Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Плазмогенерирующие импульсные сильноточные электроразрядные установки типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» и «плазменный фокус»
1.1. Значение и роль плазмогенерирующих сильноточных импульсных электроразрядных установок для решения фундаментальных и прикладных задач
1.2. Плазмогенерирующая импульсная сильноточная электроразрядная установка типа «низкоиндуктивная вакуумная искра»
1.3. Плазмогенерирующая импульсная сильноточная электроразрядная установка «плазменный фокус»
1.4. Физическая картина явлений в плазме, генерируемой на 2 установкахтипа «низкоиндуктивная вакуумная искра» и «плазменный фокус»
1.5. Заключение к главе 1 32
ГЛАВА 2. Диагностика рентгеновского и корпускулярного излучения плазмы сильноточных импульсных электрических разрядов
2.1. Рентгеновская диагностика плазмы
2.1.1. Методы спектрометрии импульсного рентгеновского излучения плазмы сильноточных электроразрядов
2.1.2. Рентгеновская диагностика плазменных объектов с временным разрешением
2.1.3.Методы исследования пространственного распределения импульсного рентгеновского излучения плаз
2.1.4. Детекторы рентгеновского излучения 47
2.2. Корпускулярная диагностика плазмы импульсных сильноточных электрических разрядов
2.3. Заключение к главе 2 68
ГЛАВА 3. Исследование рентгеновского и корпускулярного излучения плазмы микропинчевого разряда на установкитипа «низкоиндуктивная вакуумная искра»
3.1. Диагностический комплекс приборов для исследования плазмы микропинчевого разряда 3.2. Исследования рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда
3.2.1. Исследование пространственной структуры плазмы микропинчевого разряда в диапазоне рентгеновского излучения и ее элементного состава
3.2.2. Исследование спектра рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда в зависимости от конфигурации и конструкции электродов разрядной системы
3.2.3. Влияние материала разрядных электродов на спектральные характеристики рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда
3.2.4. Зависимость спектральных характеристик рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда от тока разряда
3.2.5.Исследование пространственного распределения излучения ионов вплазме микропинчевого разряда
3.3. Заключение к главе 3 105
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования плазмы генерируемой на установке «плазменный фокус».
4.1 Исследования рентгеновского и нейтронной излучения на установке «плазменный фокус»
4.2 Заключение к главе 4 114
Заключение 116
Список литературы
- Плазмогенерирующая импульсная сильноточная электроразрядная установка «плазменный фокус»
- Рентгеновская диагностика плазменных объектов с временным разрешением
- Исследования рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда
- Зависимость спектральных характеристик рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда от тока разряда
Введение к работе
Актуальность исследований. Интерес к сильноточным импульсным электроразрядным устройствам (Z-пинчам) связан с образованием в них плотной, горячей, многократно ионизованной плазмы, которая является интенсивным источником вакуумного ультрафиолета, рентгеновского излучения и потока заряженных частиц. К классу сильноточных импульсных электроразрядных устройств относятся установки типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» и «плазменный фокус», на которых при определенных условиях реализуется режим микропинчевания, сопровождающийся образованием уникального объекта, называемого плазменной точкой или микропинчем, представляющего собой область плотной горячей плазмы (Ne 10201023 см-3, Te 1 10 кэВ) микронного размера, интенсивно излучающей рентгеновское излучение (более 1016 квантов за вспышку), с временем жизни не более 10 нс.
Явление микропинчевания имеет достаточно общий характер для Z-пинчевых установок (низкоиндуктивная вакуумная искра; плазменный фокус; системы проволочных сборок; Z-пинчи с импульсной инжекцией газа).
Сильноточные импульсные электроразрядные устройства обладают высокой эффективностью преобразования вкладываемой в разряд электрической энергии в энергию рентгеновского излучения.
Плазма микропинчевого разряда, генерируемая на установках типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» и «плазменный фокус», имеет высокие параметры при относительной простоте конструкции и высокой степени надежности в эксплуатации данных установок, что делает их перспективными для применения в различных областях науки и техники в качестве мощных импульсных источников рентгеновского и нейтронного излучения.
Исследования плазмы микропинчевого разряда ведутся во многих крупных лабораториях мира, однако физика явлений в плазме сложна и многообразна и требуются интенсивные экспериментальные исследования для их понимания. Для проведения данных исследований, необходимо развитие и совершенствование со-3
временных методов и диагностических приборов для комплексных измерений излучательных характеристик плазменных объектов, позволяющих определить и интерпретировать физику явлений.
Цель работы: дальнейшее развитие, разработка и применение методов комплексной диагностики рентгеновского и корпускулярного излучения на основе различных видов детекторов для проведения экспериментальных исследований спектральных характеристик рентгеновского и корпускулярного излучения плазмы сильноточного импульсного разряда на установках типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» и «плазменный фокус», а именно:
анализ и экспериментальные исследования свойств современных детекторов ионизационного излучения для применения в диагностической аппаратуре для исследования плазмы;
исследования с помощью диагностических приборов спектральных характеристик рентгеновского и корпускулярного излучения плазмы в зависимости: от тока разряда, конфигурации, конструкции и материала разрядных электродов;
на основе проведенных исследований и полученных результатов дать физическую интерпретацию процессов, происходящих в плазме.
Научная новизна: на основании проведенных исследований характеристик различных видов детекторов (сцинтилляционных, полупроводниковых, термолюминесцентных, трековых) и сочетания их детекторных свойств при совместном использовании позволили впервые создать диагностический комплекс для исследования импульсного рентгеновского и корпускулярного излучения плазмы сильноточных импульсных электрических разрядов и впервые получить следующие результаты:
1. Измерены спектры рентгеновского излучения плазмы микро-пинчевого разряда в широком энергетическом диапазоне квантов от 1 до 300 кэВ в зависимости от величины разрядного тока и конфигурации разрядных электродов на установках типа «низкоиндуктивная вакуумная искра», что позволило впервые показать различную зависимость низкоэнергетичной (h < 5 кэВ) и высокоэнерге-тичной (h > 80 кэВ) частей спектра рентгеновского излучения плазмы. Данные исследования впервые позволили определить влияние начальных условий сильноточного электрического разряда
на рентгеновское излучение плазмы в низкоэнергетичной и высо-коэнергетичной частях спектра.
-
Впервые измерены спектры рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда в широком энергетическом диапазоне квантов от 1 до 300 кэВ в зависимости от элементного состава плазмы микропинчевого разряда на установках типа «низкоиндуктивная вакуумная искра». На основании полученных результатов впервые установлен различный характер зависимости низкоэнерге-тичной (h < 5 кэВ) и высокоэнергетичной (h > 80 кэВ) частей спектра рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда от элементного состава образованной плазмы.
-
Проведены исследования пространственной структуры плазмы микропинчевого разряда на установке типа «низкоиндуктивная вакуумная искра», позволившие впервые одновременно определить эффективные источники ионов различной степени ионизации и рентгеновского излучения.
-
Разработана методика, позволившая впервые выполнить измерения спектра эмиссии ионов различной степени ионизации из различных областей плазмы микропинчевого разряда на установке типа «низкоиндуктивная вакуумная искра».
-
Получены результаты проведенных одновременно измерений спектра рентгеновского излучения в широком энергетическом диапазоне квантов от 1 до 300 кэВ и выхода нейтронов на установке «плазменный фокус» в зависимости от величины разрядного тока, позволившие впервые показать взаимосвязь образования рентгеновского и нейтронного излучений.
Научная и практическая значимость работы. Проведены исследования свойств широкого класса детекторов (сцинтилляцион-ных, полупроводниковых, термолюминесцентных, трековых), на основании которых определена область их возможного использования в диагностической аппаратуре и создан многофункциональный комплекс для исследования импульсного рентгеновского и корпускулярного излучения плазмы сильноточных электрических разрядов.
Созданный комплекс диагностической аппаратуры позволяет провести комплексные исследования импульсного рентгеновского и корпускулярного излучения плазмы на различных установках, генерирующих плазму в результате сильноточного импульсного электрического разряда, и на основе проведенных исследований
осуществить оптимизацию данных установок, как эффективных источников излучения.
В ходе выполнения работы были проведены исследования зависимости спектральных характеристик рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда в широком энергетическом диапазоне 1300 кэВ от величины разрядного тока, конфигурации и конструкции разрядных электродов и элементного состава плазмы. Исследованы корреляции рентгеновского и корпускулярного (нейтроны, ионы) излучения плазмы сильноточных электрических разрядов и определена физическая картина процессов их возникновения. Определено влияние начальных условий сильноточного электрического разряда на возможность излучательных характеристик плазмы микропинчевых разрядов.
Исследованы процессы переноса вещества в процессе микро-пинчевого разряда на установках типа «низкоиндуктивная вакуумная искра», показана возможность нанесения различных видов покрытий на материалы.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Диагностический комплекс для исследования импульсного
рентгеновского и корпускулярного излучения плазмы сильноточ
ных импульсных электрических разрядов, состоящий из следую
щих приборов:
18-канальной спектрометрической помехоустойчивой системы, созданной на основе термолюминесцентных и сцинтилляцион-ных детекторов, позволяющей проводить измерения спектров импульсного рентгеновского излучения в энергетическом диапазоне квантов от 1 до 300 кэВ;
малогабаритного (диаметр 5 мм, длина 10 мм), одноканального спектрометра, созданного на основе термолюминесцентных детекторов LiF, позволяющего проводить измерения спектров импульсного рентгеновского излучения в энергетическом диапазоне квантов от 1 до 20 кэВ в труднодоступных местах;
спектрометрической системы для измерения спектра эмиссии ионов различной степени ионизации, позволяющей проводить измерения спектров ионов из различных областей плазменного объекта.
2. Результаты измерения спектров рентгеновского излучения
плазмы микропинчевого разряда в широком энергетическом диапа
зоне квантов от 1 до 300 кэВ в зависимости от величины разрядно-
6
го тока и конфигурации разрядных электродов на установках типа «низкоиндуктивная вакуумная искра», позволившие показать различную зависимость низкоэнергетичной (h <5 кэВ) и высокоэнер-гетичной (h > 80 кэВ) частей спектра рентгеновского излучения плазмы. Данные результаты измерений позволили определить влияние начальных условий сильноточного электрического разряда на рентгеновское излучение плазмы в низкоэнергетичной и высо-коэнергетичной частях спектра.
-
Результаты измерения спектров рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда в широком энергетическом диапазоне квантов от 1 до 300 кэВ в зависимости от элементного состава плазмы микропинчевого разряда на установках типа «низкоиндуктивная вакуумная искра». Эксперименты показали различную зависимость низкоэнергетичной (h <5 кэВ) и высокоэнергетичной (h > 80 кэВ) частей спектра рентгеновского излучения от элементного состава образованной плазмы.
-
Результаты исследований пространственного распределения рентгеновского излучения и эмиссии ионов различной степени ионизации из плазмы микропинчевого разряда на установке типа «низкоиндуктивная вакуумная искра», позволившие одновременно определить области образования эффективных источников ионов и рентгеновского излучения.
-
Методику и результаты измерения спектральных характеристик эмиссии ионов различной степени ионизации из различных областей плазмы микропинчевого разряда на установке типа «низкоиндуктивная вакуумная искра».
-
Результаты проведенных одновременно измерений спектра рентгеновского излучения в широком энергетическом диапазоне квантов от 1 до 300 кэВ и выхода нейтронов на установке «плазменный фокус» в зависимости от величины разрядного тока, позволившие показать взаимосвязь образования рентгеновского и нейтронного излучений.
Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту результаты и положения получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор принимал участие в постановке, проведении и обработке результатов всех представленных в работе экспериментов.
Апробация работы. Результаты проведенных по теме диссертации исследований докладывались и обсуждались на отечественных и международных конференциях, симпозиумах и школах: VIII Российская конференция «Современные средства диагностики плазмы и их применение», Москва, 23-25 октября 2012 г.; III Международная молодежная научная школа-конференция «Современные проблемы физики и технологий» 10-13 апреля 2014 г., Москва; ежегодная конференция «Научная сессия НИЯУ «МИФИ», Москва, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 10 печатных работах, включая 6 статей, опубликованных в рецензируемых научных журналах, включённых в перечень ВАК РФ (4 статьи опубликованы в журналах, входящих в базы данных Web of Science и Scopus). Список основных публикаций представлен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 163 наименований.
Плазмогенерирующая импульсная сильноточная 20 электроразрядная установка «плазменный фокус»
Решение проблемы по осуществлению управляемого термоядерного синтеза невозможно без дальнейших интенсивных исследований в области физики плазмы. Научные работы по осуществлению термоядерного синтеза активно ведутся во всем мире [1–7].
Для получения положительного выхода энергии в реакциях (DT) и (DD) термоядерного синтеза параметры плазмы на термоядерных установках должны удовлетворять критерию Лоусона [8]: n 1014 см–3с - для DT-плазмы, n 1016 см–3с - для DD-плазмы, где n – концентрация ионов в плазме; – время удержания при температуре 10 кэВ. В отличие от космоса, где в звездах реагирующие термоядерные вещества удерживаются, сжимаются и нагреваются силами гравитации, на Земле эти задачи можно решить следующим образом [1-7]: 1) с помощью удержания плазмы в стационарном состоянии в сильном магнитном поле (системы типа токамак, стелларатор и др.), идея И.Е. Тамма и А.Д. Сахарова; 2) с использованием силы инерции, которая препятствует быстрому разлету плазмы и позволяет прореагировать достаточному количеству вещества в импульсном режиме, идея реализована Э. Теллером (США) и А.Д. Сахаровым (СССР) при создании термоядерного оружия.
Работы активно ведутся в двух направлениях по осуществлению управляемой термоядерной реакции на системах с магнитным удержанием плазмы и системах, реализующих принцип инерциального удержания, где мишень с термоядерным топливом 1 мг подвергается сжатию и нагреву с помощью различных драйверов (мощные и эффективные источники нагрева плазмы).
В качестве драйверов в настоящее время рассматриваются лазеры , тяжелоионные ускорители и системы на основе мощного импульсного электрического разряда – Z-пинчи [7]. Проведенные исследования показали, что сильноточные импульсные электроразрядные системы являются наиболее перспективными устройствами в качестве драйвера [9-11]. В связи с этим возникает интерес к Z-пинчевым установкам, как источнику интенсивного мягкого рентгеновского излучения. Данные устройства представляют собой целый ряд отличающихся разнообразием типов установок. В сильноточных импульсных электроразрядных установках образуется плотная (ne = 1019–23 см–3) горячая (Te 1–10 кэВ) многократно ионизованная плазма, которая является интенсивным источником вакуумного ультрафиолета, рентгеновского излучения и потока заряженных частиц [12-21]. При определенных условиях в результате сильноточного импульсного электроразряда реализуется режим микропинчевания, сопровождающийся образованием уникального объекта, называемого плазменной точкой (ПТ) или микропинчем, представляющим собой область плотной горячей плазмы (Ne 1020–1023 см–3, Te 1–10 кэВ) микронного размера, интенсивно излучающей рентгеновское излучение (до 1016 квантов за вспышку), с временем жизни не более 10 нс. Данное явление микропинчевания было открыто в 1968 году Коэном, к данному открытию близко подошли Лебедев , Плютто , Хендель [20]. Явление микропинчевания имеет достаточно общий характер для Z-пинчевых установок (низкоиндуктивная вакуумная искра; плазменный фокус; истемы проволочных сборок; Z-пинчи с импульсной инжекцией газа) [21].
Сильноточные импульсные электроразрядные устройства обладают исключительно высокой эффективностью преобразования вкладываемой в разряд электрической энергии в энергию рентгеновского излучения, что позволяет его использовать в качестве драйвера в системах ИТС.
В настоящее время существует целый ряд исследовательских сильноточных импульсных электроразрядных установок «Ангара-5-1» [22-24], «С-300» [25], «PBFA-Z» [26], «Z» [9.10] на которых ведутся исследования по созданию драйвера для ИТС. Данные установки характеризуются наносекундным ( 100 нс) импульсным разрядным током в несколько мегампер, приводящим к образованию мощного импульса рентгеновского излучения. На установках Ангара-5-1 и С-300 токи разряда составляют 4–5 МА, на установках РВFA-Z ток разряда – порядка 20 МА.
На установке Z [9,10] при токе разряда 20 МА и мощности разрядной системы 40 ТВт были получены импульсы рентгеновского излучения при полном выходе излучения до 1,8 МДж.
Дальнейшее развитие источников мягкого рентгеновского излучения воплотится в новых создаваемых установках «Байкал» [11] и X-1 (США) [ 27 ].
К классу сильноточных импульсных электроразрядных установок принадлежат и установки типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» и «плазменный фокус». В отличие от вышеописанных установок они значительно проще по конструкции и в эксплуатации, а главное в стоимости изготовления. На данных установках осуществляется микропинчевой режим разряда. Установка типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» имеет высокие параметры плазмы микропинчевого разряда. Относительная простота конструкции и эксплуатации делает установки «низкоиндуктивная вакуумная искра» перспективными как для фундаментальных исследований [12,17,20], так и для решения чисто прикладных задач (источник рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового излучения [28]; источник многозарядных ионов для ядерно-физических экспериментов [29]; рентгеновская литография [30]; рентгеновская микроскопия биологических объектов [31]; полировка поверхности [32]; напыление тонких пленок [33,34]). Возможно также, что изучение микропинча на установках типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» окажется весьма полезным в термоядерных исследованиях, поскольку в нем образуется высокотемпературная плазма с достаточно большим значением параметра удержания плазмы n [12].
Создание импульсных источников излучений на основе генерации плазмы в установках типа плазменный фокус (ПФ) получило свое развитие благодаря работам Н.В.Филиппова и Т.И. Филипповой [35] по генерации импульсной высокотемпературной плазмы в быстрых Z-пинчевых устройствах. На этих установках были получены рекордные выходы нейтронного и рентгеновского излучений за импульс длительностью порядка 20нс. Плотная высокотемпературная импульсная плазма, образующаяся в плазмофокусном разряде, является мощным импульсным источником нейтронного и рентгеновского излучения. Высокие параметры плазмы, быстропротекающие физические процессы, простая конструкция и относительно невысокая стоимость делает эти установки перспективными для технологических применений [35-39] (интроскопия, разведка полезных ископаемых, геофизические исследования, материаловедение, создание экологически чистых источников ядерных излучений), обороны (моделирование в лабораторных условиях ядерного взрыва), энергетики (термоядерный синтез, испытание материалов, предназначаемых для использования в термоядерных устройствах), медицины (нейтронно-15 захватная терапия, лучевая терапия в онкологии, диагностика), создание новых видов материалов.
Рентгеновская диагностика плазменных объектов с временным разрешением
С помощью приборов рентгеновской диагностики проводят различные виды исследования (спектрометрические, с временным разрешением, пространственные) плазмы импульсных сильноточных электрических разрядов[75-79,101]. В зависимости от исследований плазменного объекта применяют различные виды методов исследований и детекторов регистрации. От выбранного типа детекторов зависит надежность и точность проведенных исследований. Регистрация рентгеновского кванта в детекторе осуществляется в результате ионизационного эффекта, образованного вторичными электронами, образованными в результате взаимодействия кванта с веществом детектора.
В настоящее время существует большое количество различных видов детекторов, регистрирующих ионизирующее излучение [94,102-108]. Ионизационные детекторы; полупроводниковые детекторы; сцинтилляционные детекторы; трековые детекторы; термолюминесцентные детекторы; детекторы, работающие на основе электронно-оптического преобразования. Каждый детектор имеет свои основные характеристики: эффективность регистрации, энергетическое разрешение, временные характеристики.
К ионизационным детекторам относятся всевозможные ионизационные камеры, заполненные различным веществом в жидком или газообразном состоянии. Данные приборы нашли широкое применение в атомной промышленности в качестве дозиметрических приборов, также они используются в различных областях ядерной физики. Однако в диагностике рентгеновского излучения плазменных объектов данный вид детекторов распространения не получил. Основными детекторами, использующими в рентгеновской диагностике плазмы, являются полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные детекторы, ядерные фотоэмульсии, рентгеновские фотопленки, термолюминесцентные детекторы, рентгеновские люминесцентные экраны.
Как уже упоминалось в разд. 2.1, сложность исследования рентгеновского излучения плазмы заключается в том, что рентгеновское излучение характеризуется высокой интенсивностью (до 1016 квантов за вспышку) и малой длительностью ( 10–8 с), имеет довольно сложный спектр с максимумом в области 1 кэВ. Интенсивность рентгеновского излучения с ростом энергии квантов падает на несколько порядков. Рентгеновское излучение плазмы сопровождается другими видами излучения плазменного объекта. В результате импульсного сильноточного электрического разряда возникают мощные электромагнитные помехи, которые могут исказить рабочий сигнал с детектора и это также требует разработки мер защиты.
При таких условиях эксперимента одним из наиболее применяемых методов спектрометрии импульсного рентгеновского излучения является метод фильтров поглощения. В данном методе могут быть использованы полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные детекторы, термолюминесцентные детекторы, ядерные фотоэмульсии. В настоящее время существуют различные полупроводниковые детекторы (табл. 2.1) [94]. Наиболее перспективными для использования в рентгеновской диагностике являются полупроводниковые детекторы, изготовленные на основе p-i-n технологии. Они имеют чувствительный слой порядка 700 мкм и отличные временные характеристики ( 1 нс). Поверхностный слой данных детекторов позволяет регистрировать рентгеновское излучение с энергией h 1 кэВ.
Учитывая вид спектра рентгеновского излучения плазмы с максимумом в области 1 кэВ и спадом интенсивности с ростом энергии квантов на несколько порядков к детекторам, проводящим исследование рентгеновского излучения в различных энергетических областях, предъявляются различные требования. Следует особо уделить внимание к спектрометрии рентгеновского излучения с энергией выше 100 кэВ, где от регистрирующей аппаратуры требуется высокая чувствительность и эффективность регистрации слабоинтенсивного рентгеновского излучения. Таким образом, полупроводниковые детекторы эффективно измерять спектр рентгеновского излучения могут лишь в диапазоне от 1 до 30 кэВ (данные измерения могут проводиться с хорошим временным разрешением 1 нс). Исследования в области h 30 кэВ проводятся с помощью неорганических сцинтилляторов, которые обеспечивают высокую эффективность регистрации рентгеновских квантов с высокой чувствительностью.
Основные характеристики некоторых полупроводниковых материалов [94] Мате риал Шириназапрещеннойзоны,эВ Эффекти вный заряд Плотн ость, г/см Энерг ия напару электрон-дырка, эВ Рабочая темпера тура, К Подвижност ь, см2/(В-с) Время жизни носите лей, с Разреш ение, % электр онов дыр ок Ge 0,67 32 5,33 77 2,96 3600 420 0 2,5-10"5 0,46 Si 1,1 14 2,33 77 300 3,76 3,61 2100 ПО 0 2,0-10"5 GaAs 1,35 31,33 5,36 130 300 4,514,2 8600 400 lO"8 2,60 GaSe 2,03 31,34 4,55 300 6,3 60 215 10"у GaP 2,2 23 4,13 - - 300 150 10" CdTe 1,5 48,52 5,86 300 4,43 1050 80 10"6 3,80 CdSe 1,7 41 5,74 - - 650 - - Hgl2 2,26 80,53 6,40 300 4,2 100 4 10"6 3,50 Это такие сцинтилляторы, как NaJ(Tl), CsJ(Tl), Bi4Ge3O12. Характеристики основных сцинтилляторов приведены в табл. 2.2. [109,110, 111]. Спектрометрические системы на основе сцинтилляционных кристаллов CdJ2 (данный кристалл обладает наилучшими временными параметрами [95,109]) позволяют проводить исследования с временным разрешением не хуже 2-3 нс в диапазоне энергий рентгеновских квантов от 1,5 до 50 кэВ в сочетании с сильноточными ФЭУ или SiPM [64]. Спектрометры импульсного рентгеновского излучения, изготовленные на основе сцинтилляторов, проводят интегральные по времени измерения в области энергий рентгеновских квантов от 1,5 до 500 кэВ[41]. Большое значение при выборе детектора для регистрации рентгеновского излучения имеет эффективность регистрации этого излучения. Эффективность регистрации зависит от геометрических размеров сцинтиллятора, его плотности и элементного состава.
Исследования рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда
В зависимости от решаемой экспериментальной задачи предусмотрена возможность использования сцинтилляционных кристаллов CsJ(Tl) или Bi4Ge3O12. Использование сцинтилляционных кристаллов Bi4Ge3O12 (Zэф = 74) и CsJ(Tl) (Zэф = 54) с большим эффективным атомным зарядов Zэф и сравнительно больших размеров обеспечивало высокую эффективность регистрации жесткой компоненты рентгеновского излучения. Динамический диапазон спектрометра достигает 108. Для расширения динамического дипазона между сцинтиллятором и ФЭУ могут быть установлены корректирующие оптические фильтры [41,147].
Подробно исследования спектра в жесткой части (свыше 80 кэВ) проводились с использованием четырехканального сцинтилляционного спектрометра. Он построен по той же схеме: фильтр поглощения + сцинтилляционный кристалл + светофильтр + ФЭУ. Для увеличения эффективности регистрации и точности измерения были использованы кристаллы больших размеров: Bi4Ge3Oi2 ( 30х35), CsJ(Tl) ( 30х35), NaI(Tl) ( 30х50) в непосредственном оптическом контакте с ФЭУ-85 рис. 3.3. Рис.3.3. Функциональная схема 4-канального спектрометрического тракта на основе сцинтялляционного кристаллов NaJ(Tl), BiGeO, CsJ(Tl) диаметр 30мм, длина 35мм.
Динамический диапазон спектрометра достигает 104. Калибровка и работоспособность спектрометров проводилась с помощью точечных радиоактивных источников с различными энергиями гамма-квантов и рентгеновских трубок. Сцинтилляционные спектрометры крепились к диагностическим окнам разрядной камеры и были направлены перпендикулярно к оси разряда, и регистрировали рентгеновское излучение из разрядного промежутка.
Сцинтилляционные детекторы были откалиброваны с использованием точечных радиоактивных источников гамма-квантов с различными энергиями (54Mn (5,45 кэВ); 241Am (59,5 кэВ); 57Co (122 кэВ); 139Ce (33 кэВ, 165 кэВ); 203Hg (72 кэВ, 272 кэВ); 137Cs (662 кэВ)) и импульсной рентгеновской трубки с эмиттерами характеристического излучения из различных материалов (Al, Ti, Fe, Cu, Ge, In).
Линейность каналов регистрации спектрометра была проверена с использованием методики двух источников. В качестве источника света использовались светодиоды АЛ102Б. Засветка производилась в идентичных условиях для каждого ФЭУ в отдельности. Установлено, что интегральная нелинейность отдельных каналов регистрации не превышает 4 %, в динамическом диапазоне входных сигналов 102.
Проверка работоспособности спектрометров осуществлялась путем измерения кривых ослабления излучения импульсной рентгеновской трубки. Спектр импульсной рентгеновской трубки был, предварительно измерен методом амплитудного анализа. По полученным кривым ослабления были восстановлены спектры импульсной рентгеновской трубки. Восстановленные по кривой ослабления рентгеновские спектры (методом эффективных энергий) и спектр импульсной рентгеновской трубки, измеренный методом амплитудного анализа совпали с точностью не хуже 5%. В ходе выполнения работы исследовалась возможность использования системы сцинтиллятор + SiPM (Silicon PhotoMultiplier) (кремниевый микропиксельный лавинный фотодиод). Данный вид детекторов представляет собой фотоприемник на основе упорядоченного набора пикселей (примерно 103 мм-2), выполненных на общей подложке. Каждый пиксель представляет собой лавинный фотодиод работающий в «гейгеровском» режиме с коэффициентом усиления порядка 106, но весь SiPM представляет собой аналоговый детектор, так как выходной сигнал SiPM есть сумма сигналов со всех пикселей, сработавших при поглощении ими фотона. SiPM имеет малые размеры ( 10х10 мм). Промышленные партии SiPM до настоящего момента выпускаются, только под заказ. Исследования показали, что система сцинтиллятор + ФЭУ до настоящего момента более эффективна по основным параметрам: чувствительности и линейности, недостатком является наличие высоковольтного напряжения 1500 В и сравнительно большие размеры ФЭУ ( диаметр 20мм, длина 100мм), что не влияет на работу спектрометра. Установлено, что энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора с кристаллами NaI(Tl), CsJ(Tl) с использованием SiPM и ФЭУ практически сравнимы, но область линейности у ФЭУ, чем у SiPM. По ряду параметров ФЭУ лучше, чем SiPM.
Зависимость спектральных характеристик рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда от тока разряда
Эксперименты проводились на установке «плазменный фокус» имеющей разрядную камеру с эллиптическими электродами мейзеровского типа и рассчитанную на работу с разрядным током до 360 кА. Энергозапас конденсаторной батареи порядка 3 кДж. Разрядная камера снабжена разборным диагностическим окном и сконструирована таким образом, что во время измерений в «поле зрения» диагностических устройств оказывается вся область пинчевания плазменной оболочки. Диагностическое окно закрыто бериллиевой пластиной 200 мкм толщины. Детальное описание конструкция и параметров установки приведены в главе 1. В ходе эксперимента камера наполнялась аргоном (давление да 2 Тор) или дейтерием (давление 10 Тор) [50,56,143]. Общая схема эксперимента и разрядной камеры установки представлены на рис.4.1.
При генерации плазмы в разрядной камере, заполненной дейтерием, наряду с рентгеновским излучением возникает интенсивное нейтронное излучение (да 107109). При проведении исследований параметров плазмы была использована комплексная диагностика, включающая: спектрометр рентгеновского излучения на основе термолюминесцентных детекторов; многоканальные сцинтилляционные спектрометры рентгеновского излучения; систему измерения выхода нейтронов на основе регистрации бета-распадов атомов серебра в результате активации нейтронами. Также были использованы приборы (сцинтилляционный нейтронный детектор; временные сцинтилляционные детекторы, работающие совместно с токовой диагностикой установки (пояс Роговского); комплект камер-обскур и коллиматоров) позволяющие следить за режимом работы установки. В качестве регистратора сигналов со сцинтилляционных детекторов и пояса Роговского служил многоканальный осциллограф.
Как отмечалось в главе 2 измерение спектров импульсного рентгеновского излучения плазмы имеет ряд сложностей, связанных с тем, что при импульсе излучения малой длительности (от единиц до сотен наносекунд) возникает большое число квантов рентгеновского излучения (да 1016) и нейтронного излучения (да 107), сопровождаемое сильной электромагнитной наводкой. При таких условиях эксперимента для исследования рентгеновского излучения с энергией квантов более 100 кэВ от диагностических приборов требуется высокая чувствительность и эффективность регистрация рентгеновского излучения. С этой целью использовали многоканальный сцинтилляционный спектрометр на основе сцинтилляционных кристаллов с большим атомным зарядом.
Для измерения спектра рентгеновского излучения в области 1,0-к25 кэВ применен компактный спектрометр рентгеновского излучения на основе термолюминесцентных детекторов LiF [143]. Данный спектрометр размещался в разрядной камере.
Спектры излучения плазмы ПФ в диапазоне 1,50кэВ hv 300 кэВ, полученные в различных сериях измерений для камеры, заполнений аргоном Ar; дейтерием D (при различном выходе нейтронного излучения п і = 5х105, п 2 = 1х106) при токе разряда 250 кА.
Подробное описание диагностических приборов приведено в главе 2. На основе проведенных измерений были получены спектры импульсного рентгеновского излучения плазмы плазмофокусного разряда. В спектре рентгеновского излучения плазмы ПФ так же, как и на установке типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» в области энергий 1,0 кэВ АУ 300 кэВ по результатам измерений можно выделить три участка, в пределах каждого из которых спектр тормозного излучения носит квазитепловой характер с соответствующей температурой (рис.4.2). В диапазонах энергий квантов 1,0 кэВ hv 20 кэВ, Те «1 4- 2 кэВ и 20 кэВ hv 85 кэВ, Те «6 4 8 кэВ; в диапазоне 85 кэВ hv 300 кэВ эффективная электронная температура Те «30 4 80 кэВ
В работе была детально исследована взаимосвязь выхода нейтронов от рентгеновского излучения плазмы. Для измерения нейтронного излучения был использован промышленный прибор «Феникс» [50,56,143]. Прибор «Феникс» представляет собой активационный детектор, совмещенный с бета-счетчиками наведенной активности и предназначен для измерения выхода нейтронов от импульсного нейтронного излучателя с энергией нейтронов от 0,5 до 15 МэВ (детальное описание приведено в главе 2).
На рис. 4.2, на котором показана взаимосвязь выхода жесткого рентгеновского излучения с выходом нейтронного излучения в результате плазмофокусного разряда. Из рисунка видно, что с ростом выхода нейтронного излучения растет и выход рентгеновского излучения.
Исследования спектрального состава рентгеновского излучения и выхода нейтронного излучения плазмы на установке «плазменный фокус» при различных токовых режимах (рис. 4.3) показали, что с ростом разрядного тока интенсивность излучения низкоэнергетической части спектра рентгеновского излучения растет быстрей, чем высокоэнергетическая часть спектра. Увеличение выхода нейтронного излучения связано с повышением интенсивности высокоэнергетической части спектра рентгеновского излучения. С ростом разрядного тока различие в интенсивности рентгеновского излучения между высокоэнергетической и низкоэнергетической зонами увеличивается. Низкоэнергетическая часть спектра растет быстрее, чем высокоэнергетическая. Рост выхода нейтронов растет с ростом выхода жесткой компоненты рентгеновского излучения. Полученные результаты в диапазоне 1,0- 50 кэВ зарегистрированного спектра импульсного рентгеновского излучения плазмы плазмофокусного разряда не противоречат с тем, что предсказывает теоретическая модель для сильноизлучающей плазмы [13, 47, 49, 160].
В рамках существующих моделей трудно указать конкретный механизм образования ускоренных электронов в диапазоне 80 кэВ hv 300 кэВ. Вероятно, появление этого участка спектра связано с развитием ускорительных и турбулентных процессов [56, 143,161].
Временные исследования показали, что генерация жесткого рентгеновского излучения коррелирует с распадом пинча в финальной фазе сжатия пинча и обусловлена эмиссией тормозного излучения быстрыми электронами [56, 143].
Генерация жесткого излучения, происходящая в финальной фазе, связывается с резким увеличением сопротивления плазмы. В плазменном фокусе одной из причин повышения напряжения на плазменном столбе до величины, превышающей первоначально приложенное к разрядному устройству, является увеличение индуктивности токовой оболочки в процессе сжатия разряда.