Газоразрядные приборы для исследования ВУФ и рентгеновского излучения плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Разработка и исследование координатных газоразрядных детекторов для регистрации излучения плазмы в диапазоне длин волн Л = 600-2000 А. б

1.1. КГД на парах этилферроцена для регистрации длинноволнового БУФ излучения.

1.2. Сравнение этилферроцена с ТМАЕ. до

1.3. Исследование газоразрядных детекторов,работающих в режиме тлеющего разряда. а) Р1сследование доменной неустойчивости положительного столба тлеющего разряда, обнаруженной в детекторах с большой амплитудой сигнала. б) Пространственно-периодическая контракция положительного столба тлеющего разряда. в) Анализ возможности улучшения координатного разрешения счетчиков с большой амплитудой импульса.

1.4. Безоконный сцинтилляционный КГД для регистрации далекого БУФ излучения плазмы.

Глава 2. Координатные газоразрядные детекторы для регистрации рентгеновского излучения плазмы.

2.1. Обзор детекторов рентгеновского излучения.

2.2. Энергетическое разрешение газоразрядных детекторов

2.3. Газоразрядный координатный детектор для регистрации рентгеновского излучения плазмы, работающий в неоднородной по объему газовой смеси.

2.4. Газоразрядный многонитевой детектор для УМР области спектра с улучшенным энергетическим разрешением7j

Глава 3. Газоразрядная электронная пушка для генерации интенсивного УМР излучения.

3.1. Электронно-оптические системы, формирующие электронный поток высокой интенсивности и структура ГЭП

3.2. Расчет газоразрядной электронной пушки.

3.3. Конструкция газоразрядной электронной пушки.

3.4. Испытания газоразрядной электронной пушки и ее основные характеристики.

3.5. Обсуждение результатов исследования газоразрядной электронной пушки.

3.6. Возможные применения газоразрядной электронной пушки.

Глава 4. Применение газоразрядных приборов для исследования ВУФ и УМР излучения плазмы на плазменной СВЧ установке большого давления с щелевой нагрузкой.

4.1. Предварительные измерения ВУФ и УМР излучения дей-териевой плазмы на установке с щелевой нагрзкой при давлении до 10 атм и мощности до 30 кВт.

4.2. Регистрация УМР излучения при пробоях между стаканами в резонаторе.

4.3. Отладка СВЧ плазменной установки.

4.4. Исследование УМР и ВУФ излучения при вводимой мощности до 60 кВт.

4.5. Определение прозрачности плазмы СВЧ разряда для

УМР излучения.

4.6. Измерение электронной температуры нитевидных, образований в плазме СВЧ разряда с помощью КГД с высоким энергетическим разрешением.

Степень понимания процессов, происходящих в плазме, во многом зависит от развития методов ее диагностики. Важное место среди различных методов диагностики занимает исследование ваку-умно-ультрафиолетового (ВУФ) и ультрамягкого рентгеновского (УМР) излучения плазмы, в частности потому, что излучение в этих диапазонах определяется наиболее энергичными электронами плазмы.

Однако, диагностика плазмы в ВУФ и УМР областях спектра -задача довольно сложная. Трудности обусловлены, с одной стороны, сильным поглощением излучения на пути к детектору, а, с другой стороны, недостаточным развитием техники приема и спектрального анализа излучения [1,2] .

В работе [2] показано, что перспективными детекторами излучения для диагностики плазмы в ВУФ и рентгеновской областях спектра представляются координатные газоразрядные детекторы (КГД). Действительно, с помощью КГД можно регистрировать непрерывное и импульсное излучение плазмы различной интенсивности (в том числе и очень слабой фотон/мин) в ВУФ и рентгеновской областях спектра на фоне сильного инфракрасного и видимого излучения. Измерения можно проводить в широком или в заранее выбранных узких спектральных диапазонах. Существенно также и то, что наряду с высокой эффективностью регистрации ( -1005?) КГД обладают также и достаточно высоким координатным, энергетическим и временным разрешением. Эта особенность КГД позволяет исследовать с их помощью излучение неоднородной в пространстве плазмы, характеристики которой меняются во времени. Однако, эта весьма перспективная техника приема и анализа ВУФ и УМР излучения в настоящее время находится в начальной стадии развития.

При изучении плазмы на основе анализа ее ВУФ и УМР излучения необходимо учитывать сильное поглощение этого излучения на пути к детектору. Поглощение происходит, в основном, в толще холодного газа, окружающего плазму, и в разделительных окнах. Иногда оно обусловлено также наличием в плазме некотролируемых примесей. Поэтому, во многих случаях поглощение нельзя рассчитать аналитически. Его можно, в принципе, оценить экспериментально, просветив плазму УМР излучением от внешнего источника. Однако, существующие в настоящее время рентгеновские трубки, применяемые в лабораторных условиях для генерации УМР излучения ( 100 * 300 эВ), не обладают достаточно высокой интенсивностью, необходимой для просвечивания плотной плазмы, содержащей примеси.

Цель данной работы заключалась в разработке комплекса газоразрядных приборов (детекторы ВУФ и рентгеновского излучения и интенсивный источник УМР излучения), позволяющего расширить возможности приема и анализа ВУФ и УМР излучения, а также учитывать поглощение этого излучения на пути от исследуемого объекта до приемника излучения.

Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе изучены возможности улучшения существующих детекторов ВУФ излучения, а также рассмотрены новые типы КГД, способные регистрировать излучение в наиболее труднодоступных для КГД областях спектра ( 600 8 £ А < 1050 А и 1500 X £ А ^ 2000 А). В этой главе описаны новые физические явления (доменная неустойчивость и пространственно-периодическая контракция положительного столба тлеющего разряда), обнаруженные при исследовании детекторов ВУФ излучения. Во второй главе диссертации проведен анализ различных способов улучшения энергетического разрешения газоразрядных детекторов рентгеновского излучения и описаны созданные на основе этого анализа КГД с рекордным энергетическим разрешением. Третья глава посвящена газоразрядной электронной пушке (ГЭП), предназначенной для генерации интенсивного УМР излучения, необходимого для просвечивания плазмы, содержащей примеси. В этой главе описана электронно-оптическая система нового типа, формирующая радиально сходящийся электронный поток и работающая в газоразрядном режиме. Приведены результаты исследования газоразрядного режима работы ГЭП, а также рассмотрены физические причины, позволяющие осуществить такой режим работы. В четвертой главе описаны некоторые примеры применения разработанного комплекса газоразрядных приборов в экспериментах по изучению СВЧ плазменного шнура высокого давления [з] .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение сформулируем кратко основные результаты, полученные в работе:

1. Впервые разработан координатный газоразрядный детектор, способный регистрировать излучение плазмы в интервале длин волн 1050 - 2000 2, а также проточный сцинтилляционный координатный газоразрядный газовый детектор рассчитанный на область \ -600 - 1050 А.

2. Впервые изготовлен рентгеновский КЕД, работающий в неоднородной по объему газовой смеси и имеющий рекордное для проволочных камер энергетическое разрешение, ~ 12% для Ео = 6 кэВ.

3. Предложен метод определения энергии УМР излучения из измерения количества первичных фотоэлектронов и создан координатный счетчик низкого давления, работающий на этом принципе.

4. Разработана кольцевая модификация магнетронной пушки, формирующая высокопервеансный радиально сходящийся поток электронов. Предложен и изучен газоразрядный режим работы пушки, позволяющий достигать в области напряжений 100-300 В высоких (более 1000 мкА/В^^) значений первеанса при сохранении острой фокусировки. На основе этой пушки создан источник интенсивного УМР излучения.

5. Обнаружено и исследовано два вида пространственно- неоднородной структуры положительного столба тлеющего разряда: доменная неустойчивость и пространственно-периодическая контракция.

6. Исследовано влияние слаботочного разряда на вторичные процессы на катоде счетчиков с большой амплитудой импульсов. Обнаружено, что в слаботочном газовом разряде, в частности, в коронном, коэффициент электрон-ионной эмиссии может увеличиваться под действием ионной бомбардировки.

7. Определена область возбуждения ионизационно-полевой неустойчивости на СВЧ установке с щелевой нагрузкой.

8. Развит метод определения электронной температуры корот-коживутцих мкс) плазменных образований по измерению интенсивности испускаемого ими ВУФ излучения, регистрируемого рентгеновскими детекторами с высоким энергетическим разрешением. Метод можно использовать и для изучения других типов плазм (токамак, плазменный фокус, лазерная искра и т.д.).

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность академику П.Л.Капице за постановку задачи, обсуждения и внимание к работе практически на всех этапах ее выполнения.

Автор очень благодарен В.Д.Пескову за внимательное руководство и неоценимую помощь, оказанную им при выполнении данной работы. Мне приятно выразить свою благодарность Г.П.Прудковскому и Е.Р.Подоляку, совместно с которыми были произведены некоторые эксперименты, коллективу Физической лаборатории, обеспечившему возможность работать с плазменной установкой и коллективам механической и стеклодувной мастерских за быстрое и качественное выполнение заказов.

Я хочу поблагодарить Г.Д.Богомолова, взявшего на себя труд прочитать рукопись работы и внесшего полезные замечания, Н.И.Милюкова за постоянную помощь и всех сотрудников института, внимание и помощь которых способствовали успешному завершению работы.

За обсуждение части работы, посвященной тлеющему разряду, я благодарю Л.П.Питаевского, Я.Б.Зельдовича, Ю.П.Райзера, Л.Д.Цендина, А.П.Напартовича, Ю.С.Акишева и Ю.Б.Голубовского.

1. Зайдель А.Н., Шрейдер Е.Я. "Вакуумная спектроскопия и ее применение". М., Наука, 1976.

2. Песков В.Д. "Комплексная .диагностика плазмы в ВУФ и рентгеновской области спектра". Докторская диссертация, М., 1980.

3. Kapi't^a Р, h. } РгйС. X-Surop. Сои$. ОИ Соц/г, and Plasr»* Phys-, МOS Mow, \f.Z (/381), б~3■4. "Диагностика плазмы", под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда, М., Мир, 1967.

4. Фюнфер Э., Нейерт Г. "Счетчики излучения", М., Госатомиздат, 1961.

5. СкагрЛ G-. , я/уS/ел Script*,

6. SbuVi f~. Vw development $ 1и ^аьеоий detee-t&rp "ТесЬи;%ие$ and t**\<>eptf of еиетду Л"} PleKUM PbUrsL'h^ Corporation ; J3S3.

7. Сорокин Л.С., Дмитриев А.Б., Тезисы докладов IV-Всесоюзной конференции ВУФ-75, Ужгород, 1975, стр.36.

8. Карабаджак Г.Ф., Песков В.Д., ПТЭ, №6 (1981), 174. ID. Карабаджак Г.Ф., Песков В.Д., ПТЭ, №3 (1982), 191.

9. Карабаджак Г.Ф., Песков В.Д., Тезисы докладов VI-Всесоюзной конференции ВУФ-82, Москва, 1982, стр.231.

10. Карабаджак Г.Ф., Песков В.Д., Подоляк Е.Р., ЖПС, 37 (1982), 509.

11. Anderson OS., IEEE Mud. Sef t ы$-2%(№\)

12. Char/зак PoiiccrpoA., Soiuii F. . IB EE Тгя»?.

13. ЫЫ. C.,Ku Wt H-M.^ariavsibh M. H., A/IM,2l3fid83j, 33J-.

14. Дубровский Ю.В. "Разработка и применение быстрых методов регистрации видимого я вакуумного ультрафиолетового излучения для .диагностики СВЧ плазменного шнура", канд. дисс., М., 1978»

15. Песков В.Д., ЖПС, 30 (1979), 860;

16. Suzuki М., Kdoio, , лПМ, /31.

17. AJer5<ж D.F.,B>ouUt'er R., Скырак G etc. A/IM,т

18. Заневский Ю.В. "Проволочные детекторы элементарных частиц", М., Атомиздат, 1978.

19. Филатов А.И., Чайковский В.Г., ПТЭ, №3 (1966), 188.

20. Филатов A.M., ПТЭ, Ш (1967), 157.

21. Ma г о Je Е.} Jar*, ®f Jppl. hJS()^S)l 20Of.

22. M^rode E., BbiieinF., BbkkerM., J . Appt Pky? 5V,A/I(/e7S), MO.

23. KarQ&aofzUk Gr.t*, Pebkov V. D,,PoMqak ЛУ^МЗ), Ж.

24. Песков В.Д., ПТЭ, M (1980), 206.

25. Каган Ю.М., Митрофанов Н.К., ЖТФ, 41, ЖЕО (1971), 2065.

26. Ланда П.С., Мискинова Н.А., Пономарев Ю.В., УФН, 132. №4 (1980), 601.

27. Franc/* G. Ь "Н^Лиск eierPh^fk" Bert,\l3f6,BJ1ZZ,S. 113.

28. Недоспасов А.В., УФН, 94,(1968), 439.

29. Пекарек Л., УФН, 94 (1968), 463.

30. Ланда П.С., Мискинова Н.А., Пономарев Ю.В., Радиотехн. и электрон., 25,(1980), 785.

31. Недоспасов А.В., Пономаренко Ю.Б., ТВТ, № (1965), 17.

32. Клярфельд Б.Н., ЖЭТФ, 22,(1952), 66.

33. Райзер Ю.П./'Основы современной физики газоразрядных процессов", М., Наука, 1980.

34. Елецкий А.В., в сборнике "Химия плазмы", вып.9, М., Энер-гоиздат, 1982, стр.151.

35. Gu*terchu£*e А.^еЫкйгЛ Н. tZf.Ph$<t, BJ.IlOfft 3gJ, 3S.

36. W.Z/., W.'ecjaJ W. J.f Phy?. Rev., ft.lO 22.1 >

37. Недоспасов A.B., Хайт В.Д. "Колебания и неустойчивости в низкотемпературной плазме", М., Наука, 1979.

38. Наdp R.A., Phxf. Rev., /£>/?.

39. Голубовский Ю.Б., Некучаев В.О., ЖТФ, 52, №4 (1982), 662; ЖТФ» 52. Ш (1982). стп. 858 и RfU.

40. Карабаджак Г.Ф., Пксков В.Д., Ж№, 54» №7 (1984), 1357.

41. Песков В.Д., ДТВ, 42, JKE2 (1972), 2564.

42. Skwsuma М.,-$ак<к I Y.,Takeshi га Н., Phtf. D-Appl. pJiyf., Ю,А/и (/S7?)f J6 7/.

43. Мак-Даниэль И. "Процессы столкновений в ионизованных газах", М., Наука, 1965, стр.832.

44. Wehner &Л. , Re и., 108 , A/t(/d&), 36'

45. FleUker J., B\evm И., A/>/>t. Phtf., /±, fi/((/S8l), 2 7.

46. Карабаджак Г.Ф. , дипломная работа, ШТИ, Москва, 1980.

47. Песков В.Д., лабораторный отчет, Физ. лаб. АН СССР, 1979.

48. Песков В.Д. "Регистрация вакуумно-ультрафиолетового излучения СВЧ плазменного шнура с помощью газовых счетчиков", канд., диес., М., 1976.

49. Богомолов Г.Д., Дубровский Ю.В., Песков В.Д., ПТЭ, М (1978), 210.

50. Poltcarpo A^Atve? М., Do? М., МГМ, \0Z, rfafmZ), 33?.

51. Pbtwer А/, E} Braly L.A., л/ГМ, Пб(/9^))

52. Песков В.Д., Тезисы докладов Всесоюзного семинара ВУФ-78, Ленинград, 1978, стр.99.

53. Pot;carpc А. , Д/ГМ; IJ5 (т8)} 383.

54. Песков В.Д., ПТЭ, Ш (1980), 196.55. "Метода исследования плазмы", под. ред. В.Лохте-Хольтгре-вена, М., Наука, 1971.

55. Н\Ы K.W., bitter М. eta, Low X-Ray D^v^stSe?, MotfereyflQVjiAlP Cohj. Prot,, А/7-b", p4, A/ew York} 1581.

56. GasUUt U^Gre^eHWfir-t R., Kahnowsk* H. ztcj Л/IM, \J± (tSBO)f S3.

57. Подоляк E.P. "Статистические методы анализа поглощения фотонов в рентгеновской .диагностике плазмы", канд. дисс.1. М., 1984.

58. Alkhozov Gr.D,)NIM) |Э {то) ^55.60. hlkUzov &,D.}Nm}61. Fa но U.t Phyf. £6.62. И., А/1М,135(/ЗН)} ZFL.63. breskih A.,Checjt;t Zwa*2 М., Pr. WIS'- Ph.

59. Bres-к.'и A.jChec/ttk R^Zwang M., IEEE Ггам$. Nucl, Set., MV-zilmo), J33.

60. AhJerSoh D.J Скагрл С. t Pr. C£Rfi/~ EP/u-5Z, May 1382.

61. S>ei$h*uhJ О, И., Cut ha и J. L, / Mason I.M. $огс/ R. И/, Nature, 29f (/5ZZ)l 2ЪЬ~.

62. Bre$ ki* А.,аеск,'к R. Pr. WlS-Sy6tFeZr,-Ph.

63. Сб. "Рентгеновские лучи", M., Ин. лит., I960.

64. Н.С. Зинченко, Укр. физ. журн., 14, №4 (1969), 566.

65. Алямовский И.В. "Электронные пучки и электронные пушки", М., Советское радио, 1966.

66. Молоховский С.И., Сушков А.Д. "Интенсивные электронные и ионные пучки", Ленинград, Энергия, 1972.

67. Loihjtouir J.t Яе\/. t ЪЪ (\ЫЪ) ЪЫ.

68. Иванова Н.С., Ульянов К.Н., Радиотехн. и электрон., Ш, Ю (1972), 1920.

69. Коробова Н.И., Менахин Л.П., Сибиряк И.О., Ульянов К.Н., Радиотехн. и электрон., 28, №3 (1983), 583.

70. Сибиряк И.О., Ульянов К.Н., Радиотехн. и электрон., 28, №10 (1983), 2087.

71. Бабанин В.И., Эндер А.Я., ЖТФ, 41, Ы (1971), 720.

72. Бабанин В.И., Эндер А.Я., ЖТФ, 49, №12 (1979), 2606.

73. Browierj L.D., Jer*. A^e. PJ>3£. ,50,№(i3*3),Z№1/.

74. Лозанский Э.Д., Фирсов О.Б., "Теория искры", М., Атомиз-дат, 1975.

75. Сб. "Новые методы расчета электронно-оптических систем", М., Наука, 1983,стр. 64.

76. Карабадзкак Г.Ф., Прудковский Г.П. Тезисы докл. VIII -Всесоюзного семинара по методам расчета ЭОС, Ленинград, 1985.

77. Прудковский Г.П. В сб. "Электроника больших мощностей", №3 (1964), 70, М., Наука.

78. Пирс Дж.Р. "Теория и расчет электронных пучков", М., Советское радио, 1956.

79. Чернов З.С., Бернашевский Б.А., Файкин В.В., Радиотехн. и электрон., 23, №9 (1978), 1956.

80. Прудковский Г.П., Хотина А.В., ПТЭ, М (1979), 196.

81. Песков В.Д., Подоляк Е.Р., Прудковский Г.П., ЖПС, 40, № (1984), 921.

82. Блейвао И.М., Коваленко Ю.Н., Хаби B.C., Хомич Р.А., в сб. "Новые метода расчета ЭОС", М., Наука, 1983, стр.

83. Зянченко Н.С., Укр. физ. журн., 16, №6 (1971), 951.

84. Зинченко Н.С., ЖГФ, 38, №1 (1968), 184.

85. Зинченко Н.С., Соколова В.А., ПТЭ, №3 (1981), 149.

86. Afckhaz.ov G,D4 KomarA.P., Vorokev.A, A., A/IM, {г8 (/36?),I,

87. JeMe W, P., j., РЬц$. fte*, ЗЦОвГз), П20.

88. Vbtehtine j.M., Ргас. Яоц.&с. A , 211 (iSfZj, 76".94. Wb%te 1% (1663), 266~

89. PSatzynanv R.L* f Tnt. J, ccfojoi. Pad. Isot, l! (ML), H6.

90. Mahnt^e J.M., Сиггйи 0.C., Ha^llb^ZZ)^.

91. Borther Hurst 33 (/3&J,/ЛЗ*.

92. Хекки Сшила, частное сообщение.

93. Biler С., HulerPmiter A Hetv. Ph^Ma,^A(l3SS),100» Дмитриев А.Б., Толченов Ю.М., Филатов А.И., Чайковский В.Г., ПТЭ, №3 (1959), 35.

94. Прудковский Г.П., Хотина А.В., ПТЭ, №3 (1969), 219.

95. Црудаовский Г.П., Хотина А.В. В сб. "Метода расчета ЭОС", 4.1,(1973), 65, Новосибирск, ВЦ СО АН СССР.

96. З^ринберг Г.А. "Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений", М., изд. АН СССР, 1948.

97. Никонов Б.П. "Оксидный катод", М., Энергия, 1979.

98. Розбери Ф. Справочник по вэкуумной технике и технологии, M.f Энергия, 1972.

99. Косарев Е.Л., Подоляк Е.Р., Опт. и спектр., 56, М (1984), 643.

100. Песков В.Д., Прудковский Г.П. Тезисы докл. -Всесоюзной конференции ВУФ-82, Москва, 1982, стр.277.

101. А/е£$ои D.A., J or п. Appt. s/fl f/3?£) ,£ЗС5:

102. Burjch,et$ter E.L, 'Jor/??>£. Ph£0 f

103. ПО. Выховская E.B., Харченко A.M., Елинсон М.И., Зернов Д.В., Радиотехн. и электрон., 5, №5 (I960), 849.

104. Waottv и D. I.j buche-i* Г,/1«; Qaywerrnczft IZ.C^ Prot,1.E.E., A/iz(i9f8),3bS.

105. Савельев B.C., Кущенко Г.Н., Радиотехн. и электрон., 15, ЖЕ2 (1970), 2567.

106. Прудковский ГЛ., Хотина А.В., ДАН СССР, 273*^3 (1977)| 570.

107. Капица П.Л., ЖЭТФ, 57 (1969), 1801.

108. Гильденбург В.Б., Ким А.В., Физика плазмы, 6, М (1980), 904.

109. Gri£de*lur§ У. 8., Markov I.A. Prot, Ihtk Ihterh.Coit. Ркеи. Гол. С,а£е$, С-геиоИе} France., /373.

110. Карабаджак Г.Ф., Песков В.Д., лабораторный отчет, Физ. лаб. АН СССР, 1985.

111. Песков В.Д., Сахаров А.Я., Тищенко Э.А., Письма в ЖЭТФ, 17, М Ц974;, 197.

112. Акишев Ю.С., Напартович А.П., Пашкин С.В. и др., ТВТ, 22, №2 U984;, 201.

113. Акишев Ю.С., Напартович А.П., Пономоренко В.В. и др., Препринт ИАЭ, №3900/7, Москва, 1984.

114. Летунов А.А. "Разработка и применение методов амплитудной калибровки при диагностике плазмы по рассеянию лазерного излучения". Кандидатская диссертация, Москва, 1982.