Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Экспериментальная установка и диагностическая аппаратура. Теоретические основы эксперимента 20
1.1. Экспериментальный комплекс ПФ-4 20
1.2. Диагностический комплекс установки
1.2.1. Система измерения полного тока и его производной 23
1.2.2. Рентгеновская камера-обскура 25
1.2.3. Система регистрации на основе МКП 28
1.2.4. Рентгеновский кристаллический спектрометр 31
1.2.5. Полупроводниковые детекторы типа СППД11 -04
1.3. Физические процессы в плазменном фокусе 36
1.4. Теоретическое описание процессов в исследуемой области 39
1.4.1. Стадии сжатия плазмы 39
1.4.2. Различные виды неустойчивостей, возникающих в плазме 49
1.4.3. Модели формирования горячих точек 54
Глава II. Экспериментальное исследование характеристик сильноточного разряда в Плазменном Фокусе 58
2.1. Исследование характеристик MP излучения плазмы с помощью быстродействующих полупроводниковых детекторов 58
2.1.1. Исследование интенсивности мягкого рентгеновского излучения в зависимости от начальных условий 59
Зависимость от давления аргона в камере ПФ 59
Зависимость от энергии ПФ разряда 64
2.1.2. Изучение характеристик рентгеновского излучения в различных спектральных диапазонах при изменении энергетики разряда 67
Сравнение спектральных диапазонов более 1,2 и 1,8 кэВ 67
Сравнение спектральных диапазонов более 1,2 и 2,2 кэВ 70
2.1.3. Разряд в смеси аргона с дейтерием 72
2.1.3.а. Процентное содержание аргона 2,5%. Варьирование энергии разряда и исследуемых спектральных диапазонов 72
2.1.3.6. Процентное содержание аргона 10-15%. Анизотропия излучения 75
2.1.4. Вычисление энергии мягкого рентгеновского излучения 81
2.1.5. Обсуждение результатов 85
2.2. Комплексное исследование характеристик MP излучения плазмы с помощью камеры обскуры и полупроводниковых детекторов 90
2.2.1. Зависимость характеристик MP излучения от начального давления аргона 91
2.2.2. Переменная энергия разряда. Эксперимент с камерой обскурой с диаметром отверстия 250 мкм 93
2.2.3. Исследование формы и размеров излучающей области с помощью 50 мкм камеры-обскуры и полупроводниковых детекторов для различных энергий разряда 96
2.2.4. Обсуждение результатов 98
2.2.5. Выводы 99
2.3. Исследование пространственных и временных характеристик плазмы 100
2.3.1. Измерение пространственной структуры излучающего объекта 100
2.3.2. Сравнение режимов формирования объектов, излучающих в MP диапазоне, для разрядов в различных газах 103
2.3.3. Регистрация шарообразного образования и предпинча на оси разряда 108
2.4. Определение электронной температуры и плотности плазмы 112
Заключение 127
Список используемой литературы 131
- Система регистрации на основе МКП
- Исследование интенсивности мягкого рентгеновского излучения в зависимости от начальных условий
- Комплексное исследование характеристик MP излучения плазмы с помощью камеры обскуры и полупроводниковых детекторов
- Измерение пространственной структуры излучающего объекта
Введение к работе
Актуальность темы
В последнее время, в связи с бурным развитием исследований в области нанотехнологий, особенно актуальной является задача создания эффективных источников рентгеновского и ультрафиолетового излучений.
Исследования по созданию таких источников в настоящее время ведутся по нескольким направлениям: рентгеновские лазеры, синхротронное излучение, капиллярные разряды, вакуумные низко-индуктивные разряды.
Высокоэффективный источник мягкого рентгеновского (MP) и ультрафиолетового (УФ) излучений может быть построен также на основе установки типа плазменный фокус (ПФ). Основными достоинствами такого источника являются высокий КПД преобразования электрической энергии в излучение (>10%), возможность работы в частотном режиме без смены электродов, широкий диапазон длин волн в рентгеновском диапазоне от 1 -20 Айв УФ диапазоне (100-150 А). Важным свойством рентгеновских импульсов, генерируемых в ПФ, является также короткая их длительность порядка нескольких наносекунд.
Интерес к исследованию мягкого рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового диапазона обусловлен также диагностическими применениями. Основанные на регистрации данных излучений методы диагностики плазмы позволяют получить важную информацию о состоянии плазменной среды и динамики, протекающих в ней процессах. Во многих случаях MP излучение предоставляет единственную возможность получения информации об уровнях энергии и краях поглощения многозарядных ионов в лабораторной плазме. В ВУФ и MP областях спектра достигается принципиально более высокое пространственное разрешение, определяемое дифракционным пределом, чем в видимом свете. В связи с этим актуальность темы диссертации также обусловлена развитием исследований по программе управляемого термоядерного синтеза.
В ряде работ показана возможность применения установок типа плазменный фокус для рентгенолитографии. Также, рассмотрена возможность использования таких источников для изучения методом рентгеновской дифрактометрии упорядоченной микроструктуры биологических объектов, в частности структуры белка, мембран, ДНК молекул, новых полимерных систем и полиморфизма в
диапазоне размеров как от 1 до 10 А, так и более 10 А. Параметры MP излучения позволяют проводить анализ образцов в реальном масштабе времени.
Таким образом, исследование MP и ВУФ излучений, создаваемых на установках типа ПФ, является актуальной научной задачей.
Целью настоящей работы являлось исследование временных, пространственных и спектральных характеристик излучения плазмы в мягком рентгеновском и оптическом диапазонах в сильноточном разряде типа плазменный фокус.
Научная новизна работы обусловлена параметрами экспериментальной установки типа плазменный фокус ПФ-4, одновременным применением рентгеновских и оптических диагностик с пространственным, временным и спектральным разрешениями в сочетании с электротехническими измерениями тока и напряжения.
В результате выполненных исследований:
развиты методы исследования плазмы: метод изучения мягкого рентгеновского излучения с временным и пространственным разрешением, метод изучения динамики плазмы в различных спектральных диапазонах;
получены новые данные о динамике и устойчивости плазмы, создаваемой в установках типа плазменный фокус;
получены новые данные о пространственном распределении плотности и температуры, о скорости сжатия плазмы при различных давлениях рабочего газа и разных газовых составах;
получены новые данные об эффективности преобразования электрической энергии в излучения и механизмах генерации мягких рентгеновских излучений;
- найдены условия существования пинчевого режима и режима с горя
чими точками.
Основные положения, выносимые на защиту:
Среди наиболее существенных результатов, представленных к защите, следует выделить:
1. Рентгеновские и оптические методы исследования плазмы ПФ со спектральным, пространственным и временным разрешением.
Результаты измерений абсолютной интенсивности мягкого рентгеновского излучения при разряде в аргоне и смеси аргона с дейтерием с помощью быстродействующих полупроводниковых детекторов с наносекундным временным разрешением в зависимости от давления рабочего газа (диапазон 0,6 -3,1 Торр) и энергии разряда.
Результаты измерений интенсивности излучения аргоновой плазмы с пространственным разрешением ~ 10 мкм в зависимости от давления рабочего газа и энергии разряда.
Результаты исследования пространственных токово-плазменных структур в ПФ.
Физическая интерпретация процесса генерации рентгеновского излучения аргоновой плазмы в различных спектральных диапазонах: линейчатого от 2,9 до 3,5 кэВ и непрерывного от 1 до 2 кэВ.
Алгоритм определения параметров плазмы ПФ по рентгеновским спектрам мягкого рентгеновского излучения, адаптированный к условиям эксперимента.
Условия формирования в ПФ горячих точек.
Научная и практическая ценность работы:
Проведенные исследования и их теоретические обоснования свидетельствуют о том, что плазменного фокус может быть использован в качестве наносекундного интенсивного спектрально перестраиваемого источника мягкого рентгеновского излучения для различных применений, в том числе рентгеноли-тографии и рентгеновской дифрактометрии.
Разработан программно-алгоритмический комплекс получения информации о температуре и плотности пинчевой плазмы.
Связь с плановыми научными исследованиями осуществлялась в следующих научных грантах и проектах:
«Научно-методическое, организационное и материально-техническое обеспечение функционирования уникальной установки "Сильноточные электроразрядные установки типа плазменный фокус ПФ-400 и ПФ-4 (Установка "ТЮЛЬПАН")"» для проведения научно-исследовательских, опытно-
конструкторских и технологических работ по приоритетным направлениям Программы» (XII очередь). № госрегистрации 01.2006 12314. 2006.
«Проведение исследований по созданию научно-технического задела технологий термоядерной энергетики с использованием z-пинчевых и лазерных установок». № госрегистрации 012007 07763, 2007.
«Физика импульсной плотной плазмы, создаваемой мегаамперным током и лазерным излучением. Электронно-ионно-плазменные технологии». № госрегистрации 01200411401,2007.
«Проведение исследований физических и химических процессов с использованием уникальной плазменной установки «Тюльпан» (регистрационный номер 01- 07) в области физики плазмы и УТС, создания экологически безопасных источников рентгеновского и нейтронного излучений». № госрегистрации 01.2007 07754.
«Проведение исследований по созданию научно-технического задела технологий новых источников энергии на основе импульсных электроразрядных устройств типа плазменный фокус, быстрый вакуумный разряд, сильноточный z-пинч и лазерных установок» № госрегистрации 01200853150 от 21.11. 2008.
Апробация работы
Основные результаты, изложенные в диссертации, представлялись на следующих конференциях: конференция УНЦ "Фундаментальная оптика и спектроскопия" (Москва 2004), International Conference on plasma physics and Controlled Fusion (Alushta, Ukraine, 2006, 2008); на XXXI, XXXII, XXXIII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород 2004, 2005, 2006); на International Symposium on Plasma Physics and Technology (SPPT-2006, Prague, 2006); на XLVIII Всероссийской конференции МФТИ (Долгопрудный, 2005), а также на семинарах нейтронно-физического отдела и отдела низкотемпературной плазмы ФИ АН.
Публикации по теме диссертации
Основное содержание диссертации изложено в семнадцати печатных работах, опубликованных в рецензируемых научных журналах [8, 10, 14, 15, 16, 17] и трудах конференций [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 11, 12, 13].
Структура представленной работы. Диссертация состоит из Введения,
обзора методов спектральных измерений, 2-х глав и Заключения, содержит 3
таблицы, 57 рисунков и библиографию, включающую 123 наименования. Объем диссертации составляет 151 страницу.
Система регистрации на основе МКП
С целью определения электрических параметров разрядов проводились измерения полного тока и его производной с помощью пояса Роговского и магнитных зондов.
Параметры эксперимента, представленного на рисунке: напряжение конденсаторной батареи 12 кВ, рабочий газ - дейтерий, давление 2 Торр.
Производная тока, представленная на осциллограмме, имеет ярко выраженную особенность, которая возникает в момент максимального сжатия пинча на оси камеры. В этот период времени происходит резкое падение тока, протекающего через пинч. Причинами падения тока является как увеличение индуктивности разряда из-за радиального сжатия токовой оболочки, так и увеличение активного сопротивления пинча, возникающего в результате развития турбулентных процессов (аномальное сопротивление плазмы). Изменение индуктивности связано с движение к оси токовой оболочки (уменьшением радиуса пинча). Длительность этого процесса порядка нескольких десятков наносекунд. Длительность возникновения аномального сопротивления на порядок короче.
Для получения изображения плазмы в MP диапазоне использовалась рентгеновская камера-обскура. Камера-обскура представляла собой устройство, в котором размещались диафрагмы от 20 до 500 мкм, фильтр и держатель фотопленки с узлом перемотки. Камера-обскура откачивалась с помощью вакуумного насоса до давления 10"2 - 10"3 Торр. Регистрация изображения осуществлялась на рентгеновскую фотопленку типа RAR 2495.
Экспериментальная схема фотографирования разряда в мягком рентгеновском диапазоне с помощью рентгеновской камеры-обскуры.
Пространственное разрешение камеры-обскуры определяется дифракцией МРИ на входном отверстии и разрешением в приближении геометрической оптики. Разрешение, определяемое дифракцией на круглом отверстии crd, равно 7d = 1,22 Я a I d, Разрешение, определяемое конечными геометрическими размерами отверстия в приближении геометрической оптики Полное разрешение 1/2 a= o-j + o-g Оптимальный размер отверстия dopt в плане наилучшего разрешения определяется из условия минимума функции j(d): &d=0. После несложных вычислений dopl lM a-b/(a+b)y\ При расстоянии от отверстия обскуры до плазмы а = 26 см, от фотопленки до отверстия = 14,5 см и длинах волн Я = 3—18 А d =5,5-10"иі/2лі = 5,5-10-6-3,/2 «10лг«уи. opt Диаметры отверстий камер-обскур выбирались в диапазоне от 20 до 500 мкм. При малых диаметрах отверстия, увеличивалось пространственное разрешение, но резко падала интенсивность получаемой картины. Поэтому, в зависимости от цели эксперимента, выбирались не только малые, но и относительно большие диаметры отверстий.
Для получения более детальной информации об энергии излучаемых квантов, применялась многодырочная камера обскура. Для этого на одной пластине были созданы четыре приблизительно одинаковых отверстия с диаметрами: 250, 260, 250, 270 мкм, закрытые соответственно 15, 30, 50, 150 мкм бериллиевыми фильтрами. С помощью такой камеры-обскуры регистрировалось 4 изображения одного и того же светящегося объекта в различных спектральных диапазонах. Сравнивая плотности почернения пленки в зарегистрированных изображениях, с учетом коэффициентов пропускания фильтров, можно сделать вывод о пространственном распределении областей, излучающих в разных энергетических диапазонах.
Во всех экспериментах в качестве фильтров использовались фольги из бериллия различной толщины. В экспериментах с неоном применялся 12 мкм бериллиевый фильтр, с кривой пропускания представленной на рис. 1.7 [79]. Диаметр отверстия составлял 230 мкм. Эксперименты с аргоном в качестве рабочего газа, проводились с однодырочными и многодырочными камерами обскурами. Диаметры отверстий составляли 15, 50 и 250 мкм. Толщины бериллиевых фильтров составляли 15, 30, 50 и 150 мкм. Кривые пропускания данных фильтров изображены на рис. 1.8. В табл. 1 представлены энергии излучения, соответствующие ослаблению начальной интенсивности излучения фильтром в е раз. Be Denstty= 1.848 Thickiiess=12. microns
Кривые пропускания рентгеновского излучения для бериллиевых фильтров различной толщины: (а)-15мкм, (Ь)- 30 мкм, (с)- 50 мкм, (d)-150 мкм. Таблица 1. Энергии излучения, соответствующие пропусканию бериллиевых фильтров на уровне 1/е. Фильтры 15 мкмВе 30 мкм Be 50 мкм Be 150 мкм Be Ее, кэВ 1,2 1,5 1,8 2,5 Для получения информации о временных характеристиках рентгеновского излучения возможна его регистрация с помощью системы рентгеновский сцинтиллятор плюс электронно-оптический преобразователь со встроенной микроканальной пластиной.
Для изучения динамики токовой оболочки и процессов, происходящих в ПФ, использовался метод регистрации свечения плазмы с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП) типа ЭПМ 26Г-2-2 (ФГУП "Завод Гран") со встроенной микроканальной пластиной (МКП). Фотокатод ЭОП данного типа позволяет регистрировать излучение в видимом диапазоне.
Во входной части электронно-оптического преобразователя (ЭОП ЭПМ 26Г-2-2 № 20616, Рис. 1.9) на фотокатоде в результате фотоэффекта формировался первичный поток электронов. Первичные электроны, ускоренные электрическим полем между электродами, попадали на микроканальную пластину (МКП), встроенную в ЭОП. В МКП в результате лавинообразного эффекта происходило эффективное усиление потока электронов. Сформированный поток электронов, на выходе микроканальной пластины вызывал свечение люминофора. Результирующая картина фиксировалась цифровым фотоаппаратом Nikon-Coolpix700. Параметры электронно-оптического преобразователя: чувствительность фотокатода с фильтром КС-17 — 80 мкА/мм; предел разрешения в центре - 32 штр/мм; напряжение МКП, соответствующее коэффициенту преобразования 3-Ю4 — 820 В.
Блок-схема экспериментальной установки и канала скоростной регистрации в видимом диапазоне представлена на рис. 1.10. Запуск экспериментальной установки осуществлялся в результате подачи сигнала с пускового устройства на генератор высоковольтных сигналов (ВИГ-25), который, в свою очередь, формировал высоковольтный импульс, запускающий разрядное устройство (разрядник) конденсаторной батареи.
Исследование интенсивности мягкого рентгеновского излучения в зависимости от начальных условий
На рис. 2.7 приведена данная зависимость при фиксированном напряжении конденсаторной батареи 12 кВ (3,6 кДж). В проведенных экспериментах максимальная амплитуда МРИ с вероятностью появления рентгеновского сигнала в выстреле не ниже 90 %, наблюдалась при давлении рабочего газа 1,9 Торр. Длительность рентгеновского сигнала, имеющего колоколообразную форму, составляла 5 не. С увеличением давления от 0,6 до 1,9 Торр интенсивность рентгеновского излучения монотонно увеличивалась. При дальнейшем увеличении давления, помимо начала уменьшения амплитуды импульса МРИ, увеличивалась его длительность. Параллельно с этим импульс МРИ приобретал сначала двухпиковую структуру (при 2,5 Торр второй пик меньше первого), а потом и многопиковую (при 3,1 Торр), с длительностью импульса 50-70 не.
Таким образом, максимальный по амплитуде импульс МРИ при данной конфигурации камеры имел место при давлении аргона около 2 Торр. При сравнении наших экспериментальных результатов с результатами работы [42] (рис. 3), максимальный выход излучения К-линий аргона на установке по параметрам близкой к нашей, также наблюдался при давлении Аг около 1,5 — 2,5 Торр.
Зависимость от энергии ПФразряда
Измерения МРИ проводились при давлении аргона 1,9 Торр с помощью двух детекторов СППД11-04 с одинаковыми фильтрами - 15 мкм Be -расположенными под углами 45 к вертикальной оси системы и на расстоянии 28 см от источника излучения (в проекции на горизонтальную плоскость направления наблюдения осуществлялись под углом 90 друг к другу). Используемое давление рабочего газа было выбрано из условия максимальной интенсивности рентгеновского излучения при прочих равных условиях. Из рис. 2.8 видно, что в результате данных экспериментов также была осуществлена взаимная калибровка детекторов, позволившая получить совпадение сигналов по времени с точностью 1 не и расхождением по абсолютной величине менее 10 % от амплитуды сигнала.
Кроме взаимной калибровки в данных экспериментах исследовалась зависимость длительности и амплитуды сигнала мягкого рентгеновского излучения от подаваемого на конденсаторную батарею напряжения. K1 І 50.0 В K3[ 2б.0 В 29.:JL_J Г1 0М А К1 л. -17.0В Рис. 2.8. К1- производная тока в районе ее особенности, К2 и КЗ - сигналы с рентгеновских детекторов, закрытых одинаковыми 15 мкм Be фильтрами. Подаваемое напряжение 10 кВ (3,6 кДж), давление аргона 1,9 Торр. В ходе экспериментов было обнаружено, что рентгеновское излучение с энергией квантов более 1,2 кэВ регистрировалось при энергии разряда начиная с 1,7—1,9 кДж.
При энергии разряда 1,9 кДж (рис. 2.9(a)) сигнал состоял из одного -двух отдельно расположенных пиков, с амплитудой до 25 В. С увеличением энергии разряда до 2,4 кДж амплитуда сигнала возросла. Для двухимпульсного сигнала расстояние между ними составляло от 5 до 20 не (рис. 2.9(b)).
При энергии разряда 2,9 кДж рентгеновский сигнал, в основном первый пик, существенно уширился (до 20 не) за счет заднего фронта (рис. 2.9(c)), приобретая двух- или многопиковую структуру. Второй пик, если он имел место, не сливался с первым. На рис. 2.9(d) видно, что при энергии разряда 3,5 кДж роста амплитуды многопикового сигнала не наблюдалось. Тем не менее, второй пик уже полностью пропадал на фоне уширенной части первого пика. Общая длительность сигнала составляла 20-30 не.
С увеличением энергии разряда до 4,1 кДж форма сигнала существенно не изменилась, лишь уширилась до 40 не (рис. 2.9(e)). Во всех экспериментах пик первого импульса ясно различим. 2 и 3 - сигналы с рентгеновских датчиков СППД11-04 (практически совпадают). Датчики располагались под углом 45 к вертикальной оси системы. Оба датчика закрыты одинаковыми фильтрами (15 мкм Be). Давление аргона во всех экспериментах равнялось 2,1 Торр. (а) - эксперимент при энергии разряда 1,9 кДж (9 кВ), (Ь) - 2,4 кДж (10 кВ), (с) - 2,9 кДж (11 кВ), (d) - 3,5 кДж (12 кВ) и (е) - 4,1 кДж (13 кВ). 2.1.2 Изучение характеристик рентгеновского излучения в различных спектральных диапазонах при изменении энергетики разряда
Сравнение спектральных диапазонов более 1,2 и 1,8 кэВ Использовались два взаимно калиброванных детектора СППД11-04 с разными фильтрами 15 мкм и 50 мкм Be, пропускающие излучение 1,2 кэВ и 1,8 кэВ, соответственно, с уровнем ослабления фильтром излучения в е раз. На рис. 2.10 приведены графики пропускания бериллиевых фильтров толщиной 15 и 50 мкм в зависимости от энергии излучения. Напряжение конденсаторной батареи менялось в диапазоне от 9 до 14 кВ с шагом 1 кВ.
Для детектора, регистрирующего излучение с энергией квантов более 1,2 кэВ, импульс МРИ имел слабо различимую двухпиковую структуру длительностью больше 10 нс (рис. 2.11(a), 3 канал). При увеличении энергии разряда от 1,9 до 4,7 кДж (9-14 кВ), импульс МРИ изменялся в первую очередь за счет уширения заднего фронта, достигая при 4,7 кДж (14 кВ) длительности 60 нс (рис. 2.11(d), 3 канал), при этом второй пик становился всё более явственным, удаленным от первого, и рост амплитуды импульса (до 70 В) в первую очередь сказывался на нем.
В диапазоне 1,8 кэВ импульс МРИ при 1,9 кДж (9 кВ) обычно состоял из одного узкого ( 5 нс) пика (рис. 2.11(a), канал 2). С ростом энергии разряда данный сигнал уширялся, приобретая двух пиковую структуру. Второй пик по амплитуде не превышал амплитуду первого. Первый импульс сигнала второго канала уже при 2,4 кДж (10 кВ) сравнивался по амплитуде с первым импульсом за 15 мкм Be фильтром (—110 В) (рис. 2.11 (Ь), канал 2). При дальнейшем увеличении напряжения происходил рост второго импульса более жесткой компоненты излучения, амплитуда которого составляла от 10 до 20% амплитуды первого импульса при энергии разряда 2,4 кДж (10 кВ), от 40 до 60% при 2,9 кДж (11 кВ) (рис. 2.11(c), канал 2) и около 80-90% при энергии 3,5 кДж (12 кВ) (рис. 2.11(d), канал 2). При последующем наращивании энергетики амплитуда второго импульса не увеличивалась, но происходило уширение сигнала. Увеличение напряжения на киловольт соответствовало уширению импульса на 2 не по полувысоте. Так при энергиях 4,1 и 4,7 кДж (13 и 14 кВ) (рис. 2.11(e) и (f), канал 2) ширина по полувысоте рентгеновского импульса составляла около 12 и 14 не, соответственно.
Комплексное исследование характеристик MP излучения плазмы с помощью камеры обскуры и полупроводниковых детекторов
В данном разделе описаны эксперименты по изучению зависимости интенсивности мягкого рентгеновского излучения и его временных характеристик с помощью полупроводниковых детекторов типа Сі ДІДІ 1-04 от таких параметров эксперимента как давление рабочего газа и энергия разряда.
В результате проведенных экспериментов при постоянной энергии разряда и меняющемся давлении аргона было обнаружено, что максимум энергии МРИ соответствует начальному давлению около 2 Торр, при этом излучение формируется в одном импульсе длительностью около 5 нс. При увеличении давления интенсивность и полная энергия МРИ падает, но увеличивается количество источников излучения и общая длительность их свечения (до 70 нс).
Наличие оптимального начального давления для генерации MP излучения говорит о наличие как минимум двух процессов, влияющих на формирование МРИ, с возрастающей и убывающей зависимостью от начального давления аргона. Начальное возрастание интенсивности MP излучения при увеличении давления можно связать с увеличением количества газа и пропорционального ему количества возбужденных состояний, вызывающих наблюдаемые переходы. Кроме того при данных условиях достигалось оптимальное согласование разрядного контура с динамической плазменной нагрузкой, другими словами максимум тока совпадал с моментом максимального сжатия плазмы. Энергия мягкого рентгеновского излучения в телесный угол 4тг при данных условиях составляла около 40 мДж. Увеличение количества источников излучения и уменьшение их интенсивности при дальнейшем росте давления объясняется нами филаментацией токового шнура. Увеличение времени формирования источников излучения вызывается привязкой излучения к различным токовым филаментам, количество которых также увеличивается с ростом начального давления газа. Регистрируемый при оптимальных условиях 5 не импульс излучения вызывается одним источником излучения. При росте давления выше оптимального многопиковая структура сигнала свидетельствует о том, что за время длительности рентгеновского импульса 5 — 70 не последовательно возникают разнесенные во времени и в пространстве источники рентгеновского излучения. Увеличение времени появления источников излучения, вызывается привязкой данных источников к различным токовым филаментам. Пространственное разделение источников излучения подтверждается и рентгеновскими обскурограммами, на которых видны отдельные «горячие» точки (Раздел 2.2).
В результате проведенных экспериментов при различной энергии разряда (рис. 2.11) было обнаружено, что при Е 2,4кДж (U 10 кВ), первый пик состоит из квантов большей энергии, чем остальное излучение, и на нем слабо сказывается разница в используемых фильтрах. Последующая часть сигнала, длительность которой в 2 - 4 раза больше, практически полностью состоит из более мягкой компоненты и полностью поглощается 50 мкм Ве-фильтром.
Как было обнаружено, излучение с энергией квантов более 2,5 кэВ всегда опережает по времени излучение с меньшей энергией квантов. В наших экспериментах амплитуда импульса МРИ изменялась от нулевого до максимального значения только при росте энергии разряда от 1,5 до 2,4 кДж (от 8 до 10 кВ), при дальнейшем увеличении напряжения интенсивность МРИ практически не менялась. Проведенные эксперименты с использованием Be фильтра толщиной 115 мкм, показали, что, при энергиях разряда более 2,4 кДж (10 кВ) амплитуды импульсов излучений, пропускаемых 115 мкм и 50 мкм Be фильтрами, отличаются в 2 — 5 раз. Данный факт говорит о том, что энергия квантов излучения не превышает 3,5 кэВ. В наших экспериментах наблюдались два типа источников мягкого рентгеновского излучения. Первый возникающий из области линчевания источник испускает более «жесткое» излучение. Длительность рентгеновского импульса такого источника около 5 не по полувысоте. Его излучение соответствует свечению Ка и других линий аргона, лежащих в диапазоне 2,95 - 3,5 кэВ (3,6 - 4,2 А) [42]. Для данного спектрального интервала при энергии разряда 4,7 кДж (14 кВ) проведена оценка полного количества квантов N = 1,2" 1014, полной энергии Е = 60 мДж и мощности Р = 6,0 106 Вт излучения, испускаемого в An при длительности излучения около 10 не. График зависимости полной энергии импульса МРИ от энергии разряда для этого спектрального интервала, приведен на рис. 2.21.
Измерение пространственной структуры излучающего объекта
Уникальная ситуация реализуется для отношения интенсивностей резонансной линии [Н]-ионов и ее диэлектронных сателлитов [118]. В этом случае населенность как резонансного, так и автоионизационных уровней определяется процессами, сопровождающимися переходами из основного состояния водородоподобного иона. Вследствие этого относительные интенсивности резонансных и сателлитных линий не зависят от ионизационного состояния плазмы. Кроме того, наиболее интенсивный сателлит 2р2 lD2 -»\s2p 1Р{ в плазме с не слишком высокой плотностью Ne« 24 3 10 см" не зависит от электронной плотности плазмы и, следовательно, является очень удобным для измерения ее температуры.
В случае сателлитов резонансной линии [Не]-ионов ситуация оказывается сложнее. Здесь относительные интенсивности зависят как от электронной, так и от ионизационной температуры плазмы. Однако поскольку для разных сателлитов эта зависимость проявляется по-разному, то одновременное измерение нескольких (по крайней мере, двух) пар отношений интенсивностей позволяет в этом случае определить значения обоих параметров.
Зависимость относительных интенсивностей резонансных и интеркомбинационных линий [Не]-ионов от электронной плотности может быть использована для диагностики как корональной, так и плотной плазмы [119]. Экспериментальная реализация этой методики относительно проста -спектральное разрешение может не превышать величины А/ДА, 1000. Большие интенсивности используемых переходов позволяют применять малосветосильные спектрографы. Наличие расчетных данных и большого числа наблюдений спектров [Не]-ионов для различных Z позволяет, в принципе, проводить измерения в широком диапазоне Те . Достоинством методики является крутой ход зависимости отношения интенсивностей a(Ne), которое выражается через населенности уровней \s2p 21Р{ и \s2p 23Pj: a(Ne) = N{2lPx) A{2)PX ;1 S0) /[Щ23РХ )A(23P} ;1 S0)]
График зависимости отношения интенсивностей резонансной и интеркомбинационной линий гелиеподобного иона Mg XI с учетом каскадных переходов. График зависимости а от Ne для иона Mg XI представлен на рис. 2.42 [119]. Кривая 1 соответствует отношению интенсивностей резонансной и интеркомбинационной линий без учета каскадных переходов осуществляемых через уровни с главным квантовым числом п 2, кривые 2, 3, учитывают наличие переходов через уровни с п = 3 й 4, соответственно, а кривая 4 включает наличие спектра уровней с п 4.
В настоящей работе в рентгеновских спектрах газоразрядной плазмы, получаемой на установке плазменный фокус, наблюдались сателлиты резонансных линий водородо- и гелиеподобных ионов неона (Ne X, Ne IX), а также интеркомбинационные линии гелиеподобных ионов. Кроме этого довольно хорошо наблюдался ряд переходов типа Is2 lS0 \snp lPl и Is 2SV2- np 2Р3/2, п Ъ.
Для выбора наиболее удачной геометрии эксперимента и идентификации зарегистрированных спектров (определения пространственного положения спектральных линий на рентгеновской фотопленке), была разработана и написана программа в среде математического пакета Mathcad. С помощью данной программы проводилось предварительное моделирование эксперимента для оптимизации его геометрических параметров, рассчитывалась линейная дисперсия спектрографа. Конструктивные особенности используемого спектрографа не позволяли регистрировать спектры нулевого порядка (излучение, направленное по касательной к поверхности кристалла). По этой причине, отождествление неонового спектра проводилось по паре наиболее интенсивных линий (резонансные линии [Н]- и [Не]- подобных ионов), с последующим использованием вычисленной дисперсией и отождествлением имеющихся линий с табличными данными. В табл. 4 приведен список линий излучения неона в интервале от 0,9 до 1,4 нм, взятый из работ [120] и [121]. В таблице используется обозначение ЧГС [Н]- и [Не]-, что означает «Член главной серии» водородо- и гелиеподобного ионов соответственно.
Для определения электронной плотности и температуры в Mathcad была написана специальная программа. Электронная температура плазмы в ней определялась по относительной интенсивности резонансной линии Н 121 подобного иона NeX к интенсивности его сателлита 2р2 -»\slp }Р, а также по отношению интенсивностей резонансной линии He-подобного иона NelX к интенсивности сателлита \s2p2 2D- b 22p 2Р.
Для водородоподобных ионов наиболее интенсивному сателлиту отвечает переход с автоионизационного уровня 2p2lD на уровень \s2p P дискретного спектра гелиеподобного иона. Наиболее интенсивному сателлиту резонансной линии гелиеподобного иона соответствует переход \s2p2 2D- \s22p 2Р в литиеподобном ионе.
Автоионизационный уровень 2р2 заселяется за счет захвата свободных электронов, а распадается за счет автоионизации и радиационного перехода 2р2 -» 2pls. Поэтому интенсивность сателлита можно записать в виде Is = NSAS фотон/см -с, где населенность автоионизационного уровня Ns равна ,3/2 Ns=NH(\s)BexV kTeJ KkTeJ Г.+А. g, 2П2 Здесь NH(\s) - плотность водородоподобных ионов в основном состоянии; а0 =0,53-10"8см - боровский радиус; g, - статистический вес основного состояния, для водородоподобного иона равен 2, гелиеподобного -1; gs - статистический вес автоионизационного уровня; Es - его энергия, отсчитанная от границы ионизации гелиеподобного иона; Г\ и As вероятности автоионизации и радиационного распада автоионизационного уровня.
