Развитие оптических методов дагностики в пучово-плазменных экспериментах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Рг Б ОД

- С МАЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

Мельников Пётр Иванович

РАЗВИТИЕ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ В ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ

01.04.08 - физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1995

Работа выполнена в ГНЦ РФ " Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН"

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ Князев

Борис Александрович

доктор физ.-мат. наук, профессор Новосибирский государственный университет, г.Новосибирск

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Бетеров

Игорь Менделевич

Вячеславов Леонид Николаевич

доктор физ.-мат. наук, доцент, Институт физики полупроводников СО РАН, г.Новосибирск.

кандидат физ.-мат. наук, доцент ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН", г.Новосибирс

Ведущая организация: РНЦ "Курчатовский институт",

отделение прикладной физики, г. Москва.

Защита диссертации состоится " " ^(^¿к-_ 1995 г. в

" //' " часов на заседании специализированного совета Д.002.24.02 при ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН".

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН".

Автореферат разослан " ^ " 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета академик

Б.В. Чириков

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Мощные релятивистские электронные пучки (РЭП) применяются для генерации рентгеновского и СВЧ излучений, накачки лазерных сред, эффективного нагрева плазмы в открытых ловушках и для других целей. В настоящее время получены пучки с энергосодержанием несколько сотен кДж при энергии электронов порядка 1 МВ. Дальнейшее повышение параметров РЭП (таких, как энергосодержание, энергия электронов, плотность тока) делает необходимым детальное изучение процессов, происходящих в диоде во время генерации РЭП. Новые методики измерений, разработанные для этих целей могут применяться и на других устройствах, например, в ионных ускорителях. Оптические диагностики являются наиболее адекватным, а, зачастую, единственным методом исследования диодов и высокотемпературной плазмы. Развитие этих методов применительно к экспериментам по взаимодействию РЭП с плазмой является важной составляющей работы.

Цель работы. Диссертационная работа заключалась в разработке и практическом применении нового бесконтактного метода измерения локальной напряжённости электрического поля с временным разрешением. Необходимо было провести теоретические расчёты для обоснования метода, проверить эти расчёты на стендовой установке, а затем применить этот метод в экспериментах по изучению движения эмиссинных границ анодной и катодной плазм в диоде мощного электронного ускорителя. Другой целью работы являлось измерение и оптимизация параметров преяплазмы, создаваемой для экспериментов по взаимодействию РЭП с плазмой, исследование процессов взаимодействия, с применением оптических средств диагностики, как специально разработанных, так и традиционных, адаптированных к условиям плазменно-пучкового эксперимента.

Научная новизна. Был разработан новый метод измерения электрических полей. Продемонстрирована возможность использования метода в сложных экспериментальных условиях при наличии мощных электромагнитных и рентгеновских полей (мощность импульса ускорителя ~ 20 ГВт). Впервые на подобного класса устройстве осуществлены прямые измерения напряжённости электрического поля в процессе генерации РЭП

с временным разрешением. Исследования показали что в период 1 ч-1,5 мкс после начала генерации РЭП диод переходит в биполярный режим. Скорости движения эмиссионных границ анодной и катодной плазм примерно одинаковы и равны приблизительно 106 см/с.

Для экспериментов по исследованию предплазмы был разработан новый тип оптического плазмоскопа. Исследования с его помощью показали, что гелиевая предплазма, получаемая с помощью прямого разряда, становится однородной после 10 мкс от начала разряда, и некоторое время сохраняется благоприятное для пучково-плазменных экспериментов распределение плотности, а после окончания тока проявляется неоднородность с характерной лучевой структурой. В пучково-плазменных экспериментах было обнаружено, что нагрев плазмы наиболее эффективен при инжекции пучка в однородную предплазму. В этих экспериментах достигнута электронная температура 500 эВ при электронной плотности плазмы ~ 1015 см-3. Показано, что в исследуемом интервале плотностей плазмы зависимость энергопотерь пучка от плотности соответствует теоретической 1/п. Была продемонстрирована возможность использования в пучково-плазменных экспериментах спектроскопического метода определения-температуры электронов, который дал хорошее согласие с традиционным диамагнитным (в комплексе с интерферометрнческим).

Практическая ценность. Метод активной штарковской спектроскопии (АШС) выгодно отличается от других методов высокой надёжностью результатов и относительной простотой. Метод АШС позволяет дистанционно измерять локальную напряжённость электрического поля с разрешением по времени. Новый способ измерения универсален и может быть использован в широком ряде устройств. Модификация метода с использованием ЭОП может использоваться для мгновенного измерения пространственного распределения электрических полей. Результаты исследований характеристик предплазмы позволили провести эксперименты по нагреву плазмы на установке У-1-СПИН при оптимальных условиях и достичь высоких параметров плазмы. Апробированные в работе оптические методы диагностики плазмы с успехом применяются на установке нового поколения ГОЛ-3.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на Звенигордских конференциях по физике плазмы 1990-1992 гг.; 8-м Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике, Свердловск, 1990, г.; 8-й Международной конференции по мощным пучкам частиц "ВЕАМ8'90", Новосибирск, 1990; 9-й Международной конференции по мощным пучкам частиц "ВЕАМ8'92", Вашингтон,'1992 г.

По теме диссертации опубликовано 12 статей и 1 препринт.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, трёх глав и Заключения и содержит 122 страницы машинописного текста, включая 42 рисунка и список литературы из 107 наименований.

Содержание работы

В первой главе содержатся теоретический расчёт штарковского расщепления 4P-4D-4F мультиплета атома лития, оценки необходимых для оптимальной накачки 4Б-уровня лития параметров лазерного излучения, оценены пределы физических параметров объектов, при которых возможно использование метода, описаны основные элементы экспериментальной системы для измерения электрических полей, приведены результаты стендового эксперимента по проверке метода АШС.

Квантовомеханнческий расчёт показал, что 4-й уровень атома Li расщепляется линейно по напряжённости электрического поля уже при полях, больших 3 кВ/см. Величина расщеплпния достаточно велика, и при наблюдении спонтанной флуоресценции это расщепление может быть зафиксировано с помощью обычных (призменных или дифракционных) спектральных приборов. Возбуждение этого уровня может быть осуществлено каскадно с помощью лазеров на красителях в насыщенном режиме.

Для проверки квантовомеханических расчётов, подготовки и апробации экспериментальной аппаратуры был проведён стендовый эксперимент. В ходе эксперимента были подготовлены лазеры на красителях (оксазнне-17 и кумарнне-1) и достигнуты необходимые параметры: длина волны, мощность, длительность. Причём, лазер на кумарине-1, возбуждающий расщепляемый переход, имел достаточно широкий спектр излучения для возбуждения расщепляемых электрическим полем уровней. Атомный пучок с нужными параметрами получался путём лазерного испарения литиевой мишени. Система регистрации состоящая из монохро-матора МДР-23, диссектора или волоконно-оптической системы позволяла измерять напряжённости, превышающие 20 кВ/см. Проведённый эксперимент по измерению методом АШС известного электрического поля в плоском конденсаторе показал хорошее согласие теоретического расчёта с экспериментальными данными.

Во второй главе описан эксперимент по измерению электрического поля в диоде ускорителя У-1, приведены результаты эксперимента, обсуждены его итоги.

В экспериментах расщепление линий регистрировалось двумя способами - волоконно-оптической системой (ВОС) и диссектором. Системой

ВОС были зафиксированы моменты прихода эмиссионной границы в двух точках наблюдения. С помощью диссектора были проведены прямые измерения напряжённости электрического поля в центре диодного зазора. По этим измерениям были восстановлены положения эмиссионных границ катодной и анодной плазм. Показано, что примерно через 1 мке после начала импульса диод переходит в биполярный режим. При этом скорости движения анодной и катодной плазм приблизительно одинаковы и равны ~ 10® см/с.

В третьей главе приведены результаты экспериментов по исследованию плазмы прямого разряда длиной один метр и инжекции РЭП в эту плазму, а также детально описаны все используемые диагностики.

При исследовании предплазмы применялся специально разработанный оптический плазмоскоп, показавший, что плазма прямого разряда в широком интервале начальных плотностей Не становится однородной после 5 мке от начала разряда, а через 50 мке развивается неоднородность с характерной лучевой структурой. При измерении основных параметров плазмы использовались также спектроскопическая система (измерение Те), интерферометр и диамагнитные зонды. Измерения этими диагностиками хорошо согласуются между собой. Было экспериментально показано, что взаимодействие наиболее эффективно если инжектировать РЭП в однородную плазму. Измеренные с помощью диамагнитных зондов и спектроскопических методик электронные температуры совпадали и при плотности Не 5 ■ 1014 см-3 составляли 400 ~ 500 эВ. Было обнаружено, что энергосодержание плазмы сразу после окончания РЭП растёт с уменьшением начальной плотности гелия как 1/по-

Основные результаты.

1. Разработан новый дистанционный метод измерения напряженности электрического поля по штарк-эффекту в атоме лития. Кван-товомеханический расчёт штарковского расщепления уровней лития с главным квантовым чилом п — 4 показал возможность осуществления метода сравнительно простыми техническими средствами. Приведённые расчёты и оценки показывают универсальность метода АШС, который может применяться в широком ряде устройств, позволяя измерять электрические поля локально и с разрешением по времени.

2. Подготовлена аппаратура и осуществлена экспериментальная проверка метода. Эксперимент по измерению известного электри-

ческого поля методом АШС подтвердил верность теоретических расчётов.

3. Впервые были проведены прямые измерения локальной напряженности электрического поля в высоковольтном вакуумном диоде с временным разрешением в течение генерации РЭП. Применение нового метода на крупной установке с высоким уровнем помех продемонстрировало его широкие практические возможности.

4. Измерения позволили восстановить движение эмиссионных границ катодной и анодной плазм. Было показано, что после 1 мкс диод переходит в биполярный режим.

5. Были исследованы основные параметры гелиевой плазмы замагни-ченного прямого разряда, включая её пространственное распределение, в широком интервале начальных давлений гелия 3 • 1014

1,7 -1016 см"3.

6. Для исследования пространственного распределения плотности плазмы был разработан оптический плазмоскоп, позволивший изучить характер изменения однородности плазмы с течением времени. Применённая спектроскопическая диагностика для локального определения электронной температуры дала хорошее согласие с диамагнитными измерениями.

7. Были найдены оптимальные условия для инжекции РЭП в гелиевую предплазму. В экспериментах по взаимодействию 100 кДж РЭП с плазмой достигнута электронная температура ~ 500 эВ при плотности электронов плазмы 1015 см-3. Энергосодержание гелиевой плазмы сразу после окончания импульса РЭП росло с уменьшением начальной плотности гелия (в исследуемом интервале плотностей 5 • 10" 4-1,5 • 1015 см"3) как 1/п0.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. В.А. Knyazev, S.V. Lebedev and P.I. Melnikov. Stark specrtoscopy of laser excited atoms as a method for measuring the electric fields in high voltage vacuum diode. In Proc of 17th Intern. Conf. in Phenomena in Ionized Gases, pages 1008-1012, Budapest, 1985. V.2.

2. Б.А. Князев, С.В. Лебедев и П.И. Мельников. Активная шгаркои екая спектроскопия атомного пучка как метод измерения электрических полей. ЖТФ, 61(3):6-18,1991. Препринт 87-60, ИЯФ СО АЕ СССР, Новосибирск, 1987. 31 с.

3. В.A. Knyazev and P.I. Melnikov. Resonance fluorescence of an atomii beam at saturated excitation of cascade levels. In 7th Europ. Sect. Conj on Atomic and Molec. Phys. of Ionized Gases: Abstracts, Lisbon, 1989 Препринт 88-130, ИЯФ CO АН СССР, Новосибирск, 1988. 4 с.

4. Б.А. Князев, С.В. Лебедев и Мельников П.И. Лазерное возбуждение литиевого пучка,- расширение возможностей диагностики. Е кн.: Диагностика плазмы, под ред. М.И. Пергамента,'N6, с. 58-62 Энергоатомиздат, Москва, 1989.

5. Б.А. Князев, П.И. Мельниковц В.В. Чикунов. Оптический метод регистрации распределения плотности по сечению протяженных плазменных столбов. ЖТФ, 60(10):48-53, 1990.

6. Б.А. Князев, П.И. Мельников и В.В. Чикунов. Исследование плазмь замагниченного прямого разряда в металлической камере на установке У-1. ЖТФ, 63(10):49-57,1993. Характеристики плазмы замагниченного прямого разряда в металлической камере на установке СПИН. Препринт 90-39, ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск, 1990 16 с.

7. Б.А. Князев, П.И. Мельников п В.В. Чикунов. Взаимодействие мощного микросекундного РЭП с газом и плазмой в метровом соленоиде Препринт 90-40, ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск, 1990. 19 с.

8. Б.А. Князев, П.И. Мельников и В.В. Чикунов. Транспортировке 100-кДж микросекундного РЭП через газ и плазму в сильном магнитном поле. Физика плазмы, 16(12):1447—1456, 1990.

9. Б.А. Князев, П.И. Мельников и В.В. Чикунов. Прохождение 10( кДж РЭП через плазму в метровом соленоиде в магнитном поле 4 Тл. В: Тез. Докл. VIII Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике, с. 184-186, Свердловск, 1990. 4.1. .

10. V.V. Chikunov, В.А. Knyazev, P.I. Melnikov and A.A. Nikiforov Diagnostics for microsecond REB-plasma experiments on Ul-SPIIS device. In Proc. of 8th Internat. Conf. on High-Power Particle Beams 'BEAMS-90\ pages 241-249, Novosibirsk, 1990. V.l.

11. Б.А. Князев, П.И. Мельников и В.В. Чикунов. Локальные измерения сильных электрических полей в диоде импульсного электронного ускорителя методом активной штарковской спектроскопии. Письма в }КТФ, 17(10):16-21, 1991. Измерение напряженности электрического поля в мегавольтном вакуумном диоде методом активной штарковской спектроскопии. Препринт 90-148, ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск, 1990. 10 с.

12. V.V. Chikunov, В.A. Knyazev and P.I. Melnikov. Electric field strength measuring in a megavolt vacuum diode using laser induce fluorecence of an atomic beam. In Proc. of 9th Intern. Conf. on High-Power Particle Beams, 'BEAMS-92', pages 1043-1048, Washington, 1992. V.2.

13. Б.А. Князев и П.И. Мельников. Динамика спектров генерации лазеров на растворах кумарина-1 и оксазина-17, накачиваемых импульсными лампами. Журнал Прикладной Спектроскопии, 58(3-4):397-400,1993. Препринт 90-133, ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск, 1990. 7 с.