Исследование плазмы сильноточных пинчевых разрядов методами спектроскопии и интерферометрии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

УДК 533.9, 538.915, 535.33-34

Степаненко Александр Михайлович

Исследование плазмы сильноточных пинчевых разрядов методами спектроскопии и интерферометрии

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

6 ДЕК 2012

Москва - 2012

005056242

005056242

Работа выполнена в Институте водородной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт».

Научный руководитель:

Кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией НИЦ КИ Крауз Вячеслав Иванович, НИЦ «Курчатовский институт», г.Москва

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, г.н.с. Ковальский Николай Григорьевич,

ГНЦ РФ ТРИНИТИ, г. Троицк

доктор физико-математических наук, профессор Долгов Александр Николаевич, НИЯУМИФИ, г.Москва

Ведущая организация: Физический Институт им.П.Н.Лебедева

Защита состоится «26» декабря 2012 г. в часов на заседании диссертационного совета Д212.156.06 при Московском физико-техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, корпус В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института.

Автореферат разослан «23» ноября 2012 г. Ученый секретарь

РАН

диссертационного совета

Н.П.Чубинский

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность исследований. В самостягивающихся сильноточных разрядах, простейших традиционных импульсных установках - так называемых 2 - пинчах, образуется плотная высокотемпературная плазма, сжимающаяся под действием магнитного поля протекающего по ней тока.

Интерес к изучению сильноточных пинчевых разрядов обусловлен такими их практическими применениями, как использование данного типа установок в качестве эффективных точечных источников мягкого рентгеновского (~ 1 кэВ) (МРИ) и далекого ультрафиолетового излучений (~ 130 А) в медицине, биологии, рентгенолитографии, рентгеновской дифрактометрии упорядоченной микроструктуры биологических объектов и т.д. Пинчевые разряды обладают высоким КПД преобразования электрической энергии в излучение (>10%), возможностью работы в частотном режиме при длительности генерируемых импульсов излучения порядка нескольких наносекунд.

Известно, что плазма пинчевых разрядов не изотропна, не стационарна, оптически плотна, а наличие таких дополнительных факторов как электронные пучки, быстрые ионы, турбулентные магнитные и электрические поля, а также возможная поляризация излучения усложняют интерпретацию результатов, увеличивая ошибку диагностических методов.

В данной работе проведены исследования нескольких видов сильноточных пинчевых разрядов рентгенооптическими методами. Рентгеновская спектроскопия, как метод исследования плазмы, основанный на анализе интенсивностей рентгеновских линий, дополненный интерферометрическими измерениями, является мощной комплексной диагностикой, дающей информацию о температуре, плотности плазмы, ее развитии во времени. Автором данной работы создан и внедрен комплекс рентгенооптического оборудования с помощью которого определены плотность и температура оптически плотной плазмы, ее зарядовый и компонентный состав, проведен рентгеновский поляризационный анализ, исследована динамика токовой оболочки, выявлено образование высокоскоростной кумулятивной струи, движущейся вдоль оси разряда, а также

потоки вещества с анода и его свечение в прианодной области на поздних стадиях развития разряда. Для обработки интерферограмм и спектров излучения в видимом и рентгеновском диапазонах разработаны коды. Подобные исследования являются важными с точки зрения изучения физики явлений, имеющих место в сильноточном разряде, его возможных практических применений, а также для внесения поправок в существующие методы диагностики плотной высокотемпературной плазмы.

Об актуальности работы свидетельствует факт внедрения разработанного нового оборудования в нескольких лабораториях России (НИЯУ МИФИ, ФИАН, НИЦ «Курчатовский Институт»), в Польше, Сингапуре, США, Франции.

Цель диссертационной работы: исследование

пространственных и временных параметров плотной высокотемпературной плазмы пинчевых разрядов с помощью созданного комплекса диагностической аппаратуры оптического и рентгеновского диапазонов.

Для реализации поставленной цели решены следующие задачи:

1. Спроектирована и изготовлена аппаратура для регистрации рентгеновского излучения, которая применена для исследования спектров и определения параметров плазмы двух видов сильноточных разрядов: плазменный фокус типа Филиппова (установка ПФ-3, НИЦ КИАЭ, ток 2 МА) и плазменный фокус типа Мейзера (установка NX2, Технологический Университет, Сингапур, ток 170 кА).

2. Спроектированы, изготовлены и характеризованы четырехканальный рентгеновский спектрометр-поляриметр и однокристальный рентгеновский поляриметр. С помощью данной аппаратуры проведен поляризационный анализ на разрядах типа вакуумная искра и х-пинч.

3. Спроектирован и изготовлен интерферометр сдвига типа Бейтса с помощью которого выявлено образование кумулятивной струи и потоков вещества с анода в плазменном фокусе типа Мейзера (установка "Тюльпан", ФИАН, ток 250 кА).

4. С помощью созданного оборудования исследовано излучение видимого диапазона установок вакуумная искра (Пион, НИЯУ МИФИ, ток 200 кА) и плазменный фокус (Тюльпан, ФИАН, ток 250 кА). Анализ спектрального состава видимого излучения позволил определить зарядовый и компонентный состав плазмы данных установок.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Создан диагностический комплекс, состоящий из усовершенствованных четырехканального спектрометра-поляриметра, двух фокусирующих спектрографов, сверхкомпактного рентгеновского спектрографа де-Бройля, однокристального рентгеновского поляриметра, интерферометра сдвига.

2. На установках типа плазменный фокус с током 2МА и 170 кА впервые методами рентгеновской спектроскопии и с помощью созданной аппаратуры зарегистрированы рентгеновские спектры NelX и NeX, измерены электронная плотность и температура плазмы.

3. Для однокристального рентгеновского поляриметра экспериментально показано равенство коэффициентов отражения двух поляризационных компонент (отражение от плоскостей 1010) при угле падения близком к 45° и двух режимах работы: при использовании протяженного и точечного источников. Прибор продемонстрировал высокое спектральное разрешение 8Я./Я.<2*10"3 при работе с точечным источником излучения.

4. На установке вакуумная искра с током 150 кА впервые зарегистрировано различие в интенсивностях двух поляризованных компонент излучения характеристических Ка -линий меди, эмитируемых анодом.

5. Методом дифференциальной оптической интерферометрии впервые зафиксирована кумулятивная струя и исследовано ее развитие, а также обнаружены потоки вещества с анода на поздних (t>500-700 не) стадиях развития разряда типа плазменный фокус с током 250 кА.

6. С помощью созданного фокусирующего спектрографа с двумя дифракционными решетками впервые исследован спектральный

состав излучения видимого диапазона установок типа вакуумная искра ("Пион", НИЯУ МИФИ) и плазменный фокус типа Мейзера ("Тюльпан", ФИАН). Определен зарядовый и компонентный состав плазмы данных установок.

Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты работы получены автором лично или при его непосредственном участии: сконструирован комплекс диагностического оборудования, автором проведены измерения на четырех типах установок, результаты измерений обработаны с помощью созданного автором программного обеспечения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка и создание диагностического комплекса, состоящего из рентгеновских спектрографов и численных кодов для обработки полученных результатов (определение пе, Те из интенсивностей рентгеновских линий №1Х и ЫеХ, эмитируемых плотной высокотемпературной плазмой).

2. Результаты исследований рентгеновских спектров неона на установках плазменный фокус с током 2 МА и током 170 кА.

3. Предложена и успешно реализована методика определения зарядового и компонентного составов плазмы пинчевых разрядов, основанная на применении разработанного и изготовленного универсального фокусирующего спектрографа и численных кодов, предназначенных для интерпретации сложных спектров.

4. Результаты исследований зарядового и компонентного состава плазмы установок вакуумная искра (ток 200 кА) и плазменный фокус (ток 250 кА).

5. Результаты калибровки поляриметра и результаты поляризационных измерений, проведенных на установке вакуумная искра.

6. Конструкция интерферометра сдвига и численный код, основанный на аппроксимации хордового и радиального распределений полиномами Чебышева, позволяющий восстановить радиальное распределение плотности плазмы.

7. Результаты исследования динамики плазмы установки типа плазменный фокус с током 250 кА с помощью интерферометра сдвига.

Практическая значимость.

1. Создан и характеризован новый ренгенооптический диагностический комплекс оборудования, состоящий из 4 спектрографов и интерферометра сдвига. Приборы просты в эксплуатации и опробованы на различных видах плазменных источников. У каждого из разработанных приборов есть ряд индивидуальных преимуществ. Так, универсальный фокусирующий спектрограф предназначен для изучения спектров различных источников рентгеновского, ультрафиолетового и видимого излучений. С его помощью был определен зарядовый и компонентный состав плазмы двух видов пинчевых установок. Сверхкомпактный обзорный рентгеновский спектрограф предназначен для изучения рентгеновского спектра источников малой интенсивности и может быть установлен внутри разрядных камер практически любых размеров. Четырехканальный рентгеновский спектрометр-поляриметр позволяет

регистрировать обзорный рентгеновский спектр в трех каналах, четвертый канал предназначен для регистрации изображения плазмы, полученной с помощью камеры обскуры, установленной в корпусе прибора. Прибор применен для проведения поляризационного анализа на сильноточной пинчевой установке типа х-пинч. С помощью созданного интерферометра Бейтса исследована динамика плазмы установки плазменный фокус («Тюльпан») и обнаружено присутствие высокоскоростной кумулятивной струи и свечения плазмы на поздних стадиях развития разряда.

2. В созданный комплекс входят следующие коды: 1) код для обработки экспериментальных спектров и их сравнения со спектрами, представленными в международных базах данных, позволяющий идентифицировать сложные спектры, состоящие из нескольких сотен линий, ¡1) код для восстановления радиального распределения плотности плазмы из анализа интерференционной картины, полученной с помощью интерферометра Бейтса, 111) код, описывающий интенсивности спектров №Х и №1Х,

эмитируемых плотной плазмой, позволяющий оценивать такие параметры плазмы, как электронная температура и плотность. Тестирование разработанных методик и приборов на нескольких видах лабораторной плазмы позволяет рекомендовать их для широкого использования в исследованиях различных источников. Экспериментально реализованный поляризационный анализ спектров пинчевого разряда открывает новые возможности в диагностике плазмы.

Апробация работы. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на XXXVII и XXXVIII Международных (звенигородских) конференциях по физике плазмы и УТС, 2010, 2011, 14-ой Всероссийской конференции Диагностика высокотемпературной плазмы» ДВП-14, 2011, 6-й Курчатовской молодежной школе, IWPDA2009 (International workshop on plasma diagnostics and applications, Singapur), научных сессиях НИЯУ МИФИ 2011, 2012, в секции "Физика Плазмы и УТС", VI Российском семинаре "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды, 2008. Результаты работы опубликованы в журналах "Физика Плазмы", "Review of Scientific Instruments", в 2009 году отмечены Курчатовской премией, в 2010 получено свидетельство на интеллектуальную собственность №2010611069.

Публикации. Результаты работы изложены в 16 публикациях, в числе которых 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, в 2010 получено свидетельство на интеллектуальную собственность №2010611069, получена премия имени И.В.Курчатова.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и 2 приложений. Она содержит 193 странице, 115 рисунков и библиографию из 127 наименований.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении изложены проблемы, возникающие как при проведении рентгеноспектральных и интерферометрических

измерений, так и в интерпретации их результатов, поставлена цель исследований, показана их актуальность.

Глава 1 посвящена диагностическому оборудованию -спектрографам, спектрополяриметру и интерферометру, созданным в рамках данной работы для проведения

рентгенооптических исследований плотной

высокотемпературной плазмы. Описаны принципы действия фокусирующих и

дефокусирующего спектрографов, конструктивные особенности созданного

диагностического оборудования, его технические характеристики, специфика применения

различных диспергирующих элементов.

В пункте 1.1 представлено описание фокусирующего рентгеновского спектрографа (ФРС) на диапазон длин волн (11.3-15.7А), выполненного по схеме Иоганна. Диспергирующим элементом прибора является кристалл слюды, размером 15X70 мм2 подклеенный на цилиндрическую подложку 11=200 мм. На входном окне расположен узел крепления оптической щели и фильтра, имеется сильфон для юстировки корпуса прибора относительно разрядной камеры. Прибор успешно применен на установке ПФ-3 для регистрации рентгеновского спектра гелие-и водородоподобных ионов неона.

В пункте 1.2. описана конструкция и принцип работы универсального фокусирующего спектрографа (УФС), способного регистрировать диапазон энергий от единиц эВ, до сотен кэВ. Широкий диапазон регистрируемых длин волн достигается применением нескольких видов диспергирующих элементов: сферических дифракционных решеток К=301 мм, 0=600,1200штр/мм, вогнутых (11=301 мм) цилиндрических кристаллов слюды типа Иоганна, вогнутых (11=301 мм) цилиндрических кристаллов кварца типа Кошуа. Прибор отличает от предыдущего аналога простота конструкции, малые габариты (600X350X60) и малый вес (менее 5 кГ).

Рис.1. Прибор УФС,

1,2 — диспергирующие

элементы.

Преимуществом данного прибора является возможность применения двух диспергирующих элементов одновременно: например, две дифракционные решетки были использованы при регистрации прибором видимых спектров на установке вакуумная искра, созданной в НИЯУ МИФИ. Описана процедура настройки спектрографа, а также созданное программное обеспечение (СаитаШ.раэ,) предназначенное для расчета параметров прибора (положение кроссовера, энергетический диапазон и т.д) при работе с излучением Е>8 кэВ.

В пункте 1.3 дано описание конструкции однокристального рентгеновского спектрополяриметра, предназначенного для проведения рентгеновского поляризационного анализа. Автором данной работы спроектирован корпус рентгеновского поляриметра, принцип работы которого был предложен ранее другими авторами. В корпусе прибора имеются одно входное и четыре выходных окна, оптический столик с кристаллом кварца обеспечивает юстировку кристалла в трех взаимно-перпендикулярных направлениях. Прибор использован для поляризационного анализа на установке вакуумная искра, расположенной в НИЯУ МИФИ.

В пункте 1.4 описан сверхкомпактный обзорный рентгеновский спектрограф (СОРС) на диапазон энергий 0.7-10 кэВ. Корпус прибора имеет входную щель, прикрытую фильтром. Диспергирующим элементом является выпуклый цилиндрический кристалл кварца (11=10 мм). Данный прибор использован в экспериментах на установке плазменный фокус NX2 с током 170 кА (с малой интенсивностью рентгеновского спектра) в Университете Сингапура для регистрации спектров неона в диапазоне 12-14 А.

В пункте 1.5 описан четырехканальный рентгеновский спектрометр-поляриметр (ЧРСП) на диапазон энергий 0.7-10 кэВ. Спектрометр имеет малые размеры (120X40X30 мм), малый вес (0.4 кг) и предназначен для регистрации интегрального во времени спектра одновременно в трех каналах, плоскости дисперсии которых взаимно перпендикулярны. Для длин волн, отражение которых проходит на угле Брэгга близком к 45°, спектрометр работает как поляриметр. Один из каналов

спектрометра предназначен для МКП регистратора, разработанного в ИСАН, и обеспечивающего регистрацию четырех кадров с экспозицией 4 не. Диспергирующими элементами служат кристаллы слюды. В четвертом канале располагается камера-обскура.

Создан численный код, рассчитывающий параметры прибора (дисперсию, разрешение, диапазон длин волн и т.д.) при различных расстояниях от источника до кристаллов и различных размерах источника. Прибор применен для исследования спектров металлов в диапазоне 10-14Á на установке типа х-пинч и спектров неона и аргона на установках плазменный фокус ПФ-3 (НИЦ «КИ»), "Майя" (Шверк, Польша).

В пункте 1.6 описана конструкция интерферометра сдвига типа Бейтса. Прибор состоит из четырех зеркал и двух сдвиговых пластин, укрепленных в оптических подвижках. Рассмотрены преимущества интерферометров типа Бейтса. Прибор применен в исследованиях динамики токовой оболочки плазменнофокусного разряда (установка «Тюльпан"), расположенного в ФИАН.

Все проектировочные работы по созданию диагностического оборудования проведены в программной среде промышленного проектирования Inventor 9,10,11, что позволило осуществить трехмерное моделирование приборов.

2400 3000 длина волны, А 4000

Рис.2. Спектр вакуумной искры, решетка 1200штр/мм

Глава 2 посвящена экспериментам по определению компонентного и зарядового состава плазмы, проведенному с помощью УФС на установках типа вакуумная искра и плазменный фокус. Описано развитие методики определения зарядового и компонентного состава плазмы, основанной на применении созданного универсального фокусирующего спектрографа и численных кодов, предназначенных для интерпретации сложных спектров видимого диапазона. В пункте 2.1 описана оптическая юстировка и калибровка УФС, работающего с двумя дифракционными решетками. Калибровка проведена с помощью ртутной лампы. В пункте 2.2 описана структура кода "Plasma Spectra" (PScode), созданного для идентификации спектров в видимом диапазоне, полученных с помощью УФС. Код позволяет импортировать все переходы из базы данных NIST (National Institute of Standards) и накладывать их на экспериментально полученные линии, предусмотрено смещение теоретических и экспериментальных спектров друг относительно друга до совпадения наиболее ярких линий.

В пункте 2.3 приведены результаты исследований

сг--------ного состава излучения видимого диапазона на новой

ус типа вакуумная искра «Пион» с током 200 кА,

собранной сотрудниками НИЯУ МИФИ в 2010 году. Приведены параметры установки, процесс настройки и отладки спектрографа, а также денситограммы спектров с расшифровкой нескольких десятков наиболее представительных линий. Найдены реперные линии меди, хрома, углерода, железа, эмитируемые электродами и углеродосодержащими элементамии камеры. Данные линии располагаются достаточно изолированно, имеют относительно высокую интенсивность, а их присутствие в спектрах неизученного источника свидетельствует о наличии данного элемента в составе плазмы.

В пункте 2.4 представлены результаты исследования спектрального состава излучения видимого диапазона на установке плазменный фокус с током 250 кА. Измерения проведены на установке ПФ-4 "Тюльпан" (ФИАН), рабочими газами которой являлись неон или аргон, приведены конструкция электродной системы, электропараметры. Обнаружены спектральные линии элементов ArI,ArII,ArIII,All,

AlII,0,NeI,NeII. Определены реперные линии указанных элементов.

Исследования зарядового и компонентного составов плазмы двух установок ("вакуумной искры" и "плазменного фокуса") показали, что в плазме в основном присутствуют элементы, входящие в состав электродов, изолятора и рабочего газа. В видимом спектре присутствуют линии нейтральных элементов, а также линии однократно и двукратно ионизованных ионов данных элементов.

В Главе 3 проведено исследование параметров плазмы пинчевых разрядов рентгеноспектральными методами. В пункте 3.1 описаны эксперименты по регистрации рентгеновских спектров NeX и NeIX, эмитированных установкой ПФ-3 (1=2МА),

с помощью ФРС. Давление рабочего газа составляло Р=2 Topp. Спектры NeX, полученные в одном разряде, состоят из резонансной линии

А,=] 2.1339Ä и нескольких групп сателлитов,

расположенных с

коротковолновой и

длинноволновой сторон спектра. Зарегистрированы также спектры NeIX, состоящие из резонансной линии (Х.=13.4471 А), интеркомбинационной линии (A,=13.549Ä), запрещенных линий (A,=13.5454Ä, 13.6989Ä) и групп сателлитов,

расположенных вблизи указанных линий.

13,3 13,4

Рис.3. Относительная

интенсивность расчетного ( кривая с прямоугольниками) и

экспериментального (сплошная кривая) спектров №1Х для Те= 140 эВ, Пе= З.бхЮ18 см"3, г = 0.3 см. Ось У: относительная

интенсивность, ось X: длина волны в А.

В пункте 3.2. описана модель, используемая при создании численных кодов в среде программирования Delphi, рассчитывающих интенсивности спектров NeX и NelX, эмитируемых плотной плазмой. В модели учтены, в частности,

столкновительный обмен между триплетными и синглетными уровнями гелиеподобного иона, а также эффект

самопоглощения резонансных линий в плазме. Входными

параметрами модели

являются размер плазмы, атомные данные (скорости процессов, вероятности радиационных распадов, длины волн переходов и т.д.), электронная

температура Те и электронная плотность плазмы пе,

оцифрованный

экспериментально полученный спектр, выходные параметры -интенсивности спектральных линий. Коды генерируют расчетный спектр плазмы, наложенный на денситограмму экспериментально зарегистрированного спектра, см.Рис.З. На основании сравнения двух спектров определены параметры плазмы установки ПФ-3: Те = 140 эВ, пе = З.бхЮ18 см"3. Данные усредненные по времени и пространству параметры характеризуют область свечения NelX.

В пункте 3.4 описаны исследования спектров неона на установке плазменный фокус NX2 током 170 кА с помощью СОРС. Цель данной работы - определение параметров плазмы установки NX2. Оценка электронной температуры Те = 310 эВ плазмы проведена посредством анализа спектра NeX (см.Рис.4). Данная величина (так же как и параметры ПФ-3) является усредненной во времени существования иона и по

80

3

со 70

X?

(П С 60

о

с 50

40

30

20

10

0

11,8 11,9 12 12,1 12,2 12,3 12,4

длина волны, А Рис.4. Расчетный и экспериментально измеренный

области свечения иона. Значение электронной температуры, полученное для ЫХ2 выше, чем то, что получено для установки ПФ-3. Отметим, что полученные температуры характеризуют области существования различных ионов (7Че1Х для ПФ-3 и ЫеХ для ИХ2) на двух установках, различающихся энергетикой, геометрией электродов, размерами плазмы, динамикой сжатия и т.д., так что ожидать роста температуры плазмы с ростом тока разряда необоснованно.

В Главе 4 обсуждается исследование поляризации рентгеновских линий на установках типа х-пинч и вакуумная искра. В пункте 4.1. дан краткий анализ механизмов возникновения поляризации рентгеновского линейчатого спектра плазмы, особенностей проведения поляризационного анализа в рентгеновской области спектра. Представлены результаты поляризационного анализа, проведенного на установке х-пинч (ток 80кА, время нарастания 40 не) с помощью универсального четырехканального спектрометра-поляриметра (ЧРСП), в трех каналах которого были расположены идентичные кристаллы слюды (2с1=19.98А). Исследовались линии Ь-серии Си и № в диапазоне 11-14 А. Спектры Си, зарегистрированные в одном и том же разряде идентичными кристаллами слюды при угле Брэгга, близком к 45°, свидетельствуют о различии в интенсивностях переходов 1 \2$22р6 '80 —2$22р51з 'Р| (А,=12.227А) и 2:2<,-22// 'Бо -2у22//3.у ^ (А.=12.570А), см.Рис.5. Такое различие интенсивностей связано с поляризацией линий 1 и 2.

В пункте 4.2 кратко дан принцип действия однокристального рентгеновского спектрополяриметра, и представлены результаты калибровки прибора с помощью рентгеновской трубки. В качестве источника излучения использовалась трубка с медным антикатодом (ток 10-30 мА, напряжение до 30 кВ), характеристическое излучение которой (А,1=1.5400 А, А.2 = 1.5404 А) регистрировалось на фотопленку в четвертом порядке отражения от среза кварца 1010 при углах Брэгга 46.30° и 46.32° соответственно. В результате калибровки подтверждена работоспособность поляриметра и показана

4 6 8 10 ууауе!епа№. а.и.

4 6 8 10 12 14 \л/ауе1епа1Ь. а.и.

Рис.5. Спектр Ь-серии меди, зарегистрированный в одном разряде двумя кристаллами слюды, а) плоскость дисперсии параллельна оси разряда, б) плоскость дисперсии перпендикулярна оси разряда, переход 1:2/2/^о-2/2р5Зя 'Р, 12.227А) переход 2:2/2/ Ч, -2^2р53я 3Р1 (А,= 12.570А).

идентичность коэффициентов отражения двух каналов прибора, см.Рис.6.

В пункте 4.3 описан эксперимент, в котором спектрополяриметр применен для поляризационного анализа импульсного характеристического излучения меди (^=1.5400 А, А.2 = 1.5404 А) и прилежащих Ка - линий низких кратностей ионизации, генерируемых плазмой установки типа вакуумная искра. Результаты эксперимента свидетельствуют о различии в

Рис.6. Спектр и денситограмма спектра поляризованных компонент

Длина волны, А

Рис.7а.Интерферограммы, снятые прибором Бейтса на установке "Тюльпан" в различные моменты времени по отношению к моменту максимального сжатия.

Рис.76.

Интерферограммы, снятые в поздние моменты времени

интенсивностях двух поляризованных компонент исследуемого излучения. Проведенный цикл работ по развитию метода поляризационного анализа имеет важное значение для усовершенствования методов рентгеновской диагностики высокотемпературной плазмы.

В Главе 5 обсуждаются исследования динамики плазмы установки "Тюльпан" (расположенной в ФИАН) типа "плазменный фокус» с помощью интерферометра сдвига (интерферометра Бейтса). В пункте 5.1. описаны основы методики, диагностическое оборудование, оптическая схема измерений. На Рис.7 показана серия интерферограмм, снятых с помощью интерферометра Бейтса в различные моменты времени по отношению к моменту максимального сжатия(1=0). При t=20, 40 не видна кумулятивная струя, движущаяся к катоду и аноду. Основные особенности динамики подтверждаются измерениями, проведенными с помощью интерферометра Маха-Цендера и расчетами динамики развития токовой оболочки плазменного фокуса, проделанными в рамках идеальной МГД - модели.

Оценена скорость движения границы кумулятивной струи, расчетная величина которой составляет V = 2.3-107 см/сек, а величина, полученная из интерферограмм - V = 2.5-107 см/сек, в то время как скорость движения основной части токовой оболочки V = 5-106см/сек. Методом сдвиговой интерферометрии обнаружено испарение материала анода на поздних стадиях развития разряда (1-2мкс после момента особенности).

В пункте 5.2 обсуждается исследование численным методом формы интерференционных полос, регистрируемых интерферометрами Маха Цендера и Бейтса при различных сдвигах и радиальных распределениях плотности плазмы, описана структура кода "Polosa", созданного в среде программирования Delphi. Подобное исследование необходимо для корректной интерпретации интерферограмм, полученных прибором Бейтса, форма полосы и чувствительность которого зависит от величины сдвига. Задавая радиальный профиль плотности плазмы е(р) и пользуясь прямым преобразованием Абеля, посредством численного интегрирования получены формы интерференционных полос в интерферометре Бейтса в зависимости от величины сдвига. При нулевом сдвиге s=0 интерферометр Бейтса работает как интерферометр Маха-Цендера. Показано, что в интерферометре Бейтса при сдвигах больших, чем размер неоднородности, можно получить форму полосы Маха-Цендера с обратным двойником. Расстояние между двойником и основным пиком растет с ростом величины сдвига. Более сложная форма интерференционной полосы получается

при сдвигах сравнимых с размером неоднородности. Анализ сделан также для случаев более сложных профилей плотности.

В пункте 5.3 описана численная модель и структура кода "Profile", разработанного в среде Delphi и среде MathCad, и служащего для получения профиля плотности плазмы из анализа формы интерференционных полос. В основе модели лежит апроксимация хордовой и радиальной функции ортогональными полиномами Чебышева. Численная модель позволяет оцифровывать интерферограммы автоматически. Описана процедура оцифровки интерферограмм, сделанная на основе теории сплайн-функций. Отличие от полиномиальной интерполяции, когда вся аппроксимируемая зависимость описывается одним полиномом, заключается в том, что последняя иногда приводит к явлению волнистости на концах (а увеличение степени полинома еще увеличивает погрешность) при сплайновой интерполяции на каждом интервале [хм, xj, строится отдельный полином третьей степени со своими коэффициентами.

В пункте 5.4 описан алгоритм определения радиального профиля плотности плазмы. Распределение электронной плотности в кумулятивной струе восстановлено посредством интерполяции хордового и радиального распределений ортогональными полиномами Чебышева.

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненной работы состоят в следующем:

1. Сконструирован, создан и характеризован комплекс диагностического оборудования для исследования параметров плотной высокотемпературной плазмы состоящий из следующей аппаратуры:

-четырехканальный спектрометр - поляриметр (ЧРСП), диспергирующими элементами которого являются три выпуклых кристалла слюды, а четвертый канал предназначен для регистрации изображения плазмы камерой обскурой;

-фокусирующий рентгеновский спектрограф ФРС типа Иоганна, диспергирующим элементом которого является цилиндрический кристалл слюды;

-универсальный фокусирующий спектрограф УФС, снабженный набором диспергирующих элементов: цилиндрический кристалл слюды для диапазона энергий 0.7-10 кэВ, цилиндрический кристалл кварца типа Кошуа, срез 13-40, для диапазона энергий 8-200 кэВ, две вогнутые сферические дифракционные решетки 600 штр/мм и 1200 штр/мм, покрытые

вольфрамом. Спектрограф может работать с двумя решетками одновременно, что расширяет диапазон регистрируемых энергий, а также облегчает интерпретацию спектра;

-однокристальный рентгеновский спектрополяриметр, диспергирующим элементом которого является четырехгранный кристалл кварца;

-сверхкомпактный обзорный рентгеновский спектрограф (СОРС) на диапазон энергий 0.7-10 кэВ;

- интерферометр сдвига типа Бейтса работающий на длине волны 0.53 мкм.

2. Развита методика определения зарядового и компонентного состава плазмы, основанная на анализе спектра видимого диапазона, зарегистрированного с помощью нового оборудования, состоящего из разработанного компактного универсального фокусирующего спектрографа (режим работы с двумя и одной дифракционными решетками), откалиброванного в видимом диапазоне, снабженного созданными численными кодами, предназначенными для идентификации сложных спектров, состоящих из нескольких сотен линий.

3. Методика опробована при исследовании плазмы двух типов сильноточных разрядов: вакуумная искра (НИЯУ МИФИ) и плазменный фокус (ФИАН). Определен зарядовый и компонентный состав плазмы данных установок. Данная методика может быть применена для любых видов источников излучения.

4. С помощью созданного оборудования зарегистрированы спектры Ые1Х и эмитированные сильноточным плазменным фокусом (установка ПФ-3, ток 2МА).

6. Создана численная модель, описывающая интенсивности рентгеновских линий ионов ИеХ и Ке1Х, эмитированных оптически плотной плазмой. Сравнение экспериментально полученных и расчетных спектров позволило оценить усредненные по времени и пространству температуру и плотность области плазмы, в которой существует №1Х: Те = 140 эВ, Пе= З.бхЮ18 см"3. Температура более горячей области плазмы, (область существования №Х) составляет 250 эВ.

7. Исследованы спектры №1Х и ЫеХ, эмитированные установкой ЫХ2 (Технологический Университет, Сингапур). С помощью созданного кода определена электронная температура плазмы.

8. С помощью созданного четырехканального спектрометра-поляриметра проведен поляризационный анализ спектра Ь-оболочки меди и никеля, эмитированного х-пинчем. Показано наличие поляризации линий в области длин волн 12-14А.

9. Откалиброван рентгеновский поляриметр, исследованы 2 режима работы прибора: при использовании протяженного и точечного источников. Показано, что для обоих режимов работы прибор успешно выделяет п и с-поляризованные компоненты с одинаковыми коэффициентами отражения. Прибор продемонстрировал высокое спектральное разрешение Sa/Á,<2*10"3 при работе с точечным источником излучения.

10. С помощью рентгеновского поляриметра проведен поляризационный анализ K-линий меди, эмитируемых на установке типа вакуумная искра.

11. Для проведения интерферометрических измерений использован диагностический комплекс, состоящий из созданного интерферометра Бейтса с автоматизированным сбором информации, интерферометра Маха-Цендера, лазера, генерирующего излучение 0.53 мк длительностью 3-4 не.

12. С помощью диагностического комплекса исследована динамика развития плазмы установки типа плазменный фокус ('Тюльпан' в ФИАН): i) определена скорость движения токовой оболочки, и) зарегистрирована кумулятивнаяструя и определена ее скорость, iii) выявлена генерация плотных потоков вещества с поверхности анода на поздних стадиях t = 500 не - Змкс и определена скорость движения потоков к катоду.

13. В программной среде Delphi создан код 'Polosa', генерирующий форму интерференционной полосы в интерферометрах Бейтса и Маха-Цендера. С помощью созданного кода проанализированы особенности работы интерферометра Бейтса при исследовании пинчевой плазмы.

14. Создана численная модель, основанная на использовании полиномов Чебышева, позволяющая определить профиль плотности плазмы из анализа формы интерференционных полос. Создан код в программной среде Delphi и среде MathCad,.

15. Методом сдвиговой интерферометрии определено распределение плотности плазмы по радиусу позади токовой оболочки и в кумулятивной струе.

Основные положения диссертации содержатся в следующих работах:

1. E.O.Baronova, B.Bucher, D. Haas, D.Fedin, A.Stepanenko, F.Beg, A three-channel x-ray crystal spectrometer for diagnosing high energy density plasmas, Rev.Sci.Instrum, 77,1,2006.

2. A.M. Степаненко, Баронова E.O., Виноградов В.П., Крауз В.И., Мялтон В.В., Степаненко М.М. Исследование линейчатого рентгеновского спектра на установке ПФ-3. Сборник аннотаций работ 6-й Курчатовской молодежной школы, стр. 91-92, 2008.

Study of x-ray lines on PF-3 machine. Kurchatov meeting for young scientists.

3. E.O.Baronova, M.M.Stepanenko, A.M.Stepanenko, X-Ray Spectropolarimeter, Rev.Sci.Instrum.79, 0831 05, 2008.

4. Баронова E.O., Степаненко M.M., Степаненко A.M., Однокристальный рентгеновский спектрополяриметр - принцип действия и тестирование, VI Российский семинар. Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды, Москва, МИФИ, 22-24 октября 2008, стр.38-41. Single crystal spectropolarimeter-testing and principle of operation.

5. Stepanenko A.M., Baronova E.O., Krauz V.I., Myalton V.V., Stepanenko M.M, Vinogradov, V.P., Determination of plasma temperature and density from the analysis of H- and He-like Ne spectra emitted by plasma focus with discharge current 2 MA, PS-23, Proc.of IWPDA2009 (International workshop on plasma diagnostics and applications), p. 15-21.

6. A.M.Stepanenko, M.M.Stepanenko, E.O.Baronova, Equipment to study polarized spectra emitted from pulsed plasma, CT-18, Proc. of IWPDA2009 (International workshop on plasma diagnostics and applications, ORAL), p.36-39.

7. Baronova E .O., Vikhrev V.V., Stepanenko A.M. , Stepanenko M.M., High resolution X-Ray spectroscopy of plasma focus: equipment, modeling of results, IT-2, Proc. of IWPDA2009 (International workshop on plasma diagnostics and applications), p.247-252.

8. Премия имени И.В.Курчатова, 2009.

9. Свидетельство на интеллектуальную собственность №2010611069.

10. Е.О.Баронова, В.П. Виноградов, Ю.В.Виноградов,В.И.Крауз, В.В.Мялтон, А.М.Степаненко, Определение параметров плазмы на установке ПФ-3 методами рентгеновской спектроскопии, Физика плазмы, 2011, т.37,№11,1001-1014.

11. Е.О.Баронова, В.П. Виноградов, Ю.В.Виноградов,В.И.Крауз,

B.В.Мялтон, А.М.Степаненко, Моделирование спектра NelX и NeX для определения температуры и плотности плазмы на установке ПФ-3, тезисы XXXVIII Международной (звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 14-18 февраля 2011 г.

12. А.М.Степаненко, Е.О. Баронова, Э.И.Додулад, И.Ф.Раевский,

C.А.Саранцев, Универсальный фокусирующий спектрометр для егистрации спектров плазмы в диапазоне от нескольких эВ до 00 кэВ, тезисы XXXVIII Международной (звенигородской)

конференция по физике плазмы и УТС, 14-18 февраля 2011 г.

13. Е.О.Баронова, О.А.Башутин, Е.А. Вовченко, Э.И.Додулад, В.Я.Никулин, И.Ф.Раевский, А.С.Савелов, С.А.Саранцев, П.А.Силин, А.М.Степаненко, Ю. А. Какутина, JLA. Душина, Исследование пространственной структуры пинчевого разряда с

применением теневого фотографирования и интерферометров различного типа, тезисы конференции Диагностика высокотемпературной плазмы", Звенигород 5-10 июня, стр.51, 2011.

14. Е.Д. Вовченко, O.A. Башутин,Э.И. Додулад, И.Ф. Раевский,

A.C. Савёлов, С.А. Саранцев, A.M. Степаненко, Влияние условий инициирования низкоиндуктивной вакуумной искры на динамику плазмы и процессы на поверхности электродов, тезисы конференции "Диагностика высокотемпературной плазмы", Звенигород 5-10 июня, стр.80, 2011.

15. Е.О. Баронова, O.A. Ватутин, Е.А. Вовченко, Э.И. Додулад,

B.Я. Никулин, И.Ф. Раевский, A.C. Савёлов, С.А. Саранцев, П.В. Силин, A.M. Степаненко, Ю. А. Какутина, JI.A. Душина, Определение зарядового и компонентного состава периферийной плазмы пинчевых разрядов, тезисы конференции "Диагностика высокотемпературной плазмы", Звенигород 5-10 июня, стр.77, 2011.

16. Е.О.Баронова, О.А.Башутин, В.В.Вихрев, Е.Д. Вовченко, Додулад,С.П.Елисеев, В.И.Крауз, А.Д.Мироненко-Маренков, В.Я.Никулин, И.Ф.Раевский, А.С.Савелов, С.А.Саранцев, П.В.Силин, А.М.Степаненко, Ю. А. Какутина, J1.A. Душина, Исследование развития кумулятивной струи в плазменном фокусе методами сдвиговой интерферометрии, "Физика плазмы", 2012, Т. 38, №. 9, стр. 815-825.

Подписано в печать 23.11.12 Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 70 Экз. Заказ № ЗОН Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-кт, д.28 Тел. 8-495-782-88-39