Исследование высокотемпературной плазмы большой плотности методами рентгеновской спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

- В МАИ и—

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи УДК 533.952

БАРОНОВА Елена Олеговна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ БОЛЬШОЙ ПЛОТНОСТИ МЕТОДАМИ РЕНТГЕНОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

01.04.08 — физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва—1995

Работа выполнена в Российском научном центре "Курчатовский институт"

Научный руководитель:

Кандидат физико-математических наук Александров В.В.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук Шиканов A.C.

Кандидат физико-математических наук Калинин Ю.Г.

Ведущая организация: Московский Инженерно-физический Институт.

Защита состоится "_"_1995г в_часов на

заседании Диссертационного ученого совета по физике плазмы и управляемому синтезу Российского научного центра

"Курчатовский институт" по адресу:123182, Москва, пл.

И.В.Курчатова, РНЦ "Курчатовский институт",т.196-92-51.

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

Автореферат разослан "_"_ 1995г.

Ученый секретарь

j Специализированного совета кандидат физ.-мат.наук

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Интенсивные исследования плотной высокотемпературной плазмы мощных термоядерных установок актуальны как • с точки зрения изучения условий осуществления инерциального термоядерного синтеза, так и с точки зрения создания мощных источников нейтронов, когерентного и некогерентного рентгеновского и ВУФ-излучений для их приложений в различных областях науки, и техники.

Исследования такой плазмы стимулировали бурное развитие методов рентгеновской спектроскопии и аппаратуры для рентгеноспектральных исследований. Рентгеноспектральные методы диагностики являются бесконтактными и высоко информативными, так исследование излучения многозарядных ионов в рентгеновской области позволяет определять такие важные параметры плотной горячей плазмы как электронную, ионную, ионизационную температуры, электронную плотность плазмы, ионный состав, наличие надтепловсй компоненты в энергетических распределениях электронов и ионов.

Наиболее интенсивно изучение рентгеновских спектров ведется с использованием плазмы вакуумной искры, плазменного фокуса, взрывающихся проволочек и лазерной плазмы. Последние годы основные усилия были направлены на получение спектров плазмы в области мягкого рентгеновского излучения с высокими спектральным (Д\/А=Ю~4) и пространственным ! Ю-4см) разрешениями при одновременном разрешении во времени на уровне долей наносекунд. Эти эксперименты требуют как правило разработки и применения уникальной аппаратуры, высокого уровня обработки полученных результатов.

Детальное изучение тонкой структуры спектров многозарядных ионов необходимо как для уточнения данных атомной физики,так и для исследования физики процессов, имеющих место в плотных

1

высокотемпературных плазмах (образование микропинчей, перетяжек, генерация надтепловых частиц, спонтанных электромагнитных полей .и т.д.). Получение такого рода информации актуально не только с точки зрения накопления фундаментальных данных о структуре энергетических спектров ионов в плотной высокотемпературной плазме , но полезно и для ряда практических приложений, например, для оптимизации параметров источника излучения в рентгеновской литографии, для адекватной интерпретации результатов исследований по сверхплотному сжатию вещества в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу • и астрофизических исследований.

Целью настоящей работы является:

I.. Разработка и опробование нового метода рентгеноспектральной диагностики, пригодного для исследования плотной горячей плазмы, изучение с его помощью физики процессов, происходящих в плотных высокотемпературных плазмах, которые образуются при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом и в мощных импульсных разрядах.

2. Создание комплекса рентгеновской аппаратуры для исследования спектров многозарядных ионов плотной высокотешературной плазмы.

3. Создание специального спектрографа с двойной фокусировкой, для регистрации ВУФ и рентгеновских спектров с пространственным разрешением в двух взаимноперпендикулярных направлениях наблюдения одновременно.

4. Создание калибровочного стенда и исследование на нем характеристик прибора с двойной фокусировкой. •

5. Исследование спектров с помощью созданных приборов на трех типах установок: лазерной плазме, Плазменном фокусе и вакуумной искре, изучение структуры рентгеновских спектров в различных экспериментальных условиях.

Научная новизна.

2

В представленной диссертации впервые непосредственно зарегистрирован эффект взаимодействия потоков надтепловых электронов, генерируемых в плазменной короне в результате развития нелинейных . механизмов взаимодействия лазерного излучения с плазмой, с материалом мишени. Предложен новый рентгеноспектральный метод оценки энергии и интенсивности пучков надтепловых электронов, образующихся при взаимодействии мощного лазерного излучения с плазменной короной и ионных пучков, генерируемых в плазме установок типа плазменный фокус. Принцип метода основан на впервые обнаруженном эффекте несовпадения местоположения источников эмиссии атомных и ионных линий (в плазменном фокусе на несовпадении пространственных областей эмиссии ионных линий различных элементов) в лазерной плазме, который является следствием генерации сильных спонтанных магнитных полей, изменяющих траектории генерируемых надтепловых электронов.

К достоинствам метода следует отнести:

1. Возможность использования простейших типов рентгеновских приборов.

2. Измерение в одном эксперименте энергии и относительного количества рождающихся в плазме надтепловых частиц, а также электронной плотности, температуры, ионизационного состава плазмы по эмиссии ионных линий плазмы.

3. Определение положения и размеров пространственных областей локализации источников эмиссии атомных и ионных линий в плазме.

Впервые создан, опробован уникальный спектрограф с двойной фокусировкой, обладающий высокими спектральным и пространственным разрешениями и высокой светосилой, позволяющий регистрировать БУФ и рентгеновские спектры одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Уникальность прибора состоит также в применении тороидального диспергирующего элемента (впервые кристалл кварца поставлен на оптический контакт на^ изготовленную с высокой точностью тороидальную поверхность).

Научная и практическая ценность работы:

1. Разработанный метод оценки энергии и интенсивности ионных и электронных пучков может применяться для диагностики плотной высокотемпературной плазмы.

2. Применение метода для изучения рентгеновской эмиссии плазменной короны позволило зарегистрировать наличие надтепловых электронов в экспериментах по взаимодействию мощного лазерного излучения с плазмой и наметить пути измерения энергии и количества надтепловых электронов при использовании материалов с различными 2.

3. Применение метода для исследования плазменного фокуса позволило сделать вывод о перспективности использования этого типа установок в качестве источников высокоэнергетичных многозарядных ионов, что имеет практическое значение, например, для синтеза далеких трансурановых элементов.

4. Создание светосильных приборов с высокими пространственным ' и спектральным разрешениями позволяет исследовать тонкую структуру рентгеновских линий и оценивать величины электромагнитных полей в горячих областях плотной, плазмы.

Автор выдвигает к защите следующие положения:

1. Создан комплекс рентгеновской аппаратуры для исследования излучения многозарядных ионов в плотных импульсных плазмах. Наряду с дефокусирующими приборами разработаны уникальные рентгеновские спектрографы с двойной фокусировкой для регистрации спектров в двух взаимно-перпендикулярных направлениях наблюдения.

2. С помощью прибора с двойной фокусировкой выполнены измерения рентгеновского спектра многозарядных ионов железа на установке вакуумная искра, с использованием тороидальной дифракционной решетки, зарегистрированы ВУФ-спектры лазерной плазмы.

4

3. В экспериментах по взаимодействию лазерного излучения с веществом при интенсивностях лазерного излучения, превышающих 2.1013 Вт/см2, впервые обнаружено несовпадение пространственных областей эмиссии атомных К-линий и резонансных линий водородо и гелиеподобных ионов (характерные размеры смещения-сотни микрон).

4. На основании этого эффекта предложен и предварительно опробован метод оценки параметров надтепловой электронной компоненты и напрякенности спонтанных магнитных полей. Показана возможность дальнейшего развития этого метода в условиях применения материалов с различными 2.

5. При измерении линейчатых спектров в плотном г-пинче впервые обнаружено, что эмиссия линий ионов металла и ионизованного аргона наблюдается из разных пространственных областей разряда (линии металла высвечиваются прианодной областью, лиши аргона-пинчевой областью).

6.. На основании спектральных- измерений оценена скорость ионов материала мишени, движущихся к катоду (у^108см/сек). Полученные энергии характеризуют плазменный фокус как перспективный источник быстрых многозарядных ионов с высокими г^ Е1 .

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на семинарах в ТРИНИТИ, лаборатории быстрых процессов РНЦ КИ, на третьей, четвертой и пятой международных конференциях по диагностике плазмы (г. Дубна, 1983г., г. Алушта, 1986 г., г. Санкт-Петербург, 1993 г.) на третьей международной конференции по плотным г-пинчам (г.Лондон,1993 г.).

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения и содержит 153 страницы, 41 рис., и библиографию, включающую 94 наименования.

Содержание диссертации.

Во введении обоснована актуальность исследования плотной высокотемпературной плазмы, формулируются задачи диссертационной работы и коротко описано содержание глав диссертации.

В главе I дан обзор литературных данных об источниках многозарядных ионов, плазменных процессах, приводящих к возникновению тормозного и линейчатого рентгеновских излучений, методике определения параметров плазмы по относительным интенсивностям рентгеновских линий, представлен анализ.проблем возникающих яри оценке параметров плазмы, обоснование и краткое описание применяемой в экспериментах рентгеноспектральной аппаратуры.

В главе 2 описан комплекс рентгеновской аппаратуры, разработанной и.созданной для изучения рентгеновских спектров многозарядных ионов в диапазоне I-I9 А. Комплекс аппаратуры включает в себя пять приборов:

1. Спектрограф с плоским кристаллом, разработанный для пристыковки к анодной вставке установки плазменный фокус. Диапазон регистрируемых длин волн регулируется как с помощью применения различных кристаллов, так и изменением угла падения излучения на кристалл.

2. 0бзорны$ рентгеновский спектрограф с выпуклым кристаллом слюды (2d=l9,98A ). Допускается экспонирование от трех до шести кадров в зависимости от размера кадра. Откалиброван и применен на установке плазменный фокус мейзеровского типа.

3. Для регистрации небольшого диапазона длин волн с высокими спектральным и пространственным разрешениями и высокой светосилой создан и опробован спектрограф с тороидальным диспергирующим элементом для исследования параметров лазерной плазмы. Конструкция прибора представляет собой вакуумную камеру, включающую в себя два круга Роуланда радиуса 250 мм, расположенный как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Направляющие этого круга выполнены в виде рельсов, по которым перемещаются оптические столы, предназначенные для

б

крепления диспергирующего кристалла и кассеты для рентгеновской пленки.Узлы крепления кристалла и кассеты обеспечивают малые перемещения этих элементов с высокой точностью в трех направлениях, что необходимо для настройки прибора, так как для реализации высокого разрешения необходимо располагать кристалл, кассету и источник на круге Роуланда с точностью О,I мм.

В камере применен вакуумный ввод, обеспечивающий возвратно поступательное движение мишени, на поверхность которой с помощью линзы форсируется мощное лазерное излучение с интенсивностью 1012-10 Вт/см2. Создаваемая таким образом плотная горячая плазма из материалов с высокими гШ.Си.РЫ является источником рентгеновского излучения многозарядных ионов. Для проведения предварительной рентгеновской калибровки спектрографа к камере стыкуется электронно-оптическая система ЭОСС-2, служащая источником электронов. Пучок электронов с током I = 10 ма, ускоренных до напряжения 20 кВ, фокусируется с помощью электромагнитной системы и попадает на металлическую мишень в то же место, которое подвергается воздействию лазерного импульса. Подбирая материал мишени, можно создавать источник с требуемой длиной волны рентгеновского излучения и калибровать прибор на длине волны, близкой к эмиттируемой из лазерной плазмы.

В качестве диспергирующих элементов используются кристаллы кварца, поставленные на оптический контакт на тороидальную и цилиндрическую поверхности. Толщина кристаллов кварца - 80 мкм, поверхности кристалла и подложки обработаны по 14 классу чистоты, точность изготовления радиусов тороидальной поверхности -0,1 мм.

Конструкция прибора допускала применение тороидальных дифракционных решеток, при этом прибор пригоден для измерения ВУФ-спектров лазерной плазмы.

4. Разработана модификация прибора, описанного в пункте 3, предназначенная для изучения спектров плазменного фокуса. Переносной вариант прибора спроектирован для регистрации переходов в ионе аргона с ЕА=3 кэВ. Корпус прибора включает в себя часть круга Роуланда, узлы крепления кристалла и кассеты,

описанные в п.З.

5. Создана и опробована модификация прибора, описанного в п.З, предназначенная для оизмерения линейчатого излучения вакуумной искры в области 2А. На оптическом столе собраны узлы крепления кристалла и кассеты. Предусмотрена возможность юстировки оптического стола в целом.

В главе 3 приведен детальный расчет спектрального и пространственного разрешений прибора с двойной фокусировкой. Показано, что при соотношении сагиттального и меридианального радиусов 11д= !1тсоз2е и расположении источника, кристалла и кассеты на круге Роуланда прибор обладает максимальной светосилой, пространственным и спектральным • разрешениями. Применяемый в данной работе тороидальны^ диспергирующий элемент может обеспечить на длине волны вблизи 7А пространственное разрешение 10 мкм, спектральное Ю"5, т.е. при точной ( +50'мкм ) установке всех элементов на круг Роуланда полностью реализуется высокое качество кристалла кварца. В качестве сравнения приведен расчет тех же величин для сферического диспергирующего элемента. Показано, что даже более точно изготовленная сфера не приведет к улучшению спектральных характеристик прибора, что объясняется большими величинами сферической аберрации и комы, присущих сферической поверхности.

Для исследования характеристик прибора создан стенд, включающий питания электронной пушки, служащей источником электронов. Приведены результаты рентгеновской калибровки прибора с помощью ЭОП'а. Электронный пучок, испускаемый ЭОСС-2, фокусировался на поверхность мишени МБ, позволяющей за счет флуоресценции (МБ при бомбардировке электронами визуализировать область фокусировки. Видимый свет фокусировался кристаллом на фотокатод ЭОП' а, таким образом подбиралось оптимальное положение кассеты и кристалла.

Далее описана рентгеновская калибровка с помощью ЭОСС-2 и мишени из кремния. Проверена тарке работоспособность прибора на длинах " волн, близких к 2А, для этого использовалась рентгеновская • трубка с Со-анодом. Полученные результаты

свидетельству.. ; высоком качестве прибора с тороидальным диспергирующим ¿.-.¿ментом.

Приведены рентгеновские спектры железа, полученные на установке типа вакуумная искра с помощью спектрографа с двойной фокусировкой и прибора с цилиндрическим кристаллом. Подтверждены ранее известные для этого вида установок данные об относительно больших собственных ширинах линий, что не позволило продемонстрировать высокую разрешающую способность прибора.

Приведены также ВУФ-спектры в диапазоне 88-225 нм., зарегистрированные на лазерной плазме.

В главе 4 описаны результаты экспериментов, проведенных в опытах по измерению эффективности поглощения лазерного излучения в диапазоне интенсивностей Вт/см2 для мишеней из

материалов с различными Ъ. С помощью кристаллов КАРа и слюды зарегистрированы в первом порядке отражения обзорные спектры алюминия и кремния, определен зарядовый состав плазмы. При работе в первом порядке разрешение недостаточно для оценки параметров плазмы, поэтому были измерены спектры гелиеподобного и водородоподобного алюминия во втором порядке отражения от кристалла кварца. Оценены электронные температура и плотность плазмы из относительных интенсивностей сателлитов и резонансных линий. Следует отметить высокий коэффициент отражения л = 1% от кристалла кварца во втором порядке отражения.

Обнаружено, что при высоких ингексивностях лазерного излучения I = 2 Ю13Вт/см2 в опытах с А1 мишенями, кроме резонансных линий ионов в спектре присутствуют Ка и К^-линии атомного алюминия. На спектрограмме видны также разрешенные в эксперименте Ка-линии низких кратностей ионизации (в частности Ка-линии Ве.В.С-подобного алюминия). Уширенное коротковолновое крыло Ка-линии атомного алюминия свидетельствует о присутствии в плазме ионов еще более низких кратностей ионизации, линии которых не удалось разрешить в нашем эксперименте.

Зарегистрировано изменение местоположения атомных линий относительно ионных в различных выстрелах. Объяснение этого эффекта, видимо, заключается в том, что области свечения ионных

и атомных линий разнесены в пространстве (характерные размеры смещения-сотни микрон). Это подтверждают фотографии плазмы, полученные с помощью камеры-обскуры, а также эксперименты по облучению конусных мишеней и кратеров (небольших углублений на поверхности мишени, образованных в предыдущем выстреле) проведенные в аналогичных условиях. Приведена физическая интерпретация наблюдаемого эффекта. Обнаруженные явления интерпретируются на основе представлений о наличии спонтанных магнитных полей, определяющих траектории надтепловых электронов в плазменной короне. Предложен метод оценки параметров электронного пучка и магнитных полей, генерируемых в плотной плазме. Суть метода состоит в том, что по наличию Ка-линий элементов с высокими 2 (внедренных в качестве добавок в материал мишени) можно оценить энергию надтепловых электронов и, при известной величине смещения источника атомных линий от фокального пятна, оценить порядок величины магнитного поля.

• В главе 5 описаны эксперименты, проведенные на установке плазменный фокус в двух режимах работы:

1. Плоская анодная вставка.

2. Коническая анодная вставка.

Приведены спектры гелиеподобного аргона, полученные в третьем порядке отражения от выпуклого кристалла слюды для режима I. Вблизи них наблюдаются слабые линии N1-подобного тантала (материал анода). Замечено изменение местоположения танталовых линий относительно линий аргона в различных выстрелах, эффект объяснен разнесением в пространстве источников свечения этих линий, а также допплеровским смещением, обусловленным движением ионов тантала к катоду. Оценена скорость движения пучков ионов, движущихся к катоду.

В режиме 2 не наблюдались линии аргона. Зарегистрированы наиболее представительные линии К.Ь.М -серий тантала, а также переходы ЗсЕ9-Зс184Г в N1 -подобном тантале. Оценена энергия электронного пучка.

Приведена простейшая физическая модель наблюдаемых явлений. Изображения плазмы, полученные с помощью камеры-обскуры, и

спектры, снятые с пространственным разрешением показывают, что имеются две излучающие в рентгене области плазмы: аргоновый пинч и светящаяся прианодная область. Известны экспериментальные результаты, подтверждающие образование в пинчах электронных пучков. Такие высокоэнергетичные электроны способны взаимодействовать с поверхностью анода, вызывать свечение характеристических линий, возможно испарять тонкий слой материала мишени ' и ионизовать его. Подтверждение этого предположения можно получить после реализации временных измерений аргоновых и танталовых линий.

В заключение приведу основные выводы и результаты работы:

1.Создан светосильный рентгеновский спектрограф с двойной фокусировкой для исследования рентгеновских и УФ-спектров плотных импульсных плазм в двух -направлениях наблюдения одновременно. В качестве диспергирующего элемента используется тороидальный кристалл кварца, поставленный на оптический контакт на изготовленную с высокой точностью (ДЛ=0,1мм) тороидальную подложку. Расчетные спектральное и пространственное разрешения составляют соответственно: ДЛ/Л=10-5, Ах=10 мкм.

2. Выполнены измерения рентгеновского спектра железа на установке вакуумная искра, предварительные результаты свидетельствуют о поляризации линейчатого спектра, излучаемого плазмой импульсного разряда. Сильное уширение линий не позволило реализовать высокое спектральное разрешение прибора с двойной фокусировкой.

3. В экспериментах по взаимодействию лазерного излучения с веществом при интенсивностях лазерного излучения, превышающих 2.1013 Вт/сьг, впервые обнаружено несовпадение пространственных областей эмиссии атомных К-линий и резонансных линий водородо и гелиеподобных ионов. Величина этого смещения, оцененная рентге-носпектральным методом, составляет несколько сотен микрон.

4. На основании этого эффекта предложен и предварительно опробован метод оценки параметров надтепловой электронной

11

компоненты и напряженности спонтанных магнитных полей. При наличии в плазме электронов с энергиями в несколько десятков кэВ напряженности спонтанных магнитных полей могут достигать сотню килогаусс. Показана возможность развития этого метода в условиях применения материалов с различными 1.

5. При измерениии линейчатых спектров в плотном г-пинче впервые обнаружено, что эмиссия линий ионов металла и ионизованного аргона наблюдается из разных пространственных областей разряда (линии металла высвечиваются прианодной областью, линнии аргона-пинчевой областью). Расстояние между этими областями десятки миллиметров.

6. На основании спектральных измерений оценена скорость ионов материала мишени, движущихся к катоду, см/сек. При обработке результатов учитывался допплеровский сдвиг линий и изменение во взаимном расположении линий, обусловленное несовпадением положений источников их эмиссии.

Полученные энергии ионов характеризуют плазменный фокус как перспективный источник быстрых многозарядных ионов с высокими 2} и Е1.

7. Разработанный метод оценки энергии надтепловых компонент и напряженностей магнитных полей может быть реализован посредством применения простых спектральных приборов и использован для диагностики плотных высокотемпературных плазм.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Александров В.В., Баронова Е.О., Бреннер М.З., и др., Применение рентгеновских спектрографов с плоским и вогнуиым кристаллами для исследования линий многократно ионизованных ионов в лазерной плазме. Диагностика плазмы, 1989, в. 6, стр. 55-58., Сборник докладов 4 всесоюзного совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, Алушта, 1986, 29 сент.-З окт.

2. Александров В.В., Баронова Е.О., Бреннер М.В., Ковальский Н.Г., Спектрограф с двойной фокусировкой для исследования параметров лазерной плазмы по линейчатому излученмию ионов

12

в ВУФ и рентгеновском диапазонах. Сборник докладов 3 всесоюзного совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, сТр.51, Дубна, 1983, 12-16 сенг.

3. Baronova Е.О., Rantsev-Kartinov V.A., Stepanjenko М.М,, Fllippov N.V., Characteristics of fast particles and an analysis of X-ray spectra in the plasma focus discharge, Proc. of 20 th EPS Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics.

1993, Lisboa, Part 3, v. 17c, pp. 531-534.

4. Baronova E.O., Rantsev-Kartinov V.A., Stepanjenko M.M., Tykshaev V.P., Filippov N.V., Observation of plasma focus X-ray spectra and determination. Proc.of 3th International Conference on Dense Z-pinches, pp 275-280, 19-23 April, London, UK.

5. Баронова E.O., Ранцев-Картинов В.А., Степаненко M.M., Филиппов Н.В., Сб. докладов 5-ой Международной конференции по Диагностике плазмы, 1993 г., г. Санкт-Петербург, Физика плазмы,

1994, TI, стр.86-87.

6. Ковальский Н.Г., Александров В.В., Ярославский А.И., Баронова' Е.О., Капуста Г.С., Хабиров А.З., Рентгеновский спектрограф с двойной фокусировкой, М., 1980, Отчет о ЧТР Ю/НИР-Ю29-80, ИАЭ им. И.В.Курчатова (филиал).

7. Баронова Е.О., Вовченко Е.Д., Долгов А.Н., Мамет A.M. Разработка, создание установки плазменный фокус и исследование ее с помощью аппаратуры для диагностики сверхплотной горячей плазмы, отчет МИФИ по теме 78-3-78, № 79002821, М., 1979 , 36 стр. (заключительный).

8. Савелов А.С., Баронова Е.О., Мамет A.M., Ульянов О.И., отчет МИФИ по теме 78-3-78, М, 1979 24 сгр, часть I.

Технический редактор С.К. Сведлова

Подписано а печать 20.04.95. Формат 60x84/16 Уч.-изд. л. 0,7. Тираж 61. Заказ 44

Отпечатано в РНЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл. Академика Курчатова