плазмы СНВИ и её излучательные характеристики.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Эксперименты проводились на микропинче-вой установке "Зона-2" (НИЯУ МИФИ), представлявшей собой сильноточную низкоиндуктивную вакуумную искру. Схема разрядной системы установки показана на рис. 1.

Напряжение от конденсаторной батареи С0 прикладывается через разделенные керамическим изолятором коаксиальные тоководы из нержавеющей стали к сменным внутреннему и внешнему электродам. Во всех описываемых далее экспериментах внутренний электрод находился под высоким потенциалом (положительным или отрицательным), а внешний электрод

заземлялся. Рассматривались три разные геометрии электродной системы: "острие—плоскость" (острийный внутренний и плоский внешний электроды), "острие—острие" (оба острийных электрода), и "плоскость—острие" (плоский внутренний и острийный внешний электроды). Острийные электроды имели вид заостренных под углом около 60° стержней диаметром 3 мм и длиной 12 мм. Плоские электроды имели вид цилиндров диаметром 20 мм с плоской торцевой поверхностью и со сквозным 3 мм отверстием в центре. Начальное расстояние между электродами составляло 5 мм. Для разделения вклада материала электродов в плазму разряда внутренний электрод изготавливался из стали, а внешний из меди. Каждая из геометрий исследовалась при обеих полярностях приложенного напряжения. Таким образом, с учетом полярности напряжения, всего рассматривалось шесть конфигураций.

В качестве накопителя использовалась конденсаторная батарея емкостью 20 мкФ. При зарядном напряжении 15 кВ максимальный ток разряда достигал 150 кА. Период разряда составлял 8.5 мкс. Во время проведения экспериментов в вакуумной камере поддерживалось давление не хуже 3 х 10-5 Торр. Инициирование разряда осу-

ществлялось с помощью вспомогательного триг-герного разряда между двумя вольфрамовыми проволоками диаметром 0.8 мм, разделенными керамическим изолятором. Во всех конфигурациях триггер располагался у катода. Ток разряда контролировался поясом Роговского, а амплитуда и длительность рентгеновских импульсов в области энергий квантов свыше 3 кэВ рентгеновским РШ-диодом. Регистрация сигналов осуществлялась осциллографом TDS-3054. Пространственное положение источников рентгеновского излучения в диапазоне энергий более 3 кэВ контролировалось камерой-обскурой с диаметром отверстия 220 мкм.

3. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИИ

В ходе проведенных исследований определялся элементный состав плазмы СНВИ по Ка излучению материала электродов из разрядного промежутка. Для регистрации спектров использовались два фокусирующих спектрографа с пространственным разрешением ФСПР-1Д/2Д [18], собранных по схеме Иоганна. В качестве диспергирующего элемента использовался кристалл слюды (2ё = 1.986 нм), изогнутый по сферической поверхности радиусом 150 мм. Спектрографы располагались с противоположных сторон вакуумной камеры, и каждый настраивался на свой материал электрода. Настройки спектрографов сохранялись такими же, как и в предыдущем исследовании [17]. При дальнейшем изложении спектрограф, настроенный на регистрацию Ка излучения меди, обозначен как "медный", а спектрограф, настроенный на регистрацию Ка излучения железа — как "железный". Вывод излучения осуществлялся через Ве фильтры толщиной 110 мкм.

Регистрация Ка излучения меди осуществлялась в 12-м порядке отражения. Настройки "медного" спектрографа обеспечивали его работу в режиме с одномерным пространственным разрешением в направлении оси разряда. Коэффициент увеличения в этом направлении составлял 0.72 при пространственном разрешение ~ 100 мкм. Следует отметить, что настройки "медного" спектрографа для регистрации линий Ка меди в 12-м порядке очень близки к настройкам для регистрации Не-подобных линий FeXXV в 10-м порядке отражения от кристалла. Поэтому была возможна одновременная регистрация "медным" спектрографом и линий Ка меди (X = 1.54 А), и линий К-спектра железа вблизи X = 1.85 А в разных порядках отражения от кристалла.

Второй, "железный", спектрограф работал в режиме с двумерным пространственным разрешением и обеспечивал регистрацию Ка излучения железа в 8-м порядке отражения. При таких

настройках спектрографа дополнительно предоставлялась возможность оценки поперечных размеров источников излучения. Пространственное разрешение в обоих направлениях составляло 100 мкм, а коэффициенты увеличения вдоль и поперек оси разряда составляли соответственно 0.51 и 0.22. Каждый из спектров получался в серии из 50 разрядов.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ

Спектры излучения в области линий Ka

al, 2

ме-

ди и железа для геометрий острие—плоскость и "острие—острие" и различной полярности напряжения на электродах показаны на рис. 2 и 3, соответственно. Там же приведены типичные рентгеновские обскурограммы разряда в области энергий свыше 3 кэВ, а также осциллограммы тока разряда и сигнала с рентгеновского PIN диода. Видно, что характер зарегистрированных спектров для данных геометрий электродов очень похож, однако интенсивности спектральных линий заметно отличаются.

При использовании внутреннего острийного электрода в качестве катода как для внешнего плоского анода (рис. 2б,в), так и для внешнего острийного

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.

Показать целиком