Генерация излучения в К-линиях инертных газов в микросекундном режиме имплозии | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/137

Генерация излучения в К-линиях инертных газов в микросекундном режиме имплозии

Исследования плазменных источников излучения в К-линиях вещества лайнера проводились на генераторе ГИТ-12 (4.7 МА, 1.7 мкс). В экспериментах для формирования плазмы Z-пинча применялся новый тип нагрузки - газовый лайнер с внешней плазменной оболочкой. В качестве рабочих газов использовались инертные газы неон и аргон. Газовый лайнер состоял из двух каскадов: полой цилиндрической оболочки снаружи и сплошной струи внутри. Внешняя плазменная оболочка создавалась с помощью плазменных пушек, расположенных на диаметре 350 мм. Отличительной особенностью данных исследований является то, что эксперименты с плазменным источником излучения проводились в микросекундном режиме имплозии, что обычно приводит к существенному снижению эффективности генерации излучения в К-линиях. Применение нового типа нагрузки позволило существенно повысить эффективность микросекундного плазменного источника излучения. В результате проведенной в ходе исследований оптимизации начальных параметров лайнера выход излучения в К-линиях неона составил 14.7 кДж/см при пиковом токе имплозии 3.5 МА. В экспериментах с аргоном выход излучения достиг 1.9 кДж/см при пиковом токе имплозии 3.1 МА.

Production of K-shell radiation of noble gases in the microsecond implosion regime.pdf Введение Исследования плазмы Z-пинчей в качестве источника рентгеновского излучения в К-линиях вещества лайнера ведутся с конца 70-х годов прошлого столетия. Неустойчивости Релей - Тейлора (РТ-неустойчивости), развивающиеся в процессе имплозии пламенной оболочки, существенно снижают эффективность таких источников. Например, в [1] было показано, что для тонкой оболочки предельным радиусом, при котором имплозия остается более менее устойчивой, является расстояние 2-3 см. При больших начальных радиусах имплозия лайнера становится нестабильной и выход излучения снижается в несколько раз. На практике выбор начальных параметров нагрузки (начального радиуса, массы, распределения массы в межэлектродном зазоре) для обеспечения эффективной генерации излучения в К-линиях сильно усложняется, так как фактически приходится одновременно решать три задачи оптимизации: согласование параметров нагрузки с генератором для обеспечения максимального энерговклада, выбор оптимальной массы для обеспечения генерации излучения в К-линиях и обеспечение приемлемого уровня стабильности имплозии. Частным решением данной проблемы является использование сильноточных генераторов со временем нарастания тока порядка 100 нс. При этом для согласования генератора и нагрузки, чтобы имплозия лайнера происходила вблизи максимума тока генератора, можно использовать оболочки с умеренными начальными радиусами. Однако поиск методов, позволяющих использовать нагрузки с большим начальным радиусом и при этом исключающих или существенно уменьшающих вредное воздействие РТ-неустойчивостей, остается важной задачей. Переход к следующему поколению генераторов с большей амплитудой тока при фиксированном времени нарастания тока генератора (порядка 100 нс) означает либо увеличение выходного напряжения генератора, либо уменьшение его индуктивности. В перспективе это может приводить или к проблемам с вакуумным изолятором, или к возникновению утечек в вакуумных передающих линиях при уменьшении зазоров между электродами. В качестве примера можно привести данные из работы [2], где проводится анализ экспериментов с плазменным источником излучения на генераторе ZR. При токе в магнитоизолированной передающей линии порядка 25 МА измеренный ток на входе в нагрузку составляет от 15 до 18 МА. В идеале, при обеспечении стабильной имплозии с больших начальных радиусов и при временах имплозии порядка микросекунды, в качестве драйверов для плазменных источников излучения можно было бы использовать медленные микросекундые генераторы, которые имеют более простую конструкцию и меньшую стоимость. В середине 1990-х годов идея профилирования распределения газа в межэлектродном зазоре для снижения уровня неустойчивостей [3, 4] была принята на вооружение. Подробный обзор последних достижений дан в статье [5]. Нагрузка в виде трехкаскадного газового лайнера, где две внешние оболочки были полыми, а внутренний каскад представлял собой сплошную газовую струю на оси системы, была успешно использована на генераторах Double Eagle [6], Decade Quad [7] и Saturn [8] для эффективной генерации излучения в К-линиях аргона при временах имплозии порядка 200 нс. На генераторе ГИТ-12 подобная нагрузка была протестирована в экспериментах с микросекундным временем ввода энергии в лайнер [9]. Отказ от использования плазменного прерывателя тока позволил увеличить пиковый ток имплозии с 2.5 до 3.6 МА, а выход излучения в К-линиях неона с 7 до 11 кДж/см. Однако в экспериментах с аргоновым лайнером выход излучения не превысил 0.5 кДж/см при пиковом токе имплозии 2.4 МА и времени сжатия лайнера 700 нс. Для сравнения, в экспериментах на генераторе ГИТ-12 с плазменными прерывателями тока выход излучения в К-линиях аргона составил 1.16 кДж/см при токе 2.3 МА и времени сжатия порядка 300 нс [10]. Недостаточную эффективность данного типа нагрузки продемонстрировали также эксперименты на генераторе Sphinx [11] при временах имплозии аргонового лайнера 500 нс. Выход излучения составил только 2.3 кДж/см при пиковом токе имплозии 3.6 МА. В ИСЭ СО РАН для экспериментов с плазменными источниками излучения в микросекундном режиме имплозии был предложен новый тип нагрузки - газовый лайнер с внешней плазменной оболочкой [12]. Эта нагрузка была успешно протестирована в экспериментах с дейтериевыми [13] и неоновыми лайнерами [14]. Использование дейтериевого лайнера с внешней плазменной оболочкой позволило на порядок увеличить выход нейтронов в DD-реакции. В экспериментах с неоновыми лайнерами при пиковом токе имплозии 3.5-3.6 МА выход К-излучения увеличился на 20 %, а мощность излучения возросла более чем в 2 раза. В настоящей работе представлены результаты дальнейших исследований газовых лайнеров с внешней плазменной оболочкой как источников рентгеновского излучения в К-линиях. В ходе экспериментов с неоновым лайнером была проведена более тонкая оптимизация начальных параметров нагрузки с целью дальнейшего увеличения выхода излучения. В экспериментах с аргоновым лайнером были получены данные об излучательных характеристиках Z-пинча при использовании в качестве материала лайнера вещества с большим атомным номером. Экспериментальное оборудование и диагностика Для проведения экспериментов использовался сильноточный генератор ГИТ-12 [15] без микросекундного пламенного прерывателя тока в режиме прямого вывода энергии в нагрузку. Зарядное напряжение генераторов Маркса составляло 50 кВ. В этом случае генератор запасает 2.6 МДж энергии и обеспечивает в короткозамкнутой нагрузке ток амплитудой 4.7 МА с фронтом 1.7 мкс. Плазма Z-пинча формировалась в результате имплозии двухкаскадного газового лайнера с внешней плазменной оболочкой. Схематичное изображение узла нагрузки показано на рис. 1. Плазменная оболочка, состоящая из ионов водорода и углерода, создавалась на диаметре 350 мм с помощью 48 плазменных пушек, расположенных на анодном фланце. Задержка между срабатыванием плазменных пушек и пуском генератора тока лежала в пределе от 1.65 до 1.95 мкс. При задержке 1.7-1.8 мкс линейная масса плазменной оболочки составляет порядка 5 мкг/см. Напуск газа в межэлектродный зазор генератора для формирования оболочек газового лайнера осуществлялся с помощью электромагнитного клапана [16], также расположенного со стороны анода. Для создания внешнего газового каскада использовалось кольцевое сопло с диаметром 100 мм. Внутренний каскад представлял собой сплошную газовую струю. Диаметр сопла, расположенного на оси системы, составлял 20 мм. Газовые объемы оболочек внутри клапана разделены между собой, что позволяет в эксперименте независимо регулировать массы каскадов в определенных пределах. Определение линейной массы лайнера производилось перед каждым экспериментом после сборки клапана. Для этого на специальном стенде с помощью пьезоэлектрических датчиков снималась кривая нарастания давления в объеме сопла перед критическим сечением, и затем эта кривая пересчитывалась в линейную массу лайнера по методике, описанной в [17]. При этом не учитывается отражение газа от анодной и катодной сеток, которыми ограничивается межэлектродный промежуток генератора. В экспериментах использовалась сетка из нержавеющей стали с коэффициентом пропускания порядка 70 %. Рис. 1. Схематичное изображение узла нагрузки генератора ГИТ-12: 1 - сопла клапана для напуска газа; 2 - анодный электрод; 3 - катодный электрод; 4 - плазменные пушки Стандартный комплекс электрофизической диагностики генератора ГИТ-12 использовался в экспериментах для измерения токов и напряжения. Набор диагностики для проведения экспериментов с плазменными лайнерами включал в себя следующее. Мощности и энергия излучения в К-линиях неона измерялись вакуумными рентгеновскими диодами (ВРД) с алюминиевыми фотокатодами. ВРД1 располагался за фильтром Mylar 3 мкм + Al 9.2 мкм + Kimfoil 2 мкм; ВРД2 - Kimfoil 6 мкм + Al 0.6 мкм. Третий ВРД за фильтром из Mylar 3 мкм измерял излучение в более широком спектральном диапазоне. Два фотопроводящих детектора (PCD) регистрировали К-излучение в экспериментах с аргоновым лайнером. Для выделения необходимого спектрального диапазона PCD1 располагался за фильтром Ti 6.35 мкм + Polypropylene 10 мкм, PCD2 - Teflon 30 мкм + Polypropylene 20 мкм. Изображение пинча в К-линиях неона записывалось с помощью интегральной камеры-обскуры, расположенной за фильтром из Be 25 мкм. В случае аргонового лайнера использовался фильтр Be 25 мкм + Teflon 20 мкм В оптическом диапазоне изображение сжимающегося лайнера регистрировалось с помощью двухкадрового электронно-оптического цифрового комплекса NANOGATE FRAME-9 (минимальная экспозиция - 10 нс) и фотоэлектрического регистратора ФЭР-7. Для получения дополнительной информации о параметрах и динамики движения токового слоя в экспериментах использовались три магнитных зонда (B-dot), расположенных на радиусе 30.5 (К1), 60 (К2) и 90 мм (К3). Результаты экспериментов и их обсуждение Эксперименты с неоном были посвящены исследованию динамики имплозии газового лайнера с внешней плазменной оболочкой и дальнейшей оптимизации его параметров с точки зрения выхода К-излучения. На первом этапе была проведена серия выстрелов, в которых полная масса газового лайнера составляла 400, 500 и 600 мкг/см (массы каскадов были равны) и варьировалось время напуска газа в межэлектродный зазор - 500, 600 и 700 мкс. При данных параметрах нагрузки время имплозии газового лайнера с внешней плазменной оболочкой составляло порядка 1 мкс, при этом пиковый ток имплозии достигал величины 3.6 МА. О динамике имплозии токового слоя можно судить по показаниям магнитных зондов. Типичные сигналы с магнитных зондов показаны на рис. 2. За время t = 0 принят момент времени, когда ток генератора достигает величины 100 кА. Большую часть времени имплозии (около 780 нс) происходит сжатие плазменной оболочки и газа, распределенного в радиальном направлении. Основная масса газового лайнера сжимается в последние 200-250 нс. Средняя скорость по мере имплозии возрастает с 1.6107 до 2.9107 см/с. Интересной особенностью является то, что во всех выстрелах с массой лайнера 600 мкг/см средняя скорость имплозии на последнем участке (от места расположения магнитного зонда К1 до оси системы) снижалась и не превышала 2.7107 см/с. В выстрелах с массой 400 и 500 мкг/см, напротив, наблюдалось ускорение на последнем участке, и средняя скорость могла превосходить 3107 см/с. Если использовать значение средней скорости на финальном участке имплозии для расчета кинетической энергии ионов, то получаются величины, лежащие в диапазоне от 6.2 до 12.2 кэВ. Согласно [18], минимальный энерговклад в плазму должен составлять 4.6 кэВ на ион для обеспечения генерации излучения в К-линиях неона. В данном случае эта величина обеспечивается с запасом в 1.3-2.6 раза только за счет кинетического энерговклада. Рис. 2. Типичные сигналы магнитных зондов и ВРД в экспериментах с неоновым лайнером с внешней плазменной оболочкой О стабильности имплозии можно судить по снимкам, полученным с помощью электронно-оптического цифрового комплекса NANOGATE FRAME-9 (рис. 3). Так как в каждом отдельном эксперименте можно получить не более двух кадров, то приходиться объединять снимки, полученные в разных выстрелах. Однако нужно учитывать, что при этом получается некая усредненная картина, так как в каждом выстреле варьировалась масса и/или время напуска газа в межэлектродный зазор. На рис. 3 представлена финальная стадия имплозии с радиусом порядка 3 см. За время t = 0 в данном случае принят момент максимума К-излучения. На снимках видно, что внешняя видимая граница лайнера неустойчива, однако амплитуда неустойчивости не успевает нарастать до величины, которая бы приводила к разрыву плазменной оболочки. По всей видимости, этому способствует и то, что внутренний каскад является сплошной газовой струей, а не полой оболочкой. В целом можно сделать заключение, что используемая конфигурация нагрузки позволяет обеспечить достаточную степень устойчивости Z-пинча при микросекундных временах имплозии. Рис. 3. Снимки, полученные с помощью электронно-оптического цифрового комплекса NANOGATE FRAME-9, иллюстрирующие динамику финальной стадии имплозии двухкаскадного неонового лайнера с внешней плазменной оболочкой Выход излучения в К-линиях неона в зависимости от времени инжекции газа в межэлектродный зазор генератора при различных массах неонового лайнера показан на рис. 4, а. При массе лайнера 400-500 мкг/см выход излучения остается практически постоянным на уровне (13.30.5) кДж/см при времени инжекции газа 500-600 мкс. Увеличение времени инжекции до 700 мкс является явно избыточным, так как снижение выхода излучения отмечается при всех массах лайнера. При массе лайнера 600 мкг/см наблюдается существенное снижение выхода К-излу¬чения. В предыдущих экспериментах [14], когда диаметр внешнего газового каскада составлял 80 мм, выход излучения при данной массе неонового лайнера превышал 11.5 кДж/см. Увеличение времени инжекции газа в межэлектродный зазор еще больше ухудшает ситуацию, несмотря на некоторое увеличение времени имплозии и соответственно пикового тока имплозии. Рис. 4. Зависимость выхода излучения в К-линиях неона (а) и эффективности ПИИ (б) от времени инжекции газа в межэлектродный зазор генератора при различной полной массе газового лайнера: кр. 1 - 400 мкг/см; кр. 2 - 500 мкг/см; кр. 3 - 600 мкг/см. Массы внешнего и внутреннего каскадов равны между собой На рис. 4, б представлена подобная зависимость, но уже для эффективности плазменного источника изучения (ПИИ). Эффективность ПИИ - это условный параметр, который позволяет сравнить разные типы нагрузок, либо нагрузки с разными начальными параметрами при различных уровнях пикового тока имплозии. В качестве такого параметра выбрано отношение экспериментального выхода к теоретически ожидаемому выходу К-излучения на единицу длины лайнера при заданном уровне тока: Yexp/Ytheor (%). Теоретический выход излучения рассчитывался с помощью двухуровневой модели [19]. Пример такого расчета для неоновых газовых лайнеров можно посмотреть в работе [14], где представлена расчетная зависимость выхода излучения в К-линиях неона от пикового тока имплозии в сравнении с экспериментальными данным, полученными в разных лабораториях. Эффективность ПИИ при массе неонового лайнера 400 мкг/см остается постоянной при времени инжекции газа 500-600 мкс и начинает снижаться при времени инжекции 700 мкс. При массах газового лайнера 500 и 600 мкг/см эффективность источника излучения систематически снижается при увеличении времени инжекции газа. На основании полученных экспериментальных данных был сделан вывод, что эффективность источника излучения выше при массе внешнего газового каскада 200 мкг/см. Однако максимальный выход излучения был зарегистрирован в эксперименте с полной массой лайнера 500 мкг/см. Следующим шагом оптимизации стало тестирование нагрузки с массой внешнего каскада 200 мкг/см и массой внутреннего каскада 300 мкг/см при временах инжекции газа 500 и 600 мкс. С точки зрения выхода К-излучения оба выстрела дали практически одинаковый результат - выход излучения составил 14.7 и 14.4 кДж/см соответственно. Тогда два дополнительных выстрела было проведено при времени инжекции газа 500 мкс, массе внешнего каскада 150 мкг/см и 250 мкг/см, а массе внутреннего каскада 300 мкг/см. Результаты по выходу К-излучения и эффективности ПИИ представлены на рис. 5. Видно, что и уменьшение массы внешнего каскада и ее увеличение привели к небольшому снижению выхода излучения в К-линиях неона. Однако если принять во внимание, что изменение массы внешнего каскада влечет за собой и изменение пикового тока имплозии (пусть и не слишком значительного в данном случае), то из рис. 5, б видно, что снижение эффективности источника излучения было меньше в случае уменьшения массы внешнего каскада. Таким образом, в ходе исследований была проведена оптимизация параметров неонового лайнера с внешней плазменной оболочкой в микросекундном режиме имплозии. Найдены начальные параметры нагрузки, которые обеспечили выход излучения в К-линиях неона на уровне 14.5 кДж/см при пиковом токе имплозии 3.5 МА и времени сжатия 980 нс. Мощность излучения превысила 700 ГВт/см. Хорошее совпадение теоретических оценок ожидаемого выхода излучения с экспериментальными данными позволяет сделать вывод о высокой эффективности нагрузки в виде двойного газового лайнера с внешней плазменной оболочкой для генерации К-излучения в режиме микросекундного ввода энергии в плазму Z-пинча, по крайней мере, для веществ с низким атомным номером. Рис. 5. Зависимость выхода излучения в К-линиях неона (а) и эффективности ПИИ (б) от массы внешнего каскада. Масса внутреннего каскада - 300 мкг/см. Время инжекции газа в межэлектродный зазор генератора 500 мкс (сплошные символы) и 600 мкс (открытые символы) Использование в качестве рабочего вещества газа с высоким атомным номером представляет гораздо больший интерес с практической точки зрения, так как позволяет получить источник рентгеновского излучения с большей энергией квантов. Однако затраты энергии для создания условий, необходимых для генерации излучения в К-линиях, возрастают непропорционально. Так, при переходе с неона на аргон энергия квантов увеличивается в 3 раза с 1 до 3 кэВ, а минимальный энерговклад в плазму для обеспечения генерации излучения в К-линиях - почти на порядок с 4.6 до 40 кэВ/ион. Для обеспечения такого энерговклада только за счет кинетической энергии финальная скорость имплозии аргонового лайнера должна превышать 4.4107 см/с. Задача оптимизации параметров нагрузки усложняется. Это хорошо проиллюстрировано нашими ранними экспериментами с трехкаскадными газовыми лайнерами [9]. Для неона полученный выход в К-линиях соответствовал теоретическим оценкам, а для аргона экспериментальный выход изучения составил лишь 36 % от теоретически ожидаемого выхода. На первом этапе оптимизации двухкаскадного аргонового лайнера с внешней плазменной оболочкой была получена зависимость выхода К-излучения от полной массы газового лайнера. Массы внутреннего и внешнего каскадов были равны между собой. Время напуска газа в межэлектродный зазор генератора составляло 400 мкс. Задержка между срабатыванием плазменных пушек, формирующих плазменную оболочку, и запуском генератора тока была увеличена до (1.90.05) мкс, чтобы скомпенсировать уменьшение массы газа по сравнению с неоновым лайнером. Результаты этих экспериментов приведены на рис. 6. Рис. 6. Зависимость выхода излучения в К-линиях аргона (а) и эффективности ПИИ (б) от полной массы аргонового лайнера. Массы внешнего и внутреннего каскадов равны между собой. Задержка между срабатыванием плазменных пушек и пуском генератора тока (1.90.05) мкс (темные кружки) и (1.70.05) мкс (светлые кружки) По сравнению с трехкаскадным аргоновым лайнером выход излучения в К-линиях увеличился более чем в 2 раза. Однако из рис. 6, б видно, что при массе лайнера 400 мкг/см эффективность источника излучения не увеличилась, а даже снизилась. Увеличение выхода достигнуто за счет увеличения пикового тока имплозии до 3.3 МА при времени сжатия лайнера 950 нс. Уменьшение массы лайнера приводит как к росту выхода излучения, так и эффективности источника излучения. Время имплозии лайнера с полной массой 200 мкг/см сократилось до 820 нс, пиковый ток снизился до 3 МА, но выход излучения увеличился до 1.55 кДж/см. К сожалению, дальнейшее снижение массы внешнего каскада и соответственно полной массы лайнера при фиксированном соотношении масс каскадов было невозможным из-за конструктивных особенностей клапана. Варьирование времени напуска газа в межэлектродный зазор генератора не оказало существенного влияния на эффективность плазменного источника. Эксперименты были проведены при полной массе аргонового лайнера 300 мкг/см. Как при увеличении времени инжекции газа до 500 мкс, так и при уменьшении до 300 мкс, наблюдалось лишь незначительное снижение выхода излучения. А вот снижение времени задержки между срабатыванием плазменных пушек и пуском генератора тока до (1.70.05) мкс привело к увеличению выхода излучения в К-линиях аргона при полной массе лайнера 300 мкг/см (см. рис. 6). В экспериментах с неоновыми лайнерами удалось добиться роста выхода излучения за счет перераспределения массы вещества между каскадами. Максимальный выход излучения наблюдался при массе внешнего каскада 200 мкг/см и массе внутреннего каскада 300 мкг/см. В случае с аргоновым лайнером было проведено варьирование массы внутреннего каскада при фиксированной массе внешнего каскада 100 и 150 мкг/см. Задержка плазменных пушек составляла (1.90.05) и (1.70.05) мкс соответственно. Результаты этих экспериментов приведены на рис. 7. В отличие от неонового лайнера, и в первом, и во втором случае оптимальным оказалось соотношение масс каскадов 1:1. При этом падение выхода излучения в случае массы внешнего каскада 150 мкг/см было более значительным. Рис. 7. Зависимость выхода излучения в К-линиях аргона (а) и эффективности ПИИ (б) от массы внутреннего каскада при массе внешнего каскада 100 мкг/см (кр. 1) и 150 мкг/см (кр. 2) Существует еще одна возможность повлиять на распределение плотности газа в межэлектродном зазоре генератора. В работе [20] было показано, что анодные и катодные сетки, стоящие на пути газового потока из сопла, оказывают существенное влияние на распространение газа в радиальном направлении. В описываемых экспериментах с аргоновым лайнером коэффициент пропускания анодной и катодной сеток составлял 73.6 %. Были проведены эксперименты с увеличенным и уменьшенным коэффициентом пропускания катодной сетки. Удалением каждой второй проволочки коэффициент пропускания был увеличен до 86.3 %. А использование двух наложенных друг на друга сеток уменьшает коэффициент пропускания до 51.3 %. Прозрачность сетки изменялась в центральной области внутри внутреннего катодного кольца (см. рис. 1). Параметры лайнера соответствовали нагрузке, при имплозии которой был получен максимальный выход в К-линиях аргона: полная линейная масса лайнера - 300 мкг/см; соотношение масс внутренней и внешней оболочки - 1:1; задержка между срабатыванием плазменных пушек и генератора тока - (1.70.05) мкс. Полученные результаты проиллюстрированы на рис. 8. Увеличение прозрачности сетки привело к существенному снижению выхода излучения, а уменьшение прозрачности практически не повлияло на эффективность плазменного источника излучения. Небольшое увеличение выхода удалось достичь при уменьшении прозрачности сетки на всей площади катода. Таким образом, в экспериментах с аргоновым двухкаскадным лайнером с внешней плазменной оболочкой максимальный выход излучения в К-линиях аргона составил 1.9 кДж/см при мощности излучения 188 ГВт/см. Имплозия лайнера длилась 876 нс, при этом ток достиг пикового значения 3.1 МА. По сравнению с трехкаскадным аргоновым лайнером выход излучения увеличился почти в 4 раза, что в условиях конкретного генератора тока является несомненным достижением. Однако, хотя эффективность плазменного источника излучения и увеличилась в 1.6 раза, но все равно остается низкой. Зарегистрированный выход изучения составляет только 60 % от теоретически ожидаемого выхода для данного уровня тока. Рис. 8. Зависимость выхода излучения в К-линиях аргона (а) и эффективности ПИИ (б) от коэффициента пропускания катодной сетки. Полная масса газового лайнера 300 мкг/см при равной массе внешнего и внутреннего каскадов Самой очевидной возможной причиной низкой эффективности плазменного источника излучения при использовании в качестве рабочего вещества аргона является недостаточный энерговклад в плазму лайнера. Скорость аргонового лайнера в финальной стадии имплозии выше, чем скорость неонового лайнера и в некоторых выстрелах достигает величины 4107 см/с, так как масса газового лайнера снижена. Однако даже этой скорости недостаточно, чтобы обеспечить энерго- вклад на уровне 40 кэВ/ион только за счет кинетической энергии лайнера. Для проверки этого предположения необходимо использовать клапан с измененной конструкцией, чтобы обеспечить формирование аргонового лайнера с массой ниже 200 мкг/см. С другой стороны, как показано в работе [8], энерговклад в плазму Z-пинча продолжается и на стадии стагнации плазмы на оси. Причем величина этого энерговклада даже превышает кинетическую энергию лайнера, приобретенную в процессе ускорения. Поэтому другой возможной причиной пониженного выхода излучения в К-линиях аргона является снижение эффективности энерговклада в плазму на этой стадии имплозии. На рис. 9 приведены временные развертки и обскурограммы, полученные при сжатии неонового лайнера (рис. 9, а) и аргонового лайнера (рис. 9, б). На временной развертки имплозии неонового лайнера видно, что плазменная оболочка имеет равномерное свечение. В случае аргонового лайнера, на фоне равномерного свечения наблюдаются более яркие токовые каналы. То есть азимутальная однородность плазменной оболочки хуже в случае аргонового лайнера. Возможно, что это приводит к снижению энерговклада в процессе стагнации плазмы на оси системы. Рис. 9. Временные развертки и обскурограммы пинча, полученные при имплозии двухкаскадного неонового (а) и аргонового (б) газового лайнера с внешней плазменной оболочкой. Масштаб временной развертки - 100 нс/дел. Еще одной причиной более низкой эффективности плазменного источника излучения в К-линиях аргона может являться больший уровень потерь энергии, связанный с развитием РТ-неустойчивостей в финальной стадии имплозии. Динамика имплозии неоновых и аргоновых лайнеров схожа. Как видно из рис. 3, на радиус порядка 3 см плазменная оболочка приходит достаточно устойчивой, хотя на внешней границе наблюдаются возмущения. Эти возмущения нарастают по мере ускорения лайнера к оси системы. Финальную картину можно оценить по обскурограммам пинча (рис. 9). В обоих случаях фильтры камеры-обскуры подобраны так, чтобы регистрировать изображение плазмы в области К-линий. Изображение аргонового лайнера выглядит более компактным. Наблюдаются пинч радиусом 1-1.5 мм и возмущения на его внешней границе примерно такого же масштаба. В случае неонового лайнера можно наблюдать компактный плазменный столб на оси системы и потоки плазмы или пики, которые сформировались в результате развития РТ-неустойчивостей и которые распространяются до радиуса почти 10 мм. Очевидно, что такие же пики должны формироваться и при сжатии аргонового лайнера. Они не регистрируются на обскурограмме пинча потому, что вещество в этих плазменных потоках не достигает необходимых условий для генерации излучения в К-линиях. Если данная гипотеза верна, то для повышения эффективности плазменного источника излучения в К-линиях аргона необходимо добиваться более устойчивого сжатия в финальной стадии имплозии лайнера. Заключение В ходе исследований, проведенных на генераторе ГИТ-12, были получены экспериментальные данные о динамике имплозии и излучательных характеристиках неоновых и аргоновых лайнеров с внешней плазменной оболочкой. Показано, что данный тип нагрузки является более эффективным по сравнению с трехкаскадными газовыми лайнерами для генерации изучения в К-линиях при микросекундных временах имплозии. В случае использования вещества с малым атомным номером (неон) выход К-излучения соответствует теоретическим оценкам ожидаемого выхода излучения для данного уровня тока. В экспериментах с аргоновыми лайнерами с внешней плазменной оболочкой абсолютный выход излучения в К-линиях аргона был увеличен почти в 4 раза по сравнению с трехкаскадными газовыми лайнерами. Эффективность плазменного источника излучения повысилась в 1.6 раза, но тем не менее выход излучения в К-линиях аргона составляет лишь 60 % от теоретически ожидаемого выхода для данного уровня тока. Задачей дальнейших исследований является уточнение факторов, снижающих эффективность плазменного источника излучения при временах имплозии лайнера порядка микросекунды.

Ключевые слова

K-shell radiation, plasma radiation source, z-pinch, плазменный источник излучения, излучение в К-линиях, z-пинч

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Фурсов Федор ИвановичИнститут сильноточной электроники СО РАНведущ. электроникfursov.fedor@yandex.ru
Чердизов Рустам КошалиевичИнститут сильноточной электроники СО РАНмл. науч. сотр.rustam.k.cherdizov@gmail.com
Лабецкая Наталья АнатольевнаИнститут сильноточной электроники СО РАНмл. науч. сотр.natalia@ovpe2.hcei.tsc.ru
Курмаев Николай ЕвгеньевичИнститут сильноточной электроники СО РАНведущ. электроникnick.kurmaev@yandex.ru
Кокшенев Владимир АлексеевичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н., ст. науч. сотр.vak@oit.hcei.tsc.ru
Шишлов Александр ВикторовичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., ст. науч. сотр.ash@ovpe2.hcei.tsc.ru
Всего: 6

Ссылки

Mosher D., Qi N., and Krishnan M. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 1998. - V. 26. - No. 3. - P. 1052- 1061.
Shishlov A.V., Cherdizov R.K., Fursov F.I., et al. // J. Phys.: Conf. Ser. - 2018. - V. 1115. - P. 022013.
Whitney K.G., Thornhill J.W., Apruzese J.P., and Davis J. // J. Appl. Phys. - 1990. - V. 67. - No. 4. - P. 1725-35.
Baksht R.B., Fedyunin A.V., Chuvatin A., et al. // Instrum. Exp. Tech. - 1998. - V. 41. - No. 4. - P. 536-538.
Лабецкий A.Ю., Русских A.Г., Федюнин А.В., Шишлов A.В. // Изв. вузов. Физика. - 1999. - Т. 42. - № 12. - С. 72-74.
Шишлов А.В., Кокшенев В.А., Курмаев Н.Е. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2016. - Т. 59. - № 9/3. - С. 160-163.
Бугаев С.П., Волков A.M., Kим A.A. и др. // Изв. вузов. Физика. - 1997. - Т. 40. - № 12. - С. 38-46.
Klir D., Shishlov A.V., Kokshenev V.A., et al. // Plasma Phys. Controlled Fusion. - 2015. - V. 57. - No. 4. - P. 044005.
Shishlov A.V., Baksht R.B., Chaikovsky S.A., et al. // Laser Phys. - 2006. - V. 16. - No. 1. - P. 183-193.
Zucchini F., Calamy H., Lassalle F., et al. // Proc. 7th Int. Conf. on Dense-Z Pinches, AIP Conf. Proc. - Alexandria, 2009. - V. 1088. - P. 247-250.
Kokshenev V.A., Labetsky A.Yu., Kovalchuk B.M., et al. // Proc. 14th Symp. on High Current Electronics. - Tomsk, 2006. - P. 272-275.
Shishlov A.V., Baksht R.B., Chaikovsky S.A., et al. // Plasma Devices Oper. - 2005. - V. 13. - No. 2. - P. 81-85.
Commisso R.J., Apruzese J.P., Mosher D., et al. // Proc. 16th IEEE Pulsed Power Conf. - Albuquerque, 2007. - P. 1773-1779.
Sze H., Banister J., Failor B.H., et al. // Phys. Rev. Lett. - 2005. - V. 95. - P. 105001-1-105001-4.
Levine J.S., Banister J.W., Failor B.H., et al. // Phys. Plasmas. - 2006. - V. 13. - No. 8. - P. 082702-1-082702-11.
Velikovich A.L., Cochran F.L., and Davis J. // Phys. Rev. Lett. - 1996. - V. 77. - No. 5. - P. 853-856.
Giuliani J.L. and Commisso R.J. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2015. - V. 43. - No. 8. - P. 2385-2453.
Gol’berg S.M. and Velikovich A.L. // Phys. Fluids B. Plasma Phys. - 1993. - V. 5. - No. 4. - P. 1164- 1172.
Cochran F.L., Davis J., and Velikovich A.L. // Phys. Plasmas. - 1995. - V. 2. - No. 7. - P. 2765- 2772.
Tangri V., Harvey-Thompson A.J., Giuliani J. L., et al. // Phys. Plasmas. - 2016. - V. 23. - No. 10. - P. 101201.
 Генерация излучения в К-линиях инертных газов в микросекундном режиме имплозии | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/137

Генерация излучения в К-линиях инертных газов в микросекундном режиме имплозии | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/137