Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы рентгенографии и источники рентгеновского излучения . 9
1.1. Методы рентгенографии. 9
1.1.1. Контактный способ получения рентгеновского изображения с высоким пространственным разрешением . 11
1.1.2. Метод проекционной рентгенографии. 12
1.2. Источники излучения для проекционной рентгенографии. 14
1.2.1. Горячие точки в «вакуумной искре» и других пинчах. 15
1.2.2. Рентгеновские трубки. 16
1.2.3. Синхротронное излучение. 20
1.3. Применение метода фазового контраста в рентгенографии. 20
1.4. Создание точечного источника излучения на основе обскур и лазерной плазмы. 23
ГЛАВА 2. Характеристики Х-пинча как источника излучения для рентгенографии. 26
2.1. Сильноточные генераторы, используемые в экспериментах. 29
2.2. Метод проекционной рентгенографии на основе Х-пинчей. 31
2.3. Пространственная структура и размер излучающей области Х-пинчей. 35
2.3.1. Структура и размер источника в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и мягкого рентгеновского излучения с энергией квантов до 1 кэВ. 37
2.3.2. Структура и размер источника в области рентгеновского излучения с энергией квантов до 10 кэВ. 41
2.3.3. Исследование пространственной структуры и размера источника излучения методом проекционной рентгенографии. 49
2.4. Яркость источника излучения. 58
2.4.1. Пространственная направленность излучения. 60
2.4.2. Длительность вспышки излучения, измеренная при помощи алмазных фотодетекторов (ФПД). 61
2.4.3. Длительность вспышки излучения, измеренная при помощи рентгеновского хронографа с высоким временным разрешением. 63
2.4.4. Энергетические характеристики источника излучения. 68
2.5. Спектрально-пространственные характеристики источников излучения в Х-пинче. 75
ГЛАВА 3. Создание многокадровой системы проекционной рентгенографии на основе горячей точки Х-пинча. 87
3.1. Параллельные X пинчи в сильноточном диоде. 87
3.1.1. Два и три в Х-пинча диоде на установке ХР. 87
3.1.2. Измерения временных характеристик излучения горячих точек в экспериментах с параллельными Х-пинчами в сильноточном диоде. 100
3.1.3. Два многопроволочных Х-пинча в диоде установки COBRA . 104
3.1.4. Параллельно-последовательные Х-пинчи на установке COBRA. 106
3.2. Параллельные Х-пинчи в цепи обратного тока. 107
3.2.1. Два Х-пинча в цепи обратного тока на установке ХР. 108
3.2.2. Один и два Х-пинча в цепи обратного тока на установке MAGPIE. 110
3.2.3. Два Х-пинча в цепи обратного тока на установке COBRA. 113
3.2.4. Пятикадровая система STAR на установке COBRA. 119
ГЛАВА 4. Новые направления развития Х-пинчей и сильноточных генераторов. 124
4.1. Кассетные Х-пинчи. 124
4.2. Симметричные многослойные Х-пинчи с мегаамперным током. 132
4.2.1 Симметричные многослойные Х-пинчи в качестве основной нагрузки генератора COBRA . 132
4.2.2 Два симметричных многослойных Х-пинча в диоде с мегаамперным током. 152
4.3. Гибридный Х-пинч. 155
4.3.1. Конструкция гибридного Х-пинча и диагностики, используемые для его исследования. 158
4.3.2. Использование гибридного Х-пинча в качестве основной нагрузки для проекционной рентгенографии. 161
4.3.3. Применение гибридного Х-пинча в качестве источника излучения в разных схемах проекционной рентгенографии плазменных объектов. 181
4.4. Источник субнаносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения на основе Х- пинча и малогабаритного генератора тока. 189
4.4.1. Источник МРИ для проекционной рентгенографии на основе Х-пинчей на генераторе МИНИ. 191
4.4.2. Гибридные Х-пинчи на генераторе МИНИ. 201
4.5. Параметры масштабирования для оптимизации Х-пинчей. 205
ГЛАВА 5. Исследования динамики взрыва и измерение параметров плазмы одиночных проволочек и малопроволочных линейных сборок при помощи проекционной рентгенографии и рентгеновской абсорбционной спектроскопии . 208
5.1. Образование, структура и разлёт керна и короны при взрыве одиночных проволочек и линейных сборок при токах до 100 кА на проволочку. 208
5.2. Метод измерения плотности материала взорванных проволочек. 217
5.2.1. Описание метода и анализ. 218
5.2.2 Результаты измерения плотности плазмы короны для одиночных проволочек и линейных сборок с током выше 50 кА на проволочку. 223
5.3. Образование и структура керна при взрыве одиночных проволочек при токах от 1 до 10 кА. 226
5.4. Использование непрерывного излучения ГТ Х-пинчей в качестве зондирующего излучения для рентгеновской абсорбционной спектроскопии (РАС) плазмы взорванных проволочек. 238
5.4.1. РАС со сферическим кристаллом кварца. 240
5.4.2. РАС с плоским кристаллом КАР. 249
ГЛАВА 6. Рентгенографические исследования в цилиндрических проволочных сборках. 253
6.1. Результаты рентгенографических исследований на установке MAGPIE. 253
6.2. Результаты рентгенографических исследований цилиндрических проволочных сборок на установках ХР и COBRA. 259
6.2.1. Структура кернов проволочек и локальная корона. 260
6.2.2. Динамика расширения кернов проволочек в цилиндрических проволочных сборках. 267
6.2.3. Глобальная корона и образование предвестника. 272
6.2.4. Измерения плотности плазмы и ее распределения в цилиндрических проволочных сборках. 278
Заключение. 285
Литература. 287
- Контактный способ получения рентгеновского изображения с высоким пространственным разрешением
- Длительность вспышки излучения, измеренная при помощи рентгеновского хронографа с высоким временным разрешением.
- Два многопроволочных Х-пинча в диоде установки COBRA
- Симметричные многослойные Х-пинчи в качестве основной нагрузки генератора COBRA
Контактный способ получения рентгеновского изображения с высоким пространственным разрешением
Источники с ограниченной пространственной когерентностью могут давать дифракционную картину Френеля. Наблюдение такой же картины при использовании излучения широкополосных синхротронов показало, что высокая временная когерентность также не является необходимой. Широкополосные синхротроны дают интенсивный поток фотонов с высокой средней энергией, поэтому не требуется длительного времени для получения контрастного изображения. На таких установках можно получить высококонтрастные изображения с достаточно хорошим временным разрешением (5 мс длительность кадра) и высоким пространственным разрешением ( 1 мкм) без использования каких либо монохроматоров и фокусирующих элементов, но с использованием достаточно сложных систем записи изображения. Это значительно удешевляет и упрощает процесс рентгенографии и расширяет потенциальные возможности применения метода. Данный метод позволяет получать рентгеновские изображения слабо поглощающих объектов, например, биологических или слабо поглощающих полимерных образов. Авторами было продемонстрировано, что значительное улучшение качества изображения было достигнуто при ограниченных дозах излучения, вполне сопоставимых с дозами излучения, применяемых в медицине.
Авторы показали, что для получения фазового контраста, базирующегося на дифракции излучения, достаточно выполнения условия, что 5Х/Х \, которое выполняется для любого синхротрона без монохроматизации. Авторами получено пространственное разрешение 2 мкм при увеличении 1500 и поле зрения 2x3 мм. В качестве детектора служила медленная камера с микроканальной пластиной и микроскопной линзой, передающей изображения на сцинтиллятор, для увеличения интенсивности изображения.
Итак, в данных экспериментах не использовался монохроматор, поэтому ток электронного пучка мог быть в десятки раз ниже, что значительно расширяет возможности метода - можно использовать не очень мощные синхротроны. Размер источника синхротронного излучения 100 -500 мкм и всегда эллиптический, т, е. разрешение в разных направлениях разное. Из-за большого размера источника требуется применять очень большое расстояние до детектора и очень большое увеличение (до 1500). К тому же любые синхротроны - большие и дорогие сооружения, время их работы дорого. Притом, что этот способ проще и ближе к методу точечной проекции рентгенографии, для него все же нужен достаточно дорогой и сложный детектор, а время получения изображения (временное разрешение) по крайней мере, на 3 - 4 порядка хуже, чем получаемое с источником излучения на основе Х-пинчей (см. ниже ГЛАВА 2). К тому же поле зрения источника ограничено несколькими квадратными миллиметрами, что так не может соперничать с ГТ Х-пинчей
В общем случае высокая яркость источника излучения наиважнейшая характеристика источника излучения, но в зависимости от конкретных применений любая другая характеристика становится более важной, например, размер источника или длительность вспышки. Для проекционной рентгенографии малый размер источника является наиболее важной характеристикой источника, определяющей пространственное разрешение метода. В этом случае иногда жертвуют яркостью источника, ставят между изображаемым образцом и источником излучения экраны с диафрагмами небольшого размера - обскурами, для эффективного уменьшения размера источника и, следовательно, улучшения пространственного разрешения системы. Яркость источника уменьшается пропорционально отношению размера источника к размеру обскуры. Рентгенография с помощью обскур является важной диагностикой для получения высококонтрастных изображений с высоким пространственным разрешением и с большим полем зрения. В основном такая техника применяется для исследования лазерной плазмы, поскольку импульсным источником излучения является также лазерная плазма. Излучение, проходящее сквозь обскуру, можно рассматривать как точечный источник излучения и такой способ вполне можно отнести к проекционной рентгенографии от точечного источника без применения дополнительных оптических элементов, используемых для построения изображения объекта.
Источники излучения с энергией квантов в несколько кэВ являются стандартными для радиографии лазерной плазмы на мощных лазерных установках в настоящее время. Исследуемый объект помещается между обскурой и детектором. [100]. Обскуры обычно помещаются вблизи источника для увеличения поля зрения, но при этом они быстро разрушаются, что уменьшает эффективность данного метода.
При этом источником рентгеновского излучения является облучаемая мощным лазером фольга. Преобразование лазерной энергии в используемое рентгеновское излучение определяется эффективностью конверсии, которой называется энергия рентгеновского излучения, в определенном энергетическом интервале деленная на поглощаемую лазерную энергию. Эффективность конверсии в фотоны с энергией в несколько кэВ на твердотельных мишенях обычно составляет величину меньше 1% [101]. В [102] проводятся данные о примерно 10% эффективности конверсии лазерного излучения в РИ с энергией 5-7 кэВ на газовых мишенях, но, учитывая низкую эффективность самих лазеров, такая эффективность не слишком высока, а энергия квантов, наоборот, высока для исследования плазменных объектов. К тому же низкая эффективность конверсии лазерного излучения в рентгеновское излучение относительно низкой энергии ( 7 кэВ) и потери интенсивности на обскурах делают такую схему практически неработающей при низких энергиях у-квантов. В работе [103]точечный источник РИ создавался при облучении торца тонкой проволочки диаметром 25 мкм импульсом установки NOVA длительностью 100 рс. Для получения высокого временного разрешения использовался электронный затвор с длительностью кадра 500 рс.
Проекционная рентгенография при помощи обскур и лазерного плазменного источника, очень продуктивно используемая на таких мощных лазерных установках как NOVA и OMEGA, трудно воспроизводима на в 100 раз большей установке NIF [106]. В работе [104] представлена более эффективная схема создания источника излучения для проекционной рентгенографии на установке NIF. В В данном методе предлагается нагрев холраума до высоких температур, а микронные отверстия в стенках холраума будут служить точечными источниками РИ. Длина волны РИ зависит от температуры холраума. При этом в данном методе значительно меньше затраты энергии, а также нет уменьшения разрешения вследствие расширения и охлаждения плазменного факела.
Таким образом, из всех рассмотренных выше источников рентгеновского излучения только точечные источники мягкого рентгеновского излучения на основе обскур используются для изображения плазменных объектов с очень высоким пространственным и временным разрешением. А большое поле зрения делает возможным изображение больших плазменных объектов.
Но для точечной проекционной рентгенографии с использованием обскур требуются очень мощные лазерные установки, такие как NOVA и OMEGA, поэтому такая радиография возможна в очень ограниченных местах [100, 105-107]. К тому же имеется ряд факторов, которые негативно сказываются на применении данного метода:
Длительность вспышки излучения, измеренная при помощи рентгеновского хронографа с высоким временным разрешением.
Поскольку конструкция диодов на используемых генераторах была такова, что ЩСО-камеру невозможно было приблизить к Х-пинчу ближе, чем на 5 см. Поэтому для более точного измерения размеров источника использовали приведенные выше диагностики, а также проводились расчеты дифракционной картины, появляющейся на щелях при микронном источнике излучения, что будет представлено ниже. Исследование пространственной структуры и размера источника излучения методом проекционной рентгенографии.
Методом, дающим самые точные данные о структуре и размере источника излучения для проекционной рентгенографии, оказалась сама проекционная рентгенография. При построении изображения методом проекционной рентгенографии играют роль суперпозиция поглощения излучение материалом объекта и три вида изменения направления распространения волны излучения: дифракция, преломление и отклонение. Таким образом, пространственное разрешение метода, определяемое как возможность отличить две точки изображения, зависит от размера излучающей области источника излучения и трех вышеперечисленных волновых факторов (см. Рис. 1.1.2, 2.2.1 и работы [3-5, 171]. Следовательно, чтобы точно определить размер источника излучения мы должны принимать в расчет все данные факторы.
Для источников достаточно большого размера можно пренебречь волновыми факторами и по ширине полутени изображения объекта можно дать верхнюю оценку размера источника излучения. Этот метод ничем не отличатся от оценки размера источника излучения по ширине полутени изображения отверстия камеры обскуры или ЩСО-камеры. Для исследования структуры источника излучения и оценки его размеров в двух направлениях лучше всего подходит тест-объект в виде сетки с известной толщиной проволочек и их количеством на единицу длины.
Рентгенограмма сетки, полученная в излучении Х-пинча из 4-х Мо проволочек диаметром 25 мкм на установке МИНИ
Например, на рисунке 2.3.13 представлено изображение сетки с толщиной проволочки 60 микрон в излучении Мо Х-пинча из 4-х проволочек диаметром 25 мкм. Из рисунка видно, что изображение сетки было получено в излучении двух ГТ приблизительно одинаковой интенсивности, смещенных в осевом напрвлении на 10 мкм и радиальном на 5 мкм. На рисунке 2.3.14 представлена рентгенограмма сетки с толщиной проволочки 40 микрон в излучении единичной ГТ.
Размер источника излучения, определенный по ширине полутени изображения равен 5 микрон, что очень близко к дифакционному пределу разрешения для данного эксперимента, определенному по формуле A=(Xd)05. О расчете размера источника (красный цвет), определенным с учетом волновых факторов будет сказано ниже. Увеличение 1:17 2.5 EY 5 КЭВ
Рис. 2.3.14 Рентгенограмма сетки с толщиной проволочки 40 микрон и денситограмма изображения проволочки, полученная в излучении Х-пинча из 4-х Мо проволочек диаметром 25 мкм на установке ХР
В некоторых экспериментах для более точного определения структуры и размера источника применялись специально изготовленные объекты, состоящие из разнонаправленных щелей различной толщины, изображаемые с большим увеличением. При применении щелей в качестве тест-объекта рассматриваются только два фактора, влияющие на пространственное разрешение метода проекционной рентгенографии: размер источника и дифракция излучения на щели, что проще при учете факторов, влияющих на пространственное разрешение.
На рисунке 2.3.15а представлено изображение тест-объекта, представляющего собой танталовую пластину толщиной 50 микрон со щелями разной ширины, расположенные в перпендикулярных направлениях, так как показано на рисунке. Подобные тест-объекты, применялись в экспериментах на генераторе COBRA с током 1-1.2 МА [12, 159, 184].
Изображение данной щелевой пластины, полученное с увеличением 6.44 раза в излучении Х-пинча из 32-х W проволочек толщиной 25 микрон каждая, показано на рисунке 2.3.196, а его увеличенный фрагмент - на рисунке 2.3.15в. Из рисунка 2.3.15в видно, что изображение щелей получено в излучении пяти источников излучения различного качества. Только источник А дает пространственное разрешение 10.7 микрон и высокую интенсивность излучения (Рис. 2.3.15г). Пространственное разрешение в данном случае в основном определялось дифракцией излучения, поскольку пластина была установлена на расстоянии 18 см от Х-пинча (при более близком расположении пластина сгорала за один выстрел) и изображение получено через Ті фильтр, то дифракционный предел для данного изображения равен примерно 8.6 мкм.
На рисунке 2.3.16а представлено изображение специально изготовленного тест-объекта, состоящего из щелей разной ширины, сгруппированных в звездчатые структуры [20, 23, 171]. Золотые щели были выполнены на подложке из Si3N4 методом многократного напыления, литографии и травления (Аи ТОЛЩИНОЙ 2.2 мкм, Si3N4 - 0.5 мкм). На рисунке 2.3.166 представлено изображение тест-объекта, полученное в излучении Мо X-пинча. Из рисунка следует, что в Х-пинче образовались две ГТ близкие по интенсивности и размеру. На рисунке 2.3.16в представлена денситограмма изображения щели шириной 5 микрон, полученная в излучении данных ГТ. Видно, что ГТ образовались строго по оси Х-пинча на расстоянии 32 микрона. На рисунках 2.3.16в, гид представлены денситограммы изображения щелей в излучении одного из источников. На рисунке отчетливо видна дифракция излучения на щелях, которая ухудшает пространственное разрешение источника.
Рис. 2.3.15 Изображение тест-объекта - щелевой пластины (а); изображение щелевой пластины, полученное с увеличением 6.44 раза в излучении Х-пинча из 32 W проволочек толщиной 25 микрон (б); увеличенный фрагмент изображения б (в); денситограмма изображения (г).
Волновые факторы излучения ухудшают пространственное разрешение метода, размывая вместе с размером источника границы объекта и образуя дифракционную или интерференционную (в зависимости от объекта) картину в изображении объекта [20, 23, 41, 171]. Если учесть их влияние, то можно определить точный размер источника излучения, поскольку изображение любого объекта содержит информацию о его размерах.
Фазовый сдвиг, возникающий в излучении после прохождения объекта, полностью зависит от комплексной передаточной функции. Распространение волн в свободном пространстве можно легко описать, используя интегралы Френеля-Кирхгофа [41, 89-96, 185, 280]. Нормированная интенсивность излучения точечного источника в плоскости детектора получается как свертка передаточной функции и функции распространения: где Xd- поперечная координата в плоскости детектора, г і _ расстояние от источника до объекта, г — расстояние от детектора до источника. Х- длина волны, q(x) — комплексная передаточная функция. 4П «1 Расстояние (мкм) Рис.2.3.16 Щелевой тест-объект в виде звезды (а); изображение объекта в излучении Х-пинча их 4-х Мо проволочек диаметром 25 мкм; денситограммы изображения щелей различной ширины , помеченные цифрами на рисунке б (в-д). Здесь предполагается, что излучение распространяется под малыми углами, так как расстояние вдоль оптических осей гораздо больше поперечных расстояний. Так же предполагается, что объект является плоским и имеет не нулевой размер вдоль оси у, таким образом, такие объекты изменяют волновое поле только вдоль оси X.
В случае простой щели передаточная функция q(x) равна нулю для х 1, и равна единице для х 1, где I - размер щели. В случае круглого волокна радиуса R, передаточная функция q(x) равна ехр[- (47t/?t)(P+i8)(R2 - х2)05 для х R и единице для х R, где 8 - уменьшение показателя преломления, а Р - коэффициент поглощения.
В случае не монохроматического излучения, такого как излучение Х-пинча отфильтрованное металлической фольгой, интенсивность излучения необходимо усреднить по спектральному распределению излучения, чтобы учесть зависимость показателя преломления и коэффициента поглощения от длины волны. Следовательно: Iw(xd)=\dXA(X)l{xd), (2) где А\Х)-нормированный весовой коэффициент, определяемый относительными интенсивностями отфильтрованного излучения рентгеновского источника и чувствительностью детектора во нужном спектральном диапазоне.
Когда источник имеет конечный поперечный размер и разные части источника излучают не когерентно, каждая точка источника может быть рассмотрена, как источник сферической волны. Каждая точка, расположенная в xs создает идентичную интерференционную картину в области детектора, но смещенную на значение -xs(r2/Ti). Следовательно, интерференционная картина, рассчитанная для точки источника на оптической оси, будет размыта на размер Dfo/ri), где D — размер источника. А значит интенсивность излучения, прошедшая через объект и достигшая плоскости детектора получается суммированием интенсивностей излучения всех точек источника: где xs — поперечная координата в плоскости источника и B(xs) — распределение яркости источника. Полагаем, что функция B(xs) —-Гауссово распределение, т. е.:
Следует отметить, что данные расчеты могут быть произведены, если размер источника мал, т.е. когда волновые факторы излучения (Рис. 2.2.1) являются сопоставимыми по своему влиянию на пространственное разрешение с размером источника излучения. В этом случае будет наблюдаться дифракционная картина излучения при изображении щелей и интерференционная картина при теневом проекционном изображении частично прозрачного объекта для используемого излучения.
На рисунке 2.3.17 представлена типичная картина изображения полупрозрачного объекта, полученная с большим увеличением. На изображении хорошо видно влияние всех вышеприведенных факторов. Влияние волновых факторов на изображение показано достаточно условно, поскольку разделить влияние всех факторов на изображение очень сложно. Размер источника излучения, определенный по полуширине тени объекта, равен 1.3 микрона, расчётный размер, учитывающий влияние волновых факторов излучения, составляет 0.7 микрона.
Рентгенограмма и денситограмма полупрозрачных объектов, полученная в излучении Х-пинча из 2-х Nb проволочек диаметром 25 мкм на установке ХР в излучении с энергией квантов Е 2.5 кэВ.
На рисунке 2.3.18 представлен пример расчета размера источника для одной из лучших конфигураций Х-пинчей, применяемых на установке COBRA, трехоболочечного симметричного X-пинча (см. ГЛАВУ 5.2).
Изображение щелевой маски было получено через медный фильтр толщиной 10 микрон с увеличением 8.5. Расчет был выполнен для размера источника равного 1.4 микрона. К настоящему времени это минимальный размер источника для Х-пинчей мегаамперного диапазона токов. На рисунке 2.3.19 приведен пример расчета размера источника на установке БИН, сделанный при использовании рентгенограммы полупрозрачной для используемого излучения углеродной нити. Расчет был сделан для размера источника 1.5 микрона, что очень хорошо соответствует реальной денситограмме изображения.
Из Таблицы 2.3.2 следует, минимальный размер источника линейно растет с ростом тока нагрузки, но зависимость от тока не сильно выражена. При увеличении тока через нагрузку в 5 раз минимальный размер источника увеличился менее чем в два раза от 0.8 микрона до 1.4 микрона.
Изображение щелевой маски, полученная на установке COBRA в излучении трехоболочечного симметричного Х-пинча из проволочек диаметром 25 мкм в конфигурации одна проволочка из NiCr в центре, 6 Мо проволочек во второй оболочке и 12 проволочек из W в третьей (а); увеличенное изображение щели шириной 20 мкм, реальная (черная линия), расчетная (красная линия) денситораммы изображения щели (б).
Определение размера источника 4x25 мкм Мо Х-пинча (генератор БИН), тест объект - углеродная нить диаметром 8 мкм, методом ширины полутени: 2.2 мкм, расчет дифракционной картины: 1.5 мкм. Увеличение 1:13. Фильтр Ті фольга толщиной 12.5 микрона.
Нужно принимать во внимание, что размер источника МРИ, определенный на основе рентгенографии тест-объектов, дает размер источника, усредненный за время вспышки излучения ГТ. Время вспышки может варьироваться в зависимости от материала Х-пинчей, энергии квантов и других параметров Х-пинча и установки. [23] Таким образом, минимальный размер источника МРИ может быть меньше полученного в данных расчетах и не зависеть от тока нагрузки
На установке COBRA при токе 1 МА в стандартных проволочных Х-пинчах минимальный размер источника был зарегистрирован в W Х-пинче из 32-х проволочек диаметром 25 микрон. Он составил 10.6 микрона. Из чего мы сделали вывод, что для генераторов с МА уровнем тока нужны другие конфигурации Х-пинчей, о которых подробно будет изложено ниже в ГЛАВЕ 5. В таблице приведены данные для классических проволочных Х-пинчей на установках ХР, БИН и МИНИ, а также 4-х проволочных Х-пинчей в цепи обратного тока установки COBRA, где наблюдались дифракционные картины на рентгенограммах. Также приведены данные для симметричных многооболочечных Х-пинчей на установке COBRA (см. ГЛАВА 5 параграф 2). Для всех установок приведены данные по гибридным Х-пинчам (см. ГЛАВА 5 параграф 3), в которых были получены очень малые размеры ГТ.
Два многопроволочных Х-пинча в диоде установки COBRA
Идея использования Х-пинча в качестве точечного источника мягкого рентгеновского излучения для проекционной рентгенографии была осуществлена в начале 90-х в работах Д. Хаммера и Д. Калантара [141, 142]. Но уже первые эксперименты показали, что для успешного осуществления данной идеи нужны детальные исследования характеристик самого Х-пинча, приводящих к образованию единичного источника МРИ с экстремально высокими параметрами плазмы и, следовательно, высокими излучающими характеристиками - горячей точки. Для успешного осуществления данной идеи требуется также использовать излучение Х-пинча в нужном энергетическом диапазоне излучения, что приводит, во-первых, к использованию соответствующих материалов проволочек Х-пинчей и фильтров, а, во-вторых, соответствующих приемников излучения, в нашем случае плёнок.
Конечно, в первых экспериментах по точечной проекционной рентгенографии были использованы материалы проволочек, фильтры и пленки, которые уже применялись в других экспериментах, а затем в процессе исследований приходили к оптимальным вариантам, обеспечивающим получение заданного результата.
Уже первые эксперименты с двухпроволочными Х-пинчами показали, что все металлы, из которых были сделаны проволочки, делятся на две группы. Металлы и сплавы первой группы имеют большое удельное сопротивление, а Х-пинчи, сделанные из проволочек, относящихся к первой группе, дают хорошее качество изображаемого объекта. Металлы второй группы имеют малое удельное сопротивление, а качество изображения, получаемое в излучении таких Х-пинчей, значительно хуже. Под качеством изображения здесь понимается высокое пространственное разрешение и контраст изображения. Последующие эксперименты по исследованию разлета проволочек [148-154] показали, что металлы и сплавы первой группы имеют значительно меньшую скорость разлета керна проволочек и, следовательно, диаметр керна в одинаковых условиях эксперимента, а значит большую плотность и меньший диаметр перекрестия проволочек. К материалам первой группы из доступных нам проволочек относятся: материалы Ті,, Nb, Mo, Та и W, которые использовались в качестве материала проволочек для большей части Х-пинчей. Затем к ним добавились резистивные сплавы: NiCr (80%Ni, 20%Сг), манганин (86%Cu, 16 %Мп), инвар (36%Ni, 64%Fe) и некоторые другие.
Исключением являлся алюминий, имеющий малое удельное сопротивление, но дающий хорошее качество изображения. Алюминий - легкий и легкоплавкий металл с большой скоростью разлета керна, но с большей температурой плазмы короны и ее размером, что позволяет протекать большему току и, следовательно, быстрее сжать керны проволочек и сформировать тонкую перетяжку. Толщина, материал и количество проволочек на каждой установке подбирались экспериментально. Ниже в ГЛАВЕ 4.4 мы попытаемся показать, что выполнение некоторых соотношений между параметрами сильноточных генераторов и Х-пинчей, поможет первоначальному подбору параметров Х-пинчей при использовании их на различных генераторах.
В качестве фильтра в первых же экспериментах применялась титановая фольга, которая была выбрана за её прочность и относительно дешевую стоимость. Поглощение в титане позволяло успешно ослаблять мягкую фоновую подсветку плёнок и большую часть линейчатого излучения плазмы. В последующих экспериментах, в зависимости от требуемого энергетического диапазона и параметров источника излучения, выбирались фольги из А1, Си и даже Та, а также из алюминизированного (для защиты пленки от оптического излучения) майлара, поликарбоната и полипропилена разной толщины. Кривые пропускания фильтров или энергии отсечки, приводятся на рисунках вместе с результатами экспериментов.
Для регистрации излучения в мягком рентгеновском диапазоне (1-5 кэВ) в первых экспериментах использовались плёнки RAR2497, а в жестком (до 25 кэВ) - пленка Kodak DEF американского производства и советскую пленку Микрат. Пленка Микрат по чувствительности близка к плёнке RAR2497, но имеет еще меньше размер зерна эмульсии, что существенно для изображения объектов очень небольшого размера с высоким пространственным разрешением. Иногда пределом разрешения метода является размер зерна пленки. В большинстве экспериментов применялись три плёнки (две RAR2497, позже Микрат, и третья DEF) одна за другой, причем первые пленки служили дополнительными фильтрами для следующих. Для данных пленок группой В .L. Henke были произведены эксперименты по их калибровке в разных энергетических диапазонах [35, 178, 179]. На этих исследованиях мы и основывались в дальнейших экспериментах, когда пришлось менять плёнки, так как сначала перестали выпускать RAR2497, а затем и DEF.
Поскольку исследованием чувствительности плёнок, которые стали применяться в плазменных экспериментах, никто не занимался, то нам пришлось заняться их калибровкой, используя Х-пинч как источник излучения в диапазоне от 1 до 8 кэВ, используя данные о калибровке плёнки DEF для сравнения. Данные эксперименты и расчеты подробно представлены в работах [36, 37]. Конечно, данная калибровка не была такой тщательной, как та, которой занималась несколько лет группа Henke, но она дает представление о чувствительности калибруемых пленок по сравнению с пленкой DEF. В экспериментах по калибровке пленок использовалось сравнение спектральных линий разных материалов в спектрах, зарегистрированных одновременно на пленке DEF и калибруемой плёнке на одном и том же спектрографе. Была произведена калибровка пленки KODAK BIOMAX-MS, которая послужила заменой пленки KODAK DEF и KODAK DR, используемой для мягкого рентгеновского излучения в более поздних экспериментах. Приведенные ниже данные соответствуют пленкам, чувствительность которых определялась в экспериментах Henke и др., а для более современных пленок, использовалась наша собственная калибровка, результаты которой приведены в работах [36, 37]
Для более точного подбора плёнок и фильтров очень важно было знать спектры излучения основных материалов проволочек в интересующих нас диапазонах энергий. С этой целью были исследованы спектры Х-пинчей из различных проволочек. (Подробно о спектроскопических исследованиях в наших экспериментах см. в Диссертации С. А. Пикуза [6]). Затем построены зависимости чувствительности используемых плёнок для интересующего нас диапазона излучения, зарегистрированного через фильтр из Ті фольги толщиной 12.5 мкм, рутинно используемый в экспериментах по проекционной рентгенографии. Спектры регистрировались на анализируемых плёнках при помощи фокусирующего спектрографа с кристаллом слюды радиусом 100 мм [10, 132, 133, 170] и спектрографа с выпуклым кристаллом слюды и щелью шириной 200 мкм для пространственного разрешения в аксиальном направлении [116, 132]. Характерные линии и их интенсивности для Х-пинчей из А1, Ті, NiCr, Nb и Мо проволочек, наиболее часто используемых в экспериментах по проекционной рентгенографии, показаны на рисунках 2-6 вместе с кривыми чувствительности пленок.
До того как будут проанализированы результаты, представленные на рисунках 2.5.1-2.5.5 мы рассмотрим некоторые особенности полученных спектров. Характерные примеры спектров, полученных в Х-пинчах из разных материалов, представлены рисунках 7- 10. Во-первых, отметим, что были получены линии Не- и Н-подобного Ті и линии He-подобных Сг и Ni в Х-пинчах из Ті и NiCr проволочек, что говорит о высокой температуре плазмы и, следовательно, о ее высокой излучательной способности [196, 197].
Большинство полученных спектров имеют как линейчатое так и непрерывное излучение, причем геометрические размеры источников излучения различаются в зависимости от материала проволочек. Чем ниже атомный номер материала, тем больше размеры источника линейчатого излучения ионов одинаковой кратности ионизации. Геометрические размеры источника линий Неподобных Ni и Сг практически не отличаются от размера источника непрерывного излучения (Рис. 2.5.6). Размеры источника линий Ne-подобного Мо отличаются от размера источника излучения на 25% (Рис. 2.5.7), тогда как размеры источников He-подобных линий Ті и А1 весьма велики и имеют размеры порядка миллиметра, тогда как величина источника непрерывного излучения значительно меньше (см. Рис. 9, 10, 11). Как видно из рисунков 10 и 11 характеристические линии, индуцированные электронным пучком, также излучаются источником излучения с большими размерами.
Симметричные многослойные Х-пинчи в качестве основной нагрузки генератора COBRA
На рисунке 3.2.7 изображение керна дейтерированной нити, зарегистрированной в более раннее время. Нить на время регистрации полупрозрачна, не имеет четко выраженной структуры керна, но на границе керна четко видно проявление фазового контраста [20, 40, 41, 89, 97], что свидетельствует о том, что размер источника излучения значительно меньше определенного по границе тени. Расчетный размер источника излучения с учетом волновых факторов излучения [41] равен всего 1.2 микрона.
Таким образом, можно сделать вывод, что с помощью Х-пинчей в цепи обратного тока можно получить рентгеновское теневое изображение с очень высоким пространственным разрешением.
Полученные результаты продвинули физику схлопывания цилиндрических сборок далеко вперед. Подробно результаты исследований физики цилиндрических сборок приведены в ГЛАВЕ 6 и работах [18, 121, 155, 156, 262]. В последующих экспериментах метод проекционной рентгенографии использовался также для исследования взрыва низкоплотных пенных нагрузок [209].
После успешных экспериментов в Императорском Колледже на установке MAGPIE в Корнельском университете был специально сконструирован и построен сильноточный генератор COBRA для исследования динамики цилиндрических проволочных сборок, а также Х-пинчей при токах мегаамперного уровня. Подробное описание генератора COBRA приведено в ссылках [6, 157]. Сильноточный генератор COBRA имеет переменный фронт нарастания тока от 90 до 200 не при токах 1.2 - 0.8 МА, что позволяет также подробно исследовать роль производной тока на динамику X пинчей. Описание диагностической системы, используемой на установке COBRA, приведено в работе [112] и в ГЛАВЕ 2.
Большинство экспериментов по рентгенографии на установке COBRA были выполнены с двумя Х-пинчами в цепи обратного тока, расположенными, как показано на рисунке 3.2.8, НА расстоянии 43 мм от центра диода.
Х-пинчи были расположены так, чтобы получать изображение одних и тех же проволочек нагрузки под углом 120 градусов. На рисунке 3.2.9 показано относительное расположение нагрузки, Х-пинчей, и соответствующих им кассет с рентгеновской пленкой. Диодный промежуток Х-пинчей был равен 10 мм. Ток через Х-пинчи измерялся поясами Роговского и изменялся от 100
Относительное расположение в диоде Х-пинчей и регистрирующей системы; А - земляной электрод, С, D - Х-пинчи, В - пленки, Е, F - рентгеновское излучение ГТ двух Х-пинчей. Из рисунка 3.2.9 видно, что излучение от Х-пинчей проходит через периферию центральной нагрузки, тогда как излучение сборки идет из центральной области диода и не попадает на пленки, регистрирующие рентгенограммы.
Производная тока на установке COBRA достигает 15-25 кА/нс, что позволяет Х-пинчам в цепи обратного тока примерно в 70% импульсов излучать только одну вспышку мягкого рентгеновского излучения. Для исследования работы X пинчей в цепи обратного тока проводились специальные эксперименты по их изучению, в которых метод проекционной рентгенографии применялся к каждому из Х-пинчей. Каждый Х-пинч являлся источником излучения для другого Х-пинча, помещенного в цепь обратного тока. Этот метод широко применялся при двух параллельных Х-пинчах в диоде (см. ГЛАВУ 3.1). Притом что к началу экспериментов на генераторе COBRA, Х-пинчи в цепи обратного тока успешно применялись для рентгенографии проволочных сборок и единичных проволочек на нескольких установках [18, 155, 156, 200, 201 210, 211] экспериментов по исследованию параметров самих Х-пинчей не проводилось. Ниже мы дадим краткое описание результатов данных экспериментов, схема которых представлена на рисунке 3. 2. 10. Поскольку плазменный объект обычно не имеет деталей с четкими границами, то, для оценки пространственного разрешения получаемого изображения, поперек входного отверстия кассет натягивалась тонкая проволочка.
При хорошем качестве источника излучении изображение проволочки имеет четкие границы и можно по границе тени определить пространственное разрешение, с которым было получено изображение проволочки как в излучении обоих Х-пинчей. При этом следует иметь в виду, что изображения самого Х-пинча и проволочки получались с разным увеличением, так как они находились на разном расстоянии от источника излучения.
Рентгенограмма Х-пинча из 4-х Мо проволочек толщиной 25 микрон, полученная в излучении идентичного Х-пинча в цепи обратного тока установки COBRA; изображения проволочки, зарегистрированные в излучении изображенного Х-пинча (2) и источника излучения (1).
Чтобы уменьшить дифракционный предел разрешения [3] изображаемый объект следует помещать как можно ближе к Х-пинчу. На рисунке 3.2.11 приведено изображение одного из двух 4-х проволочных Х-пинчей из Мо проволочек, полученное с увеличением в 6,7 раз, а также изображение проволочки с увеличением в 8 раз от изображаемого Х-пинча и в 5,5 раз от источника излучения. Из рисунка видно, что изображение тест-объекта (проволочка диаметром 50 микрон) получено от двух пинчей, но изображаемый Х-пинч образовал две близко расположенных горячих точки и соответственно дал две вспышки излучения. Из увеличенного фрагмента - 2 рисунка 3.2.11 видно, что расстояние между горячими точками в осевом направлении равно примерно 10 мкм, что вполне допустимо при изображении больших объектов, таких как проволочные сборки, с не очень большим увеличением. Из фрагмента - 1 видно, что второй Х-пинч имеет идеально одноточечную структуру и обеспечивает разрешение 3 мкм, что в данном примере соответствует дифракционному пределу, поэтому размер источника излучения может быть значительно меньше. Размер источника излучения оценивался по границе теневого изображения. На фрагменте - 1 видна также структура керна Мо проволочки. Таким образом, было показано, что Х-пинчи, помещенные в цепь обратного тока установки COBRA, также образуют горячие точки микронного размера.
Схема эксперимента, приведенная на рисунке 3.2.10, позволяла получать изображения с высоким пространственным разрешением одновременно центральной нагрузки генератора, каждого их Х-пинчей, а также любых других объектов. На рисунке 3.2.12, например, приведено изображение Х-пинча сразу после обрыва перетяжки (время меньше предела разрешения ФПД и приведено приблизительно), а также тестового биологического объекта. Пример изображения центральной нагрузки показан на рисунке 3.2.13, где приведены два рентгеновских теневых изображения 8-проволочного вольфрамового Х-пинча с диаметром проволочек 75 микрон, расположенного в центральном диоде. Оба изображения получены с увеличением 6.5 в излучении Мо Х-пинчей из 4-х проволочек диаметрами 12.7 и 20 микрон. Две перекрещенные проволочки дают информацию о структуре источников излучения Х-пинчей и пространственном разрешении. Все рентгенограммы в данных экспериментах изображения были получены через Ті фильтр толщиной 12.5 мкм.
Два изображения Х-пинча, приведенные на рисунке 3.2.13, были первыми рентгенограммами центральной нагрузки на установке COBRA. Из рисунка видно, во-первых, что рентгенограммы получены от единичных ГТ с высоким пространственным разрешением. Во-вторых, впервые было получено изображение начальная стадия формирования минидиода в месте перекрестия проволочек Х-пинча. В экспериментах на установке ХР рентгенограммы столь ранней стадии формирования Х-пинчей в цепи обратного тока зарегистрировать не удавалось.
