Экспериментальные исследования зоны кумуляции плазмофокусного разряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"

г: з ОД

На правах рукописи

ФИЛИППОВ Анатолий Николаевич

УДК 621.039+533.9

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗОНЫ КУМУЛЯЦИИ ПЛАЗМОФОКУСНОГО РАЗРЯДА

Специальность: 01.04.08 - Физика и химия плазмы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Москва - 1998

Работа выполнена в Институте ядерного синтеза Российского Научного Центра "Курчатовский институт"

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Михайлин В.В.

кандидат физико-математических наук Крауз В.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Базылев В.А.

доктор физико-математических наук, профессор Шиканов A.C.

Ведущая организация: НИЦ ТИВ ОИВТ РАН

(Объединенный институт высоких температур)

Защита состоится "_"_ 1998 г. в_часов

на заседании специализированного совета Д-034.04.01 РНЦ "Курчатовский институт".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский институт".

Автореферат разослан "_"__ 1998 г.

Ученый секретарь

Специализированного совета л

Кандидат физ.-мат. наук ^/f, ¿Э&^с//' * Л.И.Елизаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.Актуальность темы исследований.

Исследования Z-шшчeвыx систем ведутся с первых дней работ по УТС и до настоящего времени интерес к ним сохраняется как к простейшему способу получения высокотемпературной плазмы с током, в многообразии свойств которой таятся практически неисчерпаемые возможности для исследования фундаментальных законов физики плазмы и многочисленные возможности их практического использования /1,2/.

В середине 70-х годов в связи с развитием техники РЭП возникло новое направление сверхбыстрых пинчей, развиваемое по программам инерционного УТС и разработки мощных источников жесткого рентгеновского излучения (ЖРИ). В последнее время эти же установки стали использоваться как мощные источники МРИ для обжатия термоядерных мишеней /3/.

Практически подобные же задачи, но в существенно более простом варианте, могут решаться с использованием сильноточных разрядов типа Плазменный фокус (ПФ). Например, среди существующих методов генерации ЖРИ наряду с системами типа РЭП, достаточно часто используются плазменные сильноточные системы типа ПФ, которые в определенных режимах работы также являются мощными источниками тормозного РИ. Если в РЭП-овских системах характеристики рентгеновского потока задаются внешними устройствами (ускоряющим напряжением, материалом анода и др.), то в ПФ-снстемах, например, спектр излучения определяется сложной совокупностью факторов, определяющихся как условиями генерации ЭП в плазме пинча , так и условиями торможения ЭП на аноде.

Преимущество ПФ-систем в сравнении с вакуумными диодами для генерации РИ, кроме относительной простоты уста-

новок, состоит в отсутствии проблемы мишени, что позволяет работать с частотой повторения ~ 10-2с-1 . В ПФ-системах генерируются ЭП с существенно более низкими энергиями электронов, дающими относительно более "мягкий спектр " генерируемого РИ. Последнее является важной характеристикой РИ, необходимой при использовании его, например, для испытания элементов радиоаппаратуры на радиационную стойкость. Решение задачи увеличения выхода РИ в системах типа ПФ предполагает необходимость исследования условий и режимов генерации ЭП с целью создания адекватной физической картины процессов в плазме пинча и в зоне контакта (ЗК) пинча с анодом.

Актуальность изучения процессов в зоне кумуляции плазменной оболочки и контрагирования тока обусловлена, в частности, также тем, что выходные (излучательные) характеристики ПФ существенным образом зависят от формы токово-плазменной оболочки (ТПО), типа кумуляции, от величины тока и скорости его нарастания и т.д.

Проблемы, возникающие при исследовании этой фазы разряда, во многом связаны с экстремальными параметрами плазмы, образующейся в зоне кумуляции ПФ - плотность ~ 1019см~3, температура ~ 1кэВ, характерное время ~ 1нс. Исследования динамики ТПО ранее проводились, в основном, в оптическом диапазоне излучения, в то время как очевидно, что для указанных параметров плазмы наиболее информативным является мягкое рентгеновское излучение (МРИ). В связи с этим возникает задача создания новой диагностической аппаратуры, обеспечивающей:

- необходимое пространственное Ю-1 см) и временное

1нс) разрешение;

- регистрацию и построение изображения ПФ в рентгеновском диапазоне спектра излучения (МРИ и ЖРИ);

- работоспособность аппаратуры в условиях высокого уровня электромагнитных помех и потоков рентгеновского излучения.

Импульсные давления, возникающие в ЗК и достигающие величины Мегабарного диапазона, приводят к откольным разрушениям материала анода /4/. Наблюдавшееся ранее явление тыльных отколов может быть использовано, в частности, для генерации микрометеоритного дождя. Скорость осколков должна зависеть от толщины материала анода. При исследовании этого процесса был обнаружен эффект, названный "тонким отколом тонких анодов" /5/. Созданная теоретическая модель явления представляла собой новую гипотезу, требовавшую экспериментального подтверждения, но из-за отсутствия необходимой аппаратуры оставалась непроверенной более двух десятилетий.

Не менее дискуссионным является вопрос о времени жизни высокотемпературной области плазмы в зоне кумуляции ПФ - разряда. Сложность явления нецилиндрической кумуляции ТПО, требующего, с одной стороны, для своего описания сложных двух-трех-мерных магнито- гидродинамических расчетов, с другой - высокого уровня диагностических методик, обеспечивающих необходимое пространственно-временное разрешение в области МРИ, привело к массе моделей, предназначенных для объяснения аномально высокого времени существования зоны компрессии пинча в конечной стадии сжатия ПФ -разряда, но вопрос остается открытым до настоящего времени.

Необходимость всесторонних исследований физических процессов в зоне кумуляции ПФ - разряда и построение моделей, описывающих явления в зоне контакта пинча с анодом и определили тему диссертационной работы и ее цели.

2.Целью настоящих исследований являлось:

Разработка и создание методики скоростной рентгеновской хронографии для исследования динамики излучающих областей сильноточного газового разряда типа ПФ, адаптированной к условиям работы при давлениях газа ~ 0.5 3 Тор, импульсным нагрузкам, связанным с ударами разлетающейся ТПО о стенки камеры и диагностические окна, в условиях мощных электромагнитных помех и потоков радиации.

Экспериментальное исследование приэлектродных процессов, определяемых динамикой ПФ-разряда во время генерации жесткого рентгеновского излучения, и выбор модели, описывающей процессы в зоне контакта пинчевого тока с материалом анода.

Совместный анализ полученных ранее данных по измерению спектральных характеристик ЖРИ и их временной эволюции с динамическими явлениями в ЗК и процессами, приводящими к откольным разрушением материала анода.

Исследование объемного рентгеновского излучения зоны кумуляции шшча методами скоростной рентгеновской хронографии в кэВ -ном диапазоне энергии квантов.

Исследование характеристик преобразователей рентгеновского излучения в видимый свет на основе тонких кристаллических пленок Csl при облучении синхротронным излучением накопителя "SUPER ACO" ( исследование люминесценции, фотоэмиссии и десорбции микрокристаллических слоев Csl).

3.Научная новизна и практическая ценность. Основные результаты работы имеют приоритетный характер и впервые получены на импульсных плазменных установках ПФ, являющихся уникальными как по своей конструкции (ИСПФ, ПФ-З), так и по энергетике (ПФ-З), с применением новейшей аппаратуры и разработанных на ее основе диагностических методов.

Полученные в работе результаты относятся к физике импульсных сильноточных разрядов и имеют важное значение

для построения физических моделей процессов и решения прикладных задач. Так данные о динамике токово-плазменной оболочки ПФ- разряда в зоне контакта с анодом оказали существенный вклад в развитие оригинальной модели ускорения заряженных частиц и позволили дать новые трактовки и существенно дополнить имевшиеся представления о целом ряде раннее наблюдавшихся экспериментальных явлений (явление "откола", ряд специфических черт спектра жесткого рентгеновского излучения и др.).

Исследование динамики мягкого рентгеновского излучения позволило внести существенный вклад в разработку одного из ключевых вопросов - времени жизни ПФ- образования.

Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности их использования при создании мощных источников рентгеновского излучения и пучков заряженных частиц на базе ПФ-систем.

Созданный диагностический комплекс и полученные результаты по исследованию сцинтилляторов имеют важное значение для диагностики ионизирующих излучений и исследований в области физики быстропротекающих процессов. 4.Основные положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся:

1. Методика скоростной рентгеновской хронографии для исследования процессов в зоне кумуляции плазмофокусного разряда, сопровождающихся излучением как жесткого 30 4- 50 кэВ) рентгеновского излучения из зоны контакта пинча с анодом, так и объёмного мягкого РИ с энергией квантов ~ 1 кэВ.

2. Результаты исследования приэлектродных процессов в зоне контакта (ЗК) ПФ- разряда с материалом анода:

• вывод о радиальном расширении зоны контакта ТПО с анодом с фазовой скоростью 108 см/с), более чем на порядок величины превышающей гидродинамическую скорость разлета паров материала анода;

• экспериментальная зависимость скорости расширения ЗК и ее размеров от интегрального выхода рентгеновского излучения.

3. Модель физических процессов в ЗК, основанная на предположении о демпфировании прерывания тока в переходной зоне плазма-пар-металл за счет саморегулируемого обтекания током области с пониженной проводимостью при расширении зоны контакта.

4. Результаты исследования динамики объемного источника мягкого рентгеновского излучения, образующегося в пинче при кумуляции тока на оси камеры. Вывод об определяющей роли в интегральном времени "жизни" 100 не) пинчевого образования фазовых процессов, при которых суммарная длительность рентгеновского излучения есть следствие фазового перемещения области, излучающей интенсивный поток МРИ, вдоль оси системы - "эффект ножниц".

5. Методика и результаты исследования характеристик преобразователей рентгеновского излучения в видимый свет на основе тонких кристаллических пленок Csl при облучении синхротронным излучением накопителя "SUPER ACO" (исследование люминесценции, фотоэмиссии и десорбции микрокристаллических слоев Csl).

6. Обоснование возможностей использования разработанных методик для наблюдения ионных пучков тяжелых многозарядных ионов с получением изображения зон генерации.

5.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Основные выводы приводятся в конце каждой главы и в Заключении. Работа изложена на 93 страницах и содержит 26 рисунков.

6.Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 5 печатных работах, 1 препринте и 1 отчете. Их список приведен в конце автореферата.

Основные результаты диссертационной работы доклады-

вались на международных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, конференциям по ионизационным явлениям в плазме, на международном Совещании по Z-пинчам и Плазменному фокусу, на Звенигородской конференции-97, на семинарах Института ядерного синтеза РНЦ "Курчатовский институт" и на семинарах по быстрым процессам ЛБП ИЯС. Работы, вошедшие в диссертационную, дважды отмечались грамотами на конкурсе молодых научных сотрудников и инженеров-исследователей Центра.

Результаты работ по исследованию люминесценции, фотоэмиссии и десорбции тонких кристаллических пленок Csl под действием синхротронного (ВУФ и РИ) излучения обсуждались на семинаре LURE (университет Орсэ, Франция).

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении после краткого исторического обзора и описания основных особенностей ПФ-систем, рассматривается круг вопросов, в связи с которыми возникла необходимость детального изучения процессов в зоне кумуляции ПФ-разряда.

В первой главе рассмотрены основные фазы ПФ- разряда и особенности физических процессов в зоне кумуляции.

В разделе 1.1 описывается устройство установки ИСПФ, на которой выполнены исследования динамики излучающей области в ЗК (приэлектродное свечение). Установка "ИСПФ" (испытательный стенд ПФ-разряда), представляет собой малоиндуктивный конденсаторный накопитель (Со = 576 мкФ, Uо < 20 кВ), нагруженный через кольцевой вакуумный включатель на разрядную камеру с плоской геометрией электродов (типа Филиппова) /1,2/. В разрядную камеру, корпус и дно которой служат катодом, введен анод, конструктивно выполненный в виде медного диска диаметром 66 см с заменяемой центральной частью (анодная вставка). Внутри камеры анод

крепится с помощью цилиндрического фарфорового изолятора. Все электротехнические элементы установки выбраны так, чтобы согласовать время движения ТПО с Т/4 ЪС-контура. В этих условиях кумуляция разряда на оси происходит при токе, близком к максимальному. Установка работает при токах до 1.2МА н Т/4 = 7 -г 8 мкс. Камера вакуумируется до давлений порядка 10~5 Тор и наполняется аргоном при давлении ~ 30 Па. Диапазон напряжений на батарее составлял 11 14кВ, что соответствует 35-г 55 кДж. В ходе наработки экспериментальных данных в качестве материала анодной вставки использовались в основном медь и тантал, однако, для части экспериментов - железо и алюминий.

В 1.2 рассматривается набор имеющихся стандартных диагностических методик, обычно применяющихся при работе на ПФ-установках /6-8/ - пояс Роговского, магнитные зонды, камеры обскуры, : рековые детекторы, коаксиальный фотоэлемент с люминофором, ТОГ-методика в сочетании магнитным полем.

Часть 1.3 содержит описание последовательных фаз разряда типа ПФ с характерными временными масштабами, режимы работы установок и связанные с ними типы кумуляции ТПО на оси камеры.

Здесь же обосновывается необходимость разработки новых диагностических методик с применением новейшей современной электронно-оптической аппаратуры с высоким временным разрешением, не применявшейся раннее в подобных исследованиях. Последовательность фаз такова:

Первая фаза - пробой газоразрядного промежутка вдоль изолятора и формирование азимутально-симметричной ТПО.

Вторая фаза - радиальное движение ТПО. Эта фаза разряда в зависимости от радиуса кривизны ТПО определяет тип (режим) разряда.

Третья фаза - кумуляция ТПО на оси камеры в ограниченной по высоте области межэлектродного зазора камеры и обра-

зование зоны компрессии плазмы вблизи поверхности анода. В зависимости от режима разряда, т.е. организации второй и третьей фаз, может реализоваться или т.н. МГД-режим сжатия с образованием плотного пинча ("нейтронный" режим) или режим скольжения ТПО по аноду (низкая ТПО), характеризующийся сжатием тока без соответствующего сжатия плазмы - "рентгеновский" режим ПФ. В последнем случае удается получать условия, при которых полный ток разряда переносится пучком ускоренных электронов. В таких режимах практически все излучение является приэлектродным (тормозным) изучением (режим ЖРИ), а объемным излучением (МРИ) пинча практически можно пренебречь /9/.

Четвертая фаза - развитие неустойчивостей в пинчевом образовании, приводящих к сверхбыстрому разрыву тока за счет включения омического сопротивления, обусловленного плазменными макро-микро- неустойчивостями (турбулентностью). Происходит перераспределение тока в камере - шунтирующие пробои вблизи изолятора или в объеме камеры вне области зоны кумуляции и пинч разрушается.

Временной масштаб первой и второй фаз разряда ~ 3 х Ю-5 и ~ Ю-6 с, соответственно. Третьей - (1 т 5) х Ю-8 с и четвертой - (Ю-9 -г Ю-10) с. Физические процессы в плазме ПФ 3-ей и 4-ой фаз крайне сложны и многообразны - все возможные виды неустойчивостей плазмы с током, турбулентность, образование ионных и электронных пучков, структурные эффекты, связанные с перестройкой силовых магнитных линий тока, радиационные процессы, эмиссия нейтронов и излучение в широком диапазоне длин волн - от СВЧ до ЖРИ и т.д. К настоящему времени исследованию условии генерации ЭП, ИП, их характеристик и возможностей их использования посвящено множество экспериментальных и теоретических работ (обзоры /1,2/), но из-за многообразия возможностей, реализующихся в разной геометрии камер, из-за существования вариантов ре-

жимов, разнообразия применяемых газов, широкого диапазона уровней используемой энергетики и др., остается масса вопросов,требующих ответа.

Вторая глава посвящена описанию методики скоростной рентгеновской хронографшга ПФ-разряда на основе стандартного прибора СФЭР-6 (разработка НИИИТ) и разработанного конвертора рентгеновского излучения в оптическое, для которого предназначен хронограф, с построением изображения зоны генерации с помощью камеры-обскуры. Глава 2 состоит из трех параграфов.

В 2.1 формулируются требования к диагностической методике, описывается схема прибора СФЭР-6 и проблемы обеспечения его работоспособности в условиях установки ЙСПФ.

В 2.2 обосновывается конкретный вариант разработки методики скоростной рентгеновской хронографии для исследования динаг лки зоны контакта плазмофокусного разряда с материалом анода. Описывается конвертор для трансформации рентгеновского излучения в оптическое и камера обскура для построения изображения. Приводятся промежуточные варианты наладки методики и получение предварительных результатов по работе прибора в условиях интегрирования по световому выходу при использовании в конверторе люминофоров в виде тонких (0.3 мм) негигроскопическпх пластинок Сз1. Достоинством кристаллов Се! является короткое время разгора-ния люминесценции под действием рентгеновского излучения и большой ее световой выход. Однако, время послесвечения данного люминофора значительно превышает характерное время исследуемого процесса, по этой причине данный элемент схемы выполняет одновременно и интегрирующую роль, обеспечивая необходимое временное разрешение только на фронте процесса. По этой причине большинство последующих экспериментов проводилось с пластиковыми сцинтилляторами со свинцовой добавкой, дающих временное разрешение не хуже 5 не

с одновременным уменьшением чувствительности методики к регистрации ЖРИ.

Раздел 2.3 состоит из описания нескольких вариантов усовершенствования методики, направленных на повышение временного разрешения прибора, и обоснования выбора энергетического диапазона регистрируемого излучения.

Третья глава содержит описание экспериментальных результатов, полученных методом рентгеновской хронографии ЗК на установке ИСПФ (раздел 3.1) и результаты совместного анализа динамики области в ЗК, излучающей РИ, с результатами измерения временного хода спектров ЖРИ /10/ . Такой анализ позволил автору вернуться к обсуждавшейся раннее модели "расширяющихся кольцевых токовых зон "/5/. Модель была предложена для объяснения явления "тонких отколов тонких анодов" и проверялась только численным моделированием.

Раздел 3.1 - экспериментальные результаты по хронографии ЖРИ.

Как указывалось во Введении и в главе 1, мощным источником ЖРИ в исследуемом режиме работы ПФ является зона торможения электронного пучка в месте контакта токового пинча с материалом анода. В принятой для этих экспериментов схеме, рентгенохронография проводится через фильтр алюминия толщиной 1 мм, т.е. регистрируется только излучение с энергией квантов выше '20 кэВ.

Первичный, "затравочный" ЭП, сформировавшийся в газовой плазме пинча при кумуляции тока на оси, вызывает взрывное испарение материала анода и образует подушку пара с проводимостью на три-четыре порядка более низкой, чем плазма пинча. Создаются условия для разрыва, тока в индуктивной цепи, генерации ускоряющих электрических полей и для замещения пинчевого тока током ЭП и ИП. Обобщение совокупности полученных новой методикой экспериментальных резуль-

татов сводтся к следующему:

1. Излучение рентгена начинается с "точечной" зоны.

2. Длительность излучения ЖРИ составляет (20 -г 40) не.

3. Скорость увеличения размера источника, излучающего в жесткой рентгеновской области спектра, лежит в интервале от иг = 2 X 107 до 5 X 108 см/с. Заметим, что по данным работы /9/, скорость вертикального разлета образующихся металлических паров вг < 2 X 106 см/с, т.е. область пара может рассматриваться как практически плоское пятно (толщина Н менее 0.8 мм, диаметр -от 2.2 до 9 см, т.е. ¿¡Н ~ 102).

4. Скорость увеличения диаметра пятна растет с увеличением суммарного выхода ЖРИ.

Раздел 3.2 Дальнейший анализ результатов проводился при привлечении имеющихся на данный момент модельных представлений, исторически связанных с изучением явления откола тыльной стороны материала анода.

Это явление впервые было описано в /4/ на основе модели сферической ударной волны. На ее основе были сделаны попытки определения импульсного давления, создаваемого плазменным фокусом (или его энергосодержания). Для этой цели проводился расчет модельной плоской задачи о прохождении УВ через алюминиевую пластинку и ее отражения от свободной границы. По толщине отколовшегося слоя определялось максимальное давление, после чего оно пересчитывалось через отношение площади контакта пинча (приблизительно определяемой по размерам оставляемого им кратера) к площади.откола. При этом образование кратера ошибочно приписывалось результату взаимодействия дейтерпевого пинча (имеющего энергосодержание порядка 1023-^-1024 эВ/см3) с материалом анода. Позднее в /11/ было показано, что более правильно

связывать откольные явлення с энерговыделением при торможении мощного электронного пучка на поверхности анода. В /9/ была сделана попытка, также как ив /11/ , использовать откольные явления для диагностики ЭП, но был сделан вывод, что измерения толщины откола не могут служить методом такой диагностики из-за большого количественного несоответствия теоретического расчета с экспериментальными результатами, полученными при применении тонких (порядка или менее 1 мм) анодов. Практически отсутствовали множественные отколы, предсказанные используемой в расчете моделью процесса. В тоже время в результате экспериментов с тонкими анодами было обращено внимание на три факта:

а: площадь откола не уменьшается при уменьшении толщины анода до размера кратера, имеющего диаметр порядка (1 -т- 2) мм, что оправдало бы принятое в /11/ увеличение масштаба давлений (энергосодержания);

Ь: толщина откола (по площади отколовшейся зоны) была практически постоянной, что могло бы быть только при постоянстве величины импульса давления на единицу поверхности анода (широкий пучок).

с: на тонких анодах толщиной 0,4 мм (специальные сменные мишени, вставлявшиеся в анодное револьверное устройство) толщина откола уменьшается до величин менее 0,05 мм.

С учетом приведенных замечаний в работе /5/ в рамках модели расходящейся кольцевой зоны контакта ЭП с анодом, основанной на принципе Штеенбека для газового разряда /9/, был проведен расчет и определены диаметры отколов, соответствующие наблюдаемым на опыте. Однако других экспериментальных подтверждений верности выбранной модели до последнего времени получено не было. Сейчас молено считать

строго установленным только сам факт ,что генерация ЖРИ начинается в "точке" в момент иинчевания тока на оси, а затем границы плоского пятна расширяются со скоростью до 5х 108 см/с, которая не сопровождается движением вещества, а является фазовой скоростью. На полученных хронограммах не видно выделенного свечения узких расширяющихся колец. Однако, если предположить, что пинчевой ток протекает по периферии взорвавшегося парообразного плоского слоя материала анода и перераспределяется на новую зону по мере включения сопротивления паров, то возникают условия очень близкие к использованной модели в /5/. Образующийся на границе кольца в переходной зоне плазма-пар-металл скачок напряжения демпфируется за счет саморегулируемого обтекания области с пониженной проводимостью, что ограничивает величину самого скачка. Такая модель позволила бы связать в единую картину механизм генерации ЖРИ, объяснить постоянство спектра ЖРИ во времени и, главное, подтвердить математическую модель появления сверхтонких тыльных отколов тонких анодов.

В разделе 3.3 описываются эксперименты, проводившиеся на установке ИСПФ по наблюдению зоны генерации пучка ионов материала анода.

Ранее было показано /12/, что одновременно с электронами в тех же электрических полях зоны контакта должны ускоряться и ионы и что пучки ионов имеют разное происхождение и, соответственно, разную длительность и угловую-расходимость. В проведенных экспериментах по исследованию металлических ионов был подтвержден факт существования "широких" пучков многозарядных ионов в ПФ. В зоне контакта мно: гозарядные ионы генерируются за счет образования, с одной стороны, высоких температур , с другой - плотности и времени существования прианодной плазмы, достаточных для получения высоких степеней ионизации. Спектральные исследования

в мягкой рентгеновской области спектра показали существование молибденоподобных ионов Та^2 /13/, водородоподобного Ге^6 и др. В этих же экспериментах с помощью измерения скорости ионов по методу определения пролетного времени были найдены высокоэнергичные ионы с энергией, достигавшей несколько МэВ на единицу заряда.

В настоящей работе описываются эксперименты, которые имели своей целью получение предварительного опыта по исследованию возможности определения размеров и формы зоны ускорения ионов и их временной эволюции с помощью того же прибора СФЭР-б. Схема методики сохранялась прежней, в качестве преобразователя использовался тонкий сцинтилля-тор N£-102 (14(ш) с фильтром 2дм А1. Эффективность регистрации РИ при этом существенно понижалась, что давало возможность выделить на изображении свечение сцинтилля-тора. под действием попадающих на него частиц МэВ-ого диапазона энергий. Так на типичной светограмме, полученной с помощью описанной методики, оказывается видной расходящаяся со скоростью ~ 4 х 108 см/с зона свечения рентгеновского изображения и через 34.5 не от появления расходящегося РИ на сцинтилляторе появляется хорошо заметный яркий узкий след, который можно связать с приходом на сцинтилля-тор высокоэнергичных ионов Та, прошедших через отверстие обскуры диаметром 0.25 мм. Размер источника ИП (наиболее мощной его части), как показывает изображение, не превышает диаметра отверстия обскуры. Скорость этих ионов на пролетной базе в 35 см равна 1 х ]0!) см/с, что в предположении о регистрации ионов Та, соответствует энергии 96 МэВ. При этих же условиях "хвост" развертки свечения соответствует минимальной энергии ускоренных ионов и равна 9 МэВ, если принять что все ионы ускоряются одновременно. Эта же энергия хорошо совпадает с порогом пропускания алюминиевого фильтра, 2/ш А1, стоявшего перед сцинтиллятором

в этих экспериментах. Чтобы проверить правильность принятой интерпретации, было проведено сравнение полученных энергий ионов с результатами время-пролетного спектрометра с большой базой. Наблюдаемое соответствие энергетических распределений можно рассматривать как подтверждение принятой гипотезы, что зарегистрированный на хронограмме след вызван свечением сцинтиллятора под действием высокоэнергичных ионов материала анода. При обработке осциллограмм использовалось полученное раннее /12/ значение времени генерации ИП, равное 2 -j- 3 не.

Глава 4 содержит описание экспериментов, выполненных на установке ПФ-3, по исследованию динамики плазмы в зоне кумуляции пинча, ответственной за излучение МРИ из объема пинча. В настоящее время ПФ-3 является крупнейшей в мире плазмофокусной установкой (номинальный энергозапас 2,8 МДж), обеспечивающий получение в плазме тока более 5 МА. Реально используемый энергозапас при работе на тяжелых газах (неон, аргон) составляет ~ 1 МДж.

Начиная с 1990 г. на установке ПФ-3 проводились работы, цель которых - создание на базе плазмо-фокусного разряда мощного источника мягкого рентгеновского излучения. Проводился широкий поиск режимов работы установки и выбор рабочего газа. Оптимизировалась геометрия центральной части анода и разрабатывались методики измерения спектральных характеристик МРИ и определения интегрального выхода излучения.

Было найдено, что для создания такого источника наиболее перспективным является разряд в Ne при давлении ~ 1 Topp при условиях, что анодная вставка имеет на оси'большую коническую полость, "отрывающую" пинч от взаимодействия с поверхностью металла и одновременно стабилизирующую его по высоте.

Выход рентгеновского излучения оценивался методом испа-

ряющихся млшолей. спектральный состав - с помощью спектрографа с диспергирующим элементом слюдой и регистрацией фотоэмульсией типа К,АЯ-2490. Интегральное время существования пинча могло достигать нескольких сот наносекунд и уменьшалось с уменьшением величины используемого энергозапаса /14/. В этих экспериментах выход МРИ зависел от тока в 4-ой степени и при ?/о=14 кВ достигал нескольких десятков кДж ( до 100 кДж), что составляло до 10% от полной энергии конденсаторного накопителя. Время жизни пинча и его аномальная устойчивость связывалась со стабилизирующим действием радиационных потерь и переходом разряда в режим резистивной нагрузки. На фотографиях пинча, полученных камерой - обскурой без временного разрешения, пинч представляет из себя устойчивое образование (без ярко выраженных микроточек), общей длиной до 8 ~ 10 см, диаметром порядка 0,4 см. Ток через пинч составлял величину около 3 МА. Полное излучение МРИ из объема пинча, регистрируемое СППД с временным разрешением - 0,5 не, имеет длительность до 250нс. Вопрос о времени жизни пинча в ПФ-системах и попытки объяснить аномально большую в сравнении с пролетным временем ( менее 10нс) длительность существования имеют столь же длительную историю, как и все работы по ПФ. Двумерное МГД-моделирование процессов в ПФ, предпринятое В.С.Имшенником и В,Ф.Дьяченко для разряда в дейтерии, развитие этих расчетов и создание негидродинамической модели ПФ /15/, с кинетическим описанием ионной компоненты плазмы ПФ, лишь немного увеличили расчетное время, которое тем не менее оставалось меньше чем регистрируемое экспериментально.

В последующих работах /16/ высказывалась гипотеза, что время жизни пинча определяется временем вытекания плазмы вдоль оси системы. Уменьшение этого времени должно было бы происходить при переходе к разрядам в сильно излучающих

газах за счет явления радиационного коллапса, которое должно возникать при разрядных токах I > 1,4/£2 МА.

Раздел 4.1. Методикой, аналогичной развитой для исследования ЖРИ и процессов динамики зоны контакта пинча с анодом, были начаты исследования объемного излучения пинча на установке ПФ-3 в режимах близких к описанным в /14/, но с использованием меньшего энергозапаса (до 11о=& кВ).

Изображение пинча через отверстие 100 мкм, закрытое фильтром 10 мкм Ве, в масштабе 1:4 проектировалось на торец ленточного ориентированного световода, закрытого тонким органическим сцинтиллятором. Ось наблюдения системы была наклонена под углом 60° к оси разрядной камеры. Размер ленточного световода составлял 2 X 15 мм. Световод мог быть ориентирован вдоль или поперек изображения пинча. Противоположный конец плоского световода находился в оптическом контакте с входным окном фоторегистратора СФЭР-б. От возможного воздействия ЖРИ на стекловолокно световод защищался свинцовым экраном. Свинцовый экран использовался также для защиты всего прибора.

Раздел 4.2 посвящен описанию экспериментов с целью получения хронограмм эволюции источника МРИ при двух ори-ентациях световода. Полученные хронограммы позволяют сделать заключения об общей динамике процесса.

На типичных фотографиях временной эволюции неонового пинча в свете МРИ при ориентировке световода вдоль оси камеры - Z(t) видно , что процесс сжатия происходит неодновременно по высоте пинча, начинаясь со среднего сечения в месте наибольшей кривизны ( выпуклости) оболочки. Полная длительность свечения оказывается ~ (80 -т-120) не ( в отдельных случаях - до 200 не). При ориентировке световода поперек пинча при различных скоростях разверток хронографа - г>1, У2 с учетом геометрии, при которой поперечный размер пинча сравним с шириной щели (поперечным размером ленточного

световода), определялась длительность существования излучающей МРИ плазмы. Из совместной обработки изображений с учетом разницы в скоростях разверток и г>2 можно найти время свечения пинча (время "жизни" пинча в радиальном направлении), которое оказалось ~ (15 -т 20) не. Эти же измерения были повторены с установленной узкой щелью шириной s, (s < D, где D- диаметр пинча) и при более высоких скоростях разверток. Полученные результаты подтвердили общую схему развития процесса формирования области свечения МРИ.

В Главе 5 отдельно рассмотрены вопросы научно обоснованного выбора конвертеров рентгеновского излучения в видимый свет, для которого необходимо детальное исследование процессов люминесценции и фотоэмиссии применяемых кристаллических люминофоров и пластиковых сцинтилляторов.

Как Приложение в главе 5 описываются проведенные исследования по изучению характеристик преобразователей рентгеновского излучения в видимый свет на основе тонких (от 50 до 1300 нм) пленок кристаллического Csl при облучении их синхротронным излучением (СИ). В качестве источника последнего использовались каналы на накопителях "SuperACO" (с энергией позитпонов 800 МэВ) и "DCI" (с энергией электронов в 1.5 ГэВ) в лаборатории LURE (университет Орсэ, Франция).

Исследуемый набор образцов был изготовлен путем стандартной техники испарения конгломерата Csl с высаживанием на подложку из кремния (Si + SiOi). Температура подложки составляла 300К, скорость оседания - около 0.1 нм/сек при давлении Ю-6 Topp. Общее время высаживания предварительно вычислялось в зависимости от требуемой толщины, после чего сам процесс контролировался по изменению электрической емкости получаемого образца. После приготовления вся дальнейшая транспортировка образцов осуществлялась в атмосфере аргона.

При проведении экспериментов с использованием накопителя SuperACQобразцы помещались в экспериментальную камеру на выходе канала синхротронного излучения SA23, оборудованного монохроматором скользящего падения. Имеющаяся в наличии измерительная аппаратура позволила для указанного набора образцов провести систематические измерения для энергий возбуждающих квантов 30 - 150 эВ (ВУФ-области) кинетики и спектров свечения люминесценции в области 250300 нм (при вакууме в камере порядка 10~s Topp), а также спектров фотоэмиссии и зависимости выхода десорбции ионов цезия (при вакууме Ю-11 Topp).

Аналогичные эксперименты были проведены с использованием канала СИ на накопителе DCI, в результате которых были измерены кинетики и спектры свечения люминесценции при энергиях возбуждающих квантов около 13 кэВ.

В результате был проведен совместный анализ полученных данных с точки зрения их зависимости от толщины образцов и времени их выращивания с учетом данных по структурному анализу этого же набора образцов с помощью электронного микроскопа. Полученные результаты кроме значения для физики твердого тела имеют большое значение для научно обоснованного выбора пары фильтр - сцинтиллятор при разработке конверторов рентгеновского излучения в видимый свет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведение описанных в работе экспериментов стало возможным благодаря разработанной автором диссертации на базе прибора СФЭР-6 методики рентгеновской хронографии зоны кумуляции плазмофокусного разряда. Методика обеспечивает исследование явлений с наносекундным разрешением, но нуждается в дальнейшем усовершенствовании, в частности, в

более тщательном выборе для каждого типа измерений комбинации "фильтр-люминофор" в конверторе и повышения пространственного разрешения методики. При наблюдении осе-симметричных объектов возможно в часть изображения ввести регистрацию в комбинации с методом фильтров.

Из полученных в работе научных результатов основными являются следующие:

- Показана важнейшая роль фазовых процессов для интерпретации явлений, наблюдаемых в зоне кумуляции плаз-мофокусного разряда .

Обнаружено, что генерация ЖРИ начинается в точке в момент линчевания тока на оси, а затем границы плоского пятна расширяются со скоростью до 2 X 108 см/с, которая не сопровождается движением вещества, а является фазовой скоростью. Высказано предположение, что пинчевой ток, обеспечивающий такое быстрое "фазовое" перемещение, протекает по периферии взорвавшегося парообразного плоского слоя материала анода - прерывание тока в переходной зоне плазма-пар-металл демпфируется за счет саморегулируемого обтекания области с пониженной проводимостью за счет расширения зоны контакта. В такой модели появляется возможность связать явление расширения тока с динамикой поверхностного источника жесткого рентгеновского излучения плазмофокус-ного разряда, и тем самым связать в единую картину механизм генерации ЖРИ с полученными ранее спектральными характеристиками и явлением тыльного откола тонких анодов, предсказанным ранее в /5/ с помощью машинного эксперимента.

- получена хронограмма изображения зоны генерации ускоренных до энергий 100 МэВ многозарядных ионов тантала с энергетическим спектром, совпадающим с ранее

определенным с помощью времяпролетного метода. Измерения показывают, что поперечный размер зоны генерации ионного пучка существенно меньше 1 мм и ее положение совпадает с местом фокусировки ЭП в момент сжатия тока вблизи центра анодной вставки.

- Из результатов исследования динамики объемного излучателя МРИ можно сделать вывод, что определяющую роль в интерпретации явлений играют опять-таки фазовые процессы. Интегральное время "жизни " ( 100 не) пинчевого образования складывается из последовательного образования областей сжатия на фронте сходящейся нецилиндрической токовой оболочки. Такая длительность есть следствие фазового перемещения области, излучающей интенсивный поток МРИ, вдоль оси системы -"эффект ножниц". При этом длительность рентгеновского свечения плазмы в каждом поперечном сечении пинча составляет ~ 15 -г 20 не.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. N.V.Filippov, Anat.N.Filippov, T.I.Filippova, M.A.Karakin, V.I.Krauz, V.P.Tykshaev, V.F.Zinchenko "Dynamics of an Electron Beam and that of the Hard X-Ray Radiation in the Plasma Focus Discharge", 22nd Europ. Phys. Soc. Conf. On Contr.Fus. and Plasma Phys., Bournemouth,1995, Contrib.pap., Pt.IV,p.169-172

2. Anat. N.Filippov, J.R.Brzosko " Generation and Acceleration of Multicharged Heavy Ions in the Anode Contact Zone of the Plasma Focus" XXII Int.Conf.On Phenom. in Ion.Gases, Hoboken, 1995, Contrib.Pap., Pt.4,p. 9-10

3. Anat.N.Filippov "Plasma Focus Anode Contact Zone Chronog-raphy" , Proc. of 1995 IEEE Int.Conf.on Plasma Sci.,Madison 1995,p.174 (3G P06)

4. N.V.Filippov, A.N.Filippov, T.I.Filippova, M.A.Karakin, V.I.Krauz, A.N.Mokeev, V. V.Mialton, S.A.NiKulin, V.P.Tykshaev and

V.P.Vinogradov, Present Status of Plasma Focus Research at RRC "Kurchatov Institute", 1997 IEEE Int. Conf. on Plasma Science, San Diego, California, USA, Abstracts, p. 200, 3E02-03.

5. Н.В.Филиппов, В.П.Виноградов, М.А.Каракин, В.И.Крауз, А.Н.Мокеев, В.В.Мялтон, С.А.Никулин, В.П.Тыкшаев, А.Н. Филиппов, Т.И.Филиппова., Новое в физике Плазменного Фокуса (Обзор экспериментальных работ, выполненных в РНЦ "КИ", Тезисы докладов XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 'Звенигород, 1977, с.8.

6. Анат.Н.Филиппов, " Исследование зоны кумуляции ПФ-разряда методами скоростной рентгеновской хронографии" - Отчет РНЦ "КИ" инв.40/6982, Москва- 97 - работа на конкурс молодых ученых и инженеров исследователей РНЦ "КИ"- Третья премия.

7. А.Н.Вельский, В.В.Мпхайлпн, Анат.II.Филиппов, G.Dujardin, L.Heiner, G.Comtet, Люминесценция, фотоэмиссия и десорбция микрокристаллических слоев Csl при воздействии синхротрон-ного излучения, препринт РНЦ "Курчатовский институт" -6045/31, М-1998.

Цитированная литература

1. В.А.Бурцев, В.А.Грибков, Т.И.Филиппова " Высокотемпературные пинчевые образования", " Итоги науки и техники", Физика плазмы, т.2, ВИНИТИ, М., 1981 г., стр.81-137.

2. Н.В.Филиппов, Обзор экспериментальных работ, выполненных в ЙАЭ им. И.В.Курчатова по исследованию плазменного фокуса. Физика, плазмы, 1983, т.9, вып.1, с.24-44.

3. В.П.Смирнов, "Получение сильноточных пучков электронов" (Обзор), ПТЭ, 1977, вып. 2. 7-13

4. С.К.Годунов, Н.В.Филиппов, Т.И.Филиппова "Механические эффекты на 5лектроде при кумуляции плазмы на оси", ЖЭТФ, т.52, вып.5, 1967 г., стр.1130-1145.

5. В.А.Безбатченко, К.Г. Гуреев, Н.В.Филиппов "О происхождении отколов тонких анодов в нецилиндрическом z-пинче", письма в ЖТФ, т.1, вып.23, стр.1082-1087.

6. Н.В.Филиппов, Т.И.Филиппова, Виноградов В.П. Nucl. Fusion, Supplement (Proc. Ist Inter. Conf. Salzburg, 1961), 1962, pt 2, 577.

7. Mather J.W. Phys. Fluids, 1964, 7, 528.

8. Н.В.Филиппов, В.П.Виноградов, М.А.Каракин, В.И.Крауз,

A.Н.Мокеев, В.В.Мялтон, С.А.Никулин,

B.П.Тыкшаев, А.Н. Филиппов, Т.И.Филиппова, Новое в физике Плазменного Фокуса (Обзор экспериментальных работ, выполненных в РНЦ "КИ", Тезисы докладов XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 1977, с.8.

9. Н.В.Филиппов, С.В.Базденков, И.Ф.Беляева, В.А.Безбатченко, К.Г. Гуреев, В.С.Имшенник, Я.М.Каждаи, Л.А.Плинер, Т.И.Филиппова "Процессы вблизи границы плазма - металл в режимах со "срывом" в системах типа "плазменный фокус""., "Plasma Phisics and Controlled Nuclear Fisión Research", v.III, IAEA, Vienna, 1975, p.133-146.

10. N.V.Filippov, Anat.N.Filippov, T.I.Filippova, M.A.Karakin, V.I.Krauz, V.P.Tykshaev, V.F.Zinchenko "Dynamics of an Electron Beam and that of the Hard X-R.av Radiation in the Plasma Focus Discharge", 22nd Europ.Phys.Soc.Conf.On Contr.Fus. and Plasma Phys., Bournemouth,1995, Contrib.pap., Pt.IV,p.169-172

11. К.Г.Гуреев, В.С.Имшенник, Я.М.Каждаи, Н.И.Куранчева, Л.А.Плинер, H.B.Филиппов, Т.И.Филиппова "Расчеты тыльного откола медного анода под воздействием электронного пучка в рентгеновском режиме нецнлнндрического z- пиича", ЖЭТФ, т.52, вып.5, 1967 г., стр. 105-109.

12. Н.В.Филиппов, ЖЭТФ, вып.76. 1979г., стр.1547.

13. N.V.Filippov, E.O.Baronova, V.A.Rant.sev-Kartinov, M.M.Stepanenko Characteristics of fast, particles and an analysis of X-Rays spectra in the plasma focus dicharge, In Proc. of the 20th EPS Conf. on Cont. Fusion and Plasma Phys. Lisboa., 1993, Part II, p.531-534.

14. N.V.Filippov, T.I.Filippova, I.V.Khutoretskaia, V.V.Mialton, • V.P.Vinogradov, "Megajoule scale plasma focus as efficient X-ray source", PHYSICS LETTERS A, 211(1996) 168-171

15. В.С.Имшенннк, Н.А.Боброва, Динамика столкновительной плазмы, М., Энергоатомиздат, 1997.

16. В.В.Вихрев, Простая модель плазменного фокуса, Физика плазмы, 1977, т.З, вып.5, с.981-986.

Подписано в печать 03.04.98 Формат 60 х 84/16 Печать офсетная. Усл.печ.л.1,5. Уч.-изд.л.1,1 Тираж 50. Заказ N29 Отпечатано в РНЦ КИ