Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1 Основные стадии разряда 6
1,2. Приемники инфракрасного излучения 8
1.3. Диагностика инфракрасного излучения .... 19
1.4. Фазовые и амплитудные изменения электромагнитного излучения при
прохождении через плазму . . 24
1.5. Характеристики интерферометрической 'методики 26
1.6. Визуализация интерферограмм с помощью эффекта ап-конверсии 30
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 35
2.1. Описание установки "Плазменный фокус" 35
2.2. Приемники инфракрасного излучения 37
2,3. Оптическая система для исследования плазменных шумов .43
2.3. Измерительная аппаратура 50
2.5. Оптическая схема временной интерферометрии . 51
2.6. Регистрирующая аппаратура 55
2.7. Оптическая схема интерферометра
с визуализацией на "ап-конверторе" 57
ГЛАВА 3. ИНТЕРФЕРШЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДИКИ НА ОСНОВЕ С02-ЛАЭЕРА 64
3.1. Временная методика 64
3.2. Интерферометр с "ап-конвертором" 66
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 68
4.1. Экспериментальные данные по инфракрасному излучению 68
4.2. Методика расчета ИК сигнала 71
ГЛАВА 5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 83
5.1. Инфракрасное излучение плазменного фокуса 83
5.2. Плазменные механизмы генерации
электромагнитного излучения в
плазменном фокусе 91
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
ЛИТЕРАТУРА 104
- Основные стадии разряда
- Описание установки "Плазменный фокус"
- Интерферометр с "ап-конвертором"
- Экспериментальные данные по инфракрасному излучению
- Инфракрасное излучение плазменного фокуса
Введение к работе
Исследования плотной нестационарной плазмы в инфракрасном (ЙК) диапазоне электромагнитного излучения являются весьма важным способом получения информации о ее свойствах. Такие диагностические методы, как изучение коэффициента поглощения, интерферометрия (кадровая и со щелевой разверткой), исследование собственного излучения плазмы позволяют измерять температуру, пространственно-временное распределение плотности, выяснять механизмы турбулентности плазмы с количественной интерпретацией.
В течение более двух десятилетий за рубежом и в СССР большое внимание уделяется исследованиям по быстропротекающему импульсному разряду, называемому плазменным фокусом (ПФ). ПФ /I/ представляет собой нестационарный высокотемпературный плотный плазменный сгусток, образующийся в мощном сильноточном газовом разряде при кумуляции нецилиндрической токовой оболочки на оси разрядной камеры вследствие пинч-эффекта.
Как отмечалось в ряде работ, посвященных использованию ПФ в качестве нейтронного источника /2, 3, 4/, эта установка обладает рекордными параметрами (абсолютный нейтронный выход до 1Сг2 н/имп. (cf-oO, количество нейтронов на джоуль запасенной в батарее энергии 2»10 и т.д.). Однако, несмотря на эти достоинства, в исследованиях последних лет выявился ряд недостатков ПФ, влияние которых на масштабную закономерность нейтронного выхода особенно резко возрастает при переходе к установкам большого размера с большим энергозапасом. В частности, при увеличении энергии (а, следовательно, и тока) падает электрическая прочность поверхности изолятора и остаточной плазмы, заполняющей пространство между анодом и катодом после пинчевания. Следовательно, в момент максимума тока значительная его часть может протекать по разреженной плазме вне пинча и не давать полезного вклада.
Именно для измерения плотности остаточной плазмы необходима интерферометрия в средней ИК области (например, /\ = 10,6 - генерация COg-лазера), т.к. в видимом диапазоне измерение таких плотностей представляет собой очень сложную задачу.
При наличии информации о плотности плазмы, исследование поглощения излучения Ж-лазера позволяет определить ее температуру» При этом в ИК диапазоне чувствительность метода существенно выше, чем в видимом.
Исследование собственного электромагнитного излучения плазмы является одним из основных методов диагностики плазмы в различных спектральных диапазонах. Плазма является источником электромагнитных излучений различной природы: тормозное, магнито-тормозное, линейчатое и рекомбинапионное. Широко известны спектроскопические методы определения электронной и ионной температуры, электронной и ионной плотностей, /5, 6/. Хорошо развиты методы диагностики рентгеновской, ультрафиолетовой, видимой, СЕЧ областей спектра, для которых имеется стандартная аппаратура. Исследований в инфракрасном диапазоне (1-1000 мкм) значительно меньше, это связано с отсутствием надежной и доступной измерительной аппаратуры, обдадащей достаточной чувствительностью в сочетании с достаточно высоким пространственным и временным разрешением.
В ИК области спектра излучение водородной плазмы обусловлено в основном свободно-свободными переходами, т.е. тормозным излучением. Вкладом радиационной рекомбинации и молекулярных переходов в плазме с достаточно высокой температурой можно пренебречь. Спектральный анализ ИК излучения позволяет определить как температуру и плотность электронов /5/, так и уровень и спектр надтепловых шумов турбулентной плазмы.
В связи с последним наибольший интерес представляет исследование тормозного излучения плазмы около плазменной частоты плотностью приходятся на ИК диапазон.
Исследование излучения вблизи дает возможность судить о степени возбуждения коллективных процессов и их влияние на динамику плазмы. Хорошо известно, /7, 8/, что если в плазме происходят коллективные процессы, то интенсивность ее излучения при Н еи Z°j°e может значительно превышать тепловой уровень. Основной вклад в излучение в этом случае вносят процессы раскачки продольных ленгмюровских колебаний и их трансформация в поперечные электромагнитные волны в области перепадов плотности или при слиянии двух продольных колебаний с увеличением частоты.
Наибольшую сложность при разработке указанных методик и их применении на плазменном фокусе вызывают следующие обстоятельства:
1) Необходимость высокого временного разрешения ( - 1 не) приемников в сочетании с высокой чувствительностью.
2) Визуализация двумерных изображений, получаемых в ИК диапазоне, при высоком временном и пространственном разрешении и относительно низком уровне мощности просвечивающего лазерного пучка.
Основные стадии разряда
Плазменный фокус был открыт почти одновременно Филипповым /9/ (плоская геометрия электродов) и Мейзером /10/ (коаксиальная геометрия электродов).
Весь процесс разряда, приводящий к формированию ЛФ, можно разделить на 3 основные стадии по характеру протекающих явлений: начальная, средняя и конечная.
Начальная стадия включает в себя процессы пробоя газа между электродами при подаче напряжения и формирования плазменной токовой оболочки около изолятора. Как показано в работах /II, 12/, экспоненциальная зависимость скорости ионизации от величины внешнего электрического поля приводит к сильному скинированию тока при слабом скинировании поля. В результате вблизи изолятора образуется тонкая плазменная оболочка, по которой протекает практически весь разрядный ток.
Средняя стадия /13/.
По мере протекания тока увеличивается магнитное поле, В s — -—, и, следовательно, магнитное давление. Когда магнит В г Т ное давление превысит газодинамическое,-—- 2-naic(t начинается движение токовой оболочки. Электродинамическая сила - г/ Я действует непосредственно на электроны, которые переносят ток. Это давление передается ионам радиальным электрическим полем, возникающим от небольшого сдвига электронов относительно ионов, а затем нейтральному газу посредством столкновений. Когда число движущихся ионов становится достаточно большим, плазменная оболочка оказывается непрозрачной для нейтральных частиц и в даль - 7 нейшем происходит более или менее полное сгребание нейтрального газа токовой оболочкой при ее движении. Этот процесс хорошо описывается теоретической моделью "снежного плуга" /14/, в которой оболочка играет роль движущегося поршня.
Токовая оболочка состоит из трех участков (рис.1): первый, цилиндрический, движется по радиусу от изолятора в сторону внешнего электрода; второй, полутороидальный, движется вверх; третий, криволинейный, сжимается вдоль поверхности внутреннего электрода (анода) к оси камеры. Поскольку величина магнитного давления обратно пропорциональна квадрату расстояния от оси / аг// , то скорость сжатия третьего участка быстро возрастает по мере приближения оболочки к оси камеры. Когда скорость сжатия превышает скорость звука в газе, образуется сильная ударная волна. Вследствие кривизны оболочки происходит интенсивное вытеснение сгребаемого газа в направлении оси системы и формируется осевая плазменная струя. Выброс массы позволяет ускорить небольшое количество оставшегося газа до скоростей L = = (2 4 4).107 см/с. На стадии двоения происходит преобразова-ние энергии, запасенной в конденсаторной батарее, в кинетическую и тепловую энергию плазмы и в магнитную энергию протекающего тока. Структура токовой оболочки детально изучалась в работах /15, 16/.
Описание установки "Плазменный фокус
Экспериментальные результаты по исследованию электромагнитного излучения ИК диапазона плазменного фокуса были получены на установке "Флора" в Физическом институте АН СССР им.Н.Н.Лебедева. Установка плазменный фокус включает в себя разрядную камеру, вакуумный разрядник, систему откачки, систему напуска и контроля за составом газа, конденсаторную батарею, высоковольтный выпрямитель, схему поджига и диагностический комплекс. На рис.4 приведено схематическое изображение разрядной камеры, основными элементами которой являются анод, изолятор, лайнер и вакуумный корпус.
Корпус с диаметром 720 мм и высотой 220 мм сделан из нержавеющей стали толщиной 3 мм. Лайнер, установленный внутри камеры, выполняет роль катода и ограничивает движение плазменной оболочки. Лайнер выполнен из нержавеющей стали толщиной 1,5 мм, на его боковой поверхности для диагностики плазмы предусмотрены 10 отверстий диаметром 40 мм. Анод, выполненный в виде медного диска диаметром 474 мм, изолирован от катода фарфоровым цилиндрическим изолятором высотой 120 мм. Рабочий объем камеры 5 «Кг см3, рабочее давление 0,3 торр. 2 - g с различными малыми добавками (/ , и др.). Тороидальный вакуумный разрядник смонтирован непосредственно под разрядной камерой, корпус разрядника служит одним из электродов и соединен с анодом медными шинами и шпильками. Конденсаторная батарея состоит из 48 конденсаторов Ш-50-3 с емкостью по 3 мкф каждый. Общая емкость батареи С = 144 мкф, полная индуктивность 6 нГн, запасенная энергия 52 кДж (при напряжении 27 кВ).
Интерферометр с "ап-конвертором"
Минимальная плотность плазмы, которую можно определить с помощью методики, описанной в 2.7, была оценена так же, как для временной интерферометрии (см. 3.1). Однако, за счет того, что при настройке интерферометра на "нулевые" полосы надежное измерение сдвига менее чем на одну полосу представляет определенные трудности, S Уе становится на два порядка больше. Существует также ограничение на измеряемую плотность сверху, связанное с небольшим пространственным разрешением "ап-конвертора" (8-Ю линий на миллиметр). Т.е., если в какой-то области плазмы интеграл S е. будет меняться сильнее чем 0,5» 10 сммм см, то полосы на интерферограмме смажутся.
Если применять настройку интерферометра на конечную ширину полос, то, полагая возможным различать 0,1 долю интерференционной полосы, можно повысить точность методики до = ІСг см 3/ш. Однако, как отмечалось выше, такая настройка связана со значительными трудностями в юстировке.
Экспериментальные данные по инфракрасному излучению
Инфракрасное излучение ЇЇФ исследовалось в следующем режиме: начальное давление водорода или дейтерия PQ = 0,3 + І торр, начальное напряжение Uo « 24 27 кВ.
На рис.17 приведены типичные осциллограммы ИК излучения, полученные с помощью фотосопротивления (3-е: (риса и б) на осциллографе C7-IQA и фотосопротивления &е\4с (рис.в) на осциллографе CI-26. Длительности разверток и времена задержки пуска осциллографа указаны рядом с соответствующими осциллограммами.
Через 1,5 2 мксек (рис. 17а) после начала разряда на экране осциллографа наблюдается относительно слабый сигнал, существующий без особых изменений в течение 2-2,5 мксек. На 5-й микросекунде наблюдаются два коротких импульса значительно большей интенсивности, за которыми через промежуток времени 0,5 1 мксек следует третий, более продолжительный импульс ИК излучения.
Более подробная структура первых двух импульсов видна на рис.176. Их полуширина составляет 70 80 нсек и интервал между ними - II0+I40 нсек. Амплитуда второго импульса меньше амплитуды первого импульса в несколько раз. Из рис.ІТв, на котором нижний луч представляет собой сигнал производной разрядного тока, видно, что момент появления импульсов Ж излучения соответствует моменту особенности на производной тока.
На рис.18 приведены формы импульсов ИК излучения в различных участках исследуемого спектрального диапазона.
Инфракрасное излучение плазменного фокуса
ИК излучение ПФ может быть вызвано несколькими механизмами: тормозным, рекомбинационншл, магнитотормозным и нетепловым. Из сравнения коэффициентов тормозного и рекомбинационного излучений можно увидеть преобладание первого для Т -Ю3 эБ при Юмкм. При TOKeJ/ ІСг А может возникнуть циклотронное излучение, гармоники которого могли бы попасть в наш диапазон частот ( j9e 1Сг3 сек"1) при размерах плазменного шнура I мм. Однако, как показано /53/ вследствие скинирования магнитного поля мощность магнитотормозного излучения отдельной частицы достигает больших значений лишь на поверхности плазменного шнура, где плотность частиц мала. Кроме того, из интерферометрии известно, что диаметр пинча в нашем случае больше I см. Поэтому магнитотормозным излучением можно пренебречь по сравнению с тормозным. Нетепловое излучение может оказаться существенным вблизи %, и ее гармоник.
Спектральная плотность интенсивности излучения (в единичном интервале частот и телесного угла) J определяется уравнением переноса лучистой энергии /5, 7/
Коэффициенты испускания л и поглощения vt-c jсвязаны между со бой при максвелловском распределении электронов по скоростям за коном Кирхгофа:где CL - толщина слоя плазмы. Если плазма оптически толстая, т.е. плазма излучает как черное тело. В случае оптически тонкой плазмы, JV CA- / . J Jiujc/x , т.е. определяется коэф-фициентом испускания.
Как видно из (I.I), коэффициент испускания, а следовательно, и спектральная плотность интенсивности тормозного излучения оптически тонкой плазмы на единичный интервал частот от частоты не зависит. Поскольку Л оО -с А Л интенсивности на единичный интервал длин волн в этом случае J. и . Для оптически толстой плазмы Jcu Z и С А .
Параметры ПФ меняются за время существования пинча в довольно широких пределах. Принимая /{/ ? «IO18 см""3, / - 500 эВ, \ = 0,5 см, получаем по формуле (3.1. гл.2), что коэффициент поглощения -0,5 см""1 при = 10 мкм. Оптическая толщина су Я1= 0,25, т.е. водородную плазму с некоторой степенью точности можно считать оптически тонкой.
