Введение к работе
1.Актуальность темы исследований.
Исследования Z-пинчевых систем ведутся с первых дней работ по УТС и до настоящего времени интерес к ним сохраняется как к простейшему способу получения высокотемпературной плазмы с током, в многообразии свойств которой таятся практически неисчерпаемые возможности для исследования фундаментальных законов физики плазмы и многочисленные возможности их практического использования /1,2/.
В середине 70-х годов в связи с развитием техники РЭП возникло новое направление сверхбыстрых пинчей, развиваемое по программам инерционного УТС и разработки мощных источников жесткого рентгеновского излучения (ЖРИ). В последнее время эти же установки стали использоваться как мощные источники МРИ для обжатия термоядерных мишеней /3/.
Практически подобные же задачи, но в существенно более простом варианте, могут решаться с использованием сильноточных разрядов типа Плазменный фокус (ПФ). Например, среди существующих методов генерации ЖРИ наряду с системами типа РЭП, достаточно часто используются плазменные сильноточные системы типа ПФ, которые в определенных режимах работы также являются мощными источниками тормозного РИ. Если в РЭП-овских системах характеристики рентгеновского потока задаются внешними устройствами (ускоряющим напряжением, материалом анода и др.), то в ПФ-снстемах, например, спектр излучения определяется сложной совокупностью факторов, определяющихся как условиями генерации ЭП в плазме пинча , так и условиями торможения ЭП на аноде.
Преимущество ПФ-систем в сравнении с вакуумными диодами для генерации РИ, кроме относительной простоты уста-
новок, состоит в отсутствии проблемы мишени, что позволяет работать с частотой повторения ~ 10~2с-1 . В ПФ-системах генерируются ЭП с существенно более низкими энергиями электронов, дающими относительно более "мягкий спектр " генерируемого РИ. Последнее является важной характеристикой РИ, необходимой при использовании его, например, для испытания элементов радиоаппаратуры на радиационную стойкость. Решение задачи увеличения выхода РИ в системах типа ПФ предполагает необходимость исследования условий и режимов генерации ЭП с целью создания адекватной физической картины процессов в плазме пинча и в зоне контакта (ЗК) шшча с анодом.
Актуальность изучения процессов в зоне кумуляции плазменной оболочки и контрагирования тока обусловлена, в частности, также тем, что выходные (излучательные) характеристики ПФ существенным образом зависят от формы токово-плазменной оболочки (ТПО), типа кумуляции, от величины тока и скорости его нарастания и т.д.
Проблемы, возникающие при исследовании этой фазы разряда, во многом связаны с экстремальными параметрами плазмы, образующейся в зоне кумуляции ПФ - плотность ~ 1019см~3, температура ~ 1кэВ, характерное время ~ 1нс. Исследования динамики ТПО ранее проводились, в основном, в оптическом диапазоне излучения, в то время как очевидно, что для указанных параметров плазмы наиболее информативным является мягкое рентгеновское излучение (МРИ). В связи с этим возникает задача создания новой диагностической аппаратуры, обеспечивающей:
необходимое пространственное (~ Ю-1 см) и временное (~ 1нс) разрешение;
регистрацию и построение изображения ПФ в рентгеновском диапазоне спектра излучения (МРИ и ЖРИ);
- работоспособность аппаратуры в условиях высокого уровня электромагнитных помех и потоков рентгеновского излучения.
Импульсные давления, возникающие в ЗК и достигающие величины Мегабарного диапазона, приводят к откольным разрушениям материала анода /4/. Наблюдавшееся ранее явление тыльных отколов может быть использовано, в частности, для генерации микрометеоритного дождя. Скорость осколков должна зависеть от толщины материала анода. При исследовании этого процесса был обнаружен эффект, названный "тонким отколом тонких анодов" /5/. Созданная теоретическая модель явления представляла собой новую гипотезу, требовавшую экспериментального подтверждения, но из-за отсутствия необходимой аппаратуры оставалась непроверенной более двух десятилетий.
Не менее дискуссионным является вопрос о времени жизни высокотемпературной области плазмы в зоне кумуляции ІІФ - разряда. Сложность явления нецилиндрической кумуляции ТПО, требующего, с одной стороны, для своего описания сложных двух-трех-мерных магнито- гидродинамических расчетов, с другой - высокого уровня диагностических методик, обеспечивающих необходимое пространственно-временное разрешение в области МРИ, привело к массе моделей, предназначенных для объяснения аномально высокого времени существования зоны компрессии пинча в конечной стадии сжатия ПФ -разряда, но вопрос остается открытым до настоящего времени.
Необходимость всесторонних исследований физических процессов в зоне кумуляции ПФ - разряда и построение моделей, описывающих явления в зоне контакта пинча с анодом и определили тему диссертационной работы и ее цели.
2.Целью настоящих исследований являлось:
Разработка и создание методики скоростной рентгеновской хронографии для исследования динамики излучающих областей сильноточного газового разряда типа ПФ, адаптированной к условиям работы при давлениях газа ~ 0.5 4- 3 Тор, импульсным нагрузкам, связанным с ударами разлетающейся ТПО о стенки камеры и диагностические окна, в условиях мощных электромагнитных помех и потоков радиации.
Экспериментальное исследование приэлектродных процессов, определяемых динамикой ПФ-разряда во время генерации жесткого рентгеновского излучения, и выбор модели, описывающей процессы в зоне контакта пинчевого тока с материалом анода.
Совместный анализ полученных ранее данных по измерению спектральных характеристик ЖРИ и их временной эволюции с динамическими явлениями в ЗК и процессами, приводящими к откольным разрушением материала анода.
Исследование объемного рентгеновского излучения зоны кумуляции пинча методами скоростной рентгеновской хронографии в кэВ -ном диапазоне энергии квантов.
Исследование характеристик преобразователей рентгеновского излучения в видимый свет на основе тонких кристаллических пленок Csl при облучении синхротронным излучением накопителя "SUPER АСО" ( исследование люминесценции, фотоэмиссии и десорбции микрокристаллических слоев Csl). 3.Научная новизна и практическая ценность. Основные результаты работы имеют приоритетный характер и впервые получены на импульсных плазменных установках ПФ, являющихся уникальными как по своей конструкции (ИСПФ, ПФ-3), так и по энергетике (ПФ-3), с применением новейшей аппаратуры и разработанных на ее основе диагностических методов.
Полученные в работе результаты относятся к физике импульсных сильноточных разрядов и имеют важное значение
для построения физических моделей процессов и решения прикладных задач. Так данные о динамике токово-плазменной оболочки ПФ- разряда в зоне контакта, с анодом оказали существенный вклад в развитие оригинальной модели ускорения заряженных частіш и позволили дать новые трактовки и существенно дополнить имевшиеся представления о целом ряде раннее наблюдавшихся экспериментальных явлений (явление "откола", ряд специфических черт спектра жесткого рентгеновского излучения и др.).
Исследование динамики мягкого рентгеновского излучения позволило внести существенный вклад в разработку одного из ключевых вопросов - времени жизни ПФ- образования.
Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности их использования при создании мощных источников рентгеновского излучения и пучков заряженных частиц на базе ПФ-систем.
Созданный диагностический комплекс и полученные результаты по исследованию сцинтилляторов имеют важное значение для диагностики ионизирующих излучений и исследований в области физики быстропротекающих процессов. 4.Основные положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся:
-
Методика скоростной рентгеновской хронографии для исследования процессов в зоне кумуляции плазмофокусного разряда, сопровождающихся излучением как жесткого (~ 30 -f 50 кэВ) рентгеновского излучения из зоны контакта пинча с анодом, так и объёмного мягкого РИ с энергией квантов ~ 1 кэВ.
-
Результаты исследования приэлектродных процессов в зоне контакта (ЗК) ПФ- разряда с материалом анода:
t вывод о радиальном расширении зоны контакта ТПО с анодом с фазовой скоростью (~ 108 см/с), более чем на порядок величины превышающей гидродинамическую скорость разлета паров материала анода;
экспериментальная зависимость скорости расширения ЗК и ее размеров от интегрального выхода рентгеновского излучения.
3. Модель физических процессов в ЗК, основанная на пред
положении о демпфировании прерывания тока в переходной
зоне плазма-пар-металл за счет саморегулируемого обтекания
током области с пониженной проводимостью при расширении
зоны контакта.
-
Результаты исследования динамики объемного источника мягкого рентгеновского излучения, образующегося в пинче при кумуляции тока на оси камеры. Вывод об определяющей роли в интегральном времени "жизни" (~ 100 не) пинчевого образования фазовых процессов, при которых суммарная длительность рентгеновского излучения есть следствие фазового перемещения области, излучающей интенсивный поток МРИ, вдоль оси системы - "эффект ножниц".
-
Методика и результаты исследования характеристик преобразователей рентгеновского излучения в видимый свет на основе тонких кристаллических пленок Csl при облучении синхротронным излучением накопителя "SUPER АСО" (исследование люминесценции, фотоэмиссии и десорбции микрокристаллических слоев Csl).
-
Обоснование возможностей использования разработанных методик для наблюдения ионных пучков тяжелых многозарядных ионов с получением изображения зон генерации.
5.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Основные выводы приводятся в конце каждой главы и в Заключении. Работа изложена на 93 страницах и содержит 26 рисунков. 6.Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 5 печатных работах, 1 препринте и 1 отчете. Их список приведен в конце автореферата.
Основные результаты диссертационной работы доклады-
вались на международных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, конференциям по ионизационным явлениям в плазме, на международном Совещании по Z-пинчам и Плазменному фокусу, на Звенигородской конференцшг-97, на семинарах Института ядерного синтеза РНЦ "Курчатовский институт" и на семинарах по быстрым процессам ЛБП ИЯС. Работы, вошедшие в диссертационную, дважды отмечались грамотами на конкурсе молодых научных сотрудников и инженеров-исследователей Центра.
Результаты работ по исследованию люминесценции, фотоэмиссии и десорбции тонких кристаллических пленок Csl под действием синхротронного (ВУФ и РИ) излучения обсуждались на семинаре LURE (университет Орсэ, Франция).
