Введение к работе
Работа посвящена развитию методов рентгеновской спектроскопии, их применению для исследования высокотемпературной плазмы сильноточных разрядов и содержит три составляющие: i) создание и характеризацию принципиально новой измерительной аппаратуры - рентгеновского спектрографа с новой оптической схемой, однокристального рентгеновского спектрополяриметра, а также компактного источника ультрафиолетового излучения, применяемого для юстировки и калибровки аппаратуры и исследований в области литографии, ii) экспериментальные исследования излучения плазмы, реализованные на установках с током 3 кА, 10 кА, 150 кА, 200 кА, 360 кА, 500 кА с помощью созданной аппаратуры, iii) создание численных моделей, описывающих изменение излучательных характеристик плазмы во времени с учетом изменения концентрации ионов (аргона, ксенона) всех степеней ионизации и интерпретация полученных экспериментальных результатов с помощью созданных моделей.
Актуальность исследований. В сильноточных разрядах (Z – пинчах) образуется плотная высокотемпературная плазма, сжимающаяся под действием протекающего по ней тока. Исследования рентгеновского излучения таких разрядов представляют интерес для понимания процессов, происходящих в плазме, для предсказания ее поведения, для практических применений, важнейшим из которых является термоядерный синтез. Одними из наиболее информативных методов диагностики пинчевой плазмы являются методы рентгеновской спектроскопии, основанные на анализе относительных интенсивностей рентгеновских линий. Анализ интенсивностей, как правило, проводится в предположении максвелловского распределения электронов, изотропности плазмы и т.д. Исследуемая плазма, однако, является анизотропной, нестационарной, оптически плотной. Известно также, что в плазме генерируются электронные пучки и быстрые ионы, турбулентные электрические и магнитные поля, а излучение плазмы может быть поляризовано. Экспериментальные и аналитические исследования, проведенные в данной диссертации и указывающие на влияние перечисленных факторов на излучение плазмы, являются важными как с точки зрения уточнения существующих методов диагностики плазмы, так и для понимания физики явлений, имеющих место в плазме. Регистрация рентгеновских спектров, как правило, проводится с помощью высокоразрешающих рентгеновских спектрографов, создаваемых в лабораторных условиях. Разработке и внедрению нового оборудования, открывшим широкие перспективы создания новых видов диагностики импульсных источников излучения, посвящены первая, вторая и третья главы диссертации.
В одной из глав настоящей диссертации приведены результаты исследования капиллярного разряда, который активно изучается в лабораториях России, Европы, Америки, Японии и других стран для применения в EUV- литографии. Основное внимание уделяется режимам работы с максимальным выходом излучения вблизи 135 при минимальном распылении материала керамики и электродов. Важное значение имеют как разработка аналитических моделей, так и создание экспериментальных стендов по изучению излучения плазмы капиллярного разряда, одними из основных преимуществ которого являются простота конструкции, стабильное положение источника излучения в пространстве, его малый размер.
Одна из глав диссертации посвящена численному моделированию динамики линейчатого рентгеновского излучения и динамики параметров плазмы в процессе инжекции нейтрального газа в токамак. Инжекция большого количества нейтрального газа является эффективным способом предотвращения последствий, возникающих при срыве тока или быстром отключении тока в случае экстренной необходимости. Для предотвращения опасных последствий, которые могут иметь значительные масштабы в ИТЭР, необходимо найти возможность быстрой диссипации тепловой энергии плазмы во время срыва. Интерес представляют как численные модели, описывающие динамику плазмы во время инжекции, так и методы диагностики параметров плазмы во время инжекции. Предложенная автором диссертации модель может использоваться для оптимизации эксперимента по инжекции газа в существующих установках и ИТЭР. Измерения динамики линейчатого рентгеновского излучения помогут диагностировать параметры плазмы во время инжекции. Данная тематика является предметом международного сотрудничества физиков РНЦ КИ, их коллег из Германии (установка АSDEX) и Франции (установка Tore Supra), которые проводят экспериментальную часть работы.
Цель диссертационной работы: исследование рентгеновского излучения, механизмов, ответственных за его генерацию, развитие методов рентгеновской спектроскопии, направленных на определение параметров плазмы сильноточных разрядов и исследование процессов, происходящих в ней.
Для реализации поставленной цели решены следующие научные проблемы и задачи:
1. Создано современное оборудование для регистрации рентгеновских спектров, которое характеризовано и применено для исследования спектров, излучаемых плазмой сильноточных разрядов.
2. Исследовано влияние анизотропных факторов (пучки электронов, электрические поля) на излучательные характеристики плазмы сильноточных разрядов.
3. Проанализированы основные проблемы измерения поляризации в рентгеновской области спектра. Создано и характеризовано оборудование для поляризационного анализа рентгеновского спектра, проведен поляризационный анализ спектра гелиеподобных ионов в пинчевом разряде.
-
Исследовано излучение капиллярного разряда, применяемого для литографии.
-
Исследована динамика параметров плазмы, в том числе динамика рентгеновского излучения плазмы токамака в процессе инжекции большого количества нейтрального газа. Созданы коды для описания поведения плазмы, которые можно использовать для диагностики процесса инжекции и оптимизации условий эксперимента по предотвращению последствий срыва.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана новая оптическая схема работы рентгеновского спектрографа в диапазоне энергий Е > 8 кэВ. Создан диспергирующий элемент, работающий одновременно по трем оптическим схемам: вновь предложенной схеме Кошуа-Иоганссона, схеме Иоганссона, схеме де Бройля.
2. Разработан метод определения радиуса кривизны атомных плоскостей вогнутых кристаллов, и обнаружено различие радиуса кривизны атомных плоскостей изогнутого кристалла и радиуса подложки.
3. Обнаружена периодичность изменения локальной кривизны атомных плоскостей и локальной полуширины кривой отражения кристалла, соединенного методом оптического контакта с вогнутой подложкой.
4. Обнаружены свидетельства анизотропиии функции распределения электронов плазмы по скоростям при регистрации излучения многозарядных ионов на пинчевых установках с токами 150 кА, 200 кА, 360 кА, 500 кА.
5. Впервые проведена интерпретация результатов измерений рентгеновских линий аргона, эмитированных плазмой пинча, на основе моделей, учитывающих динамику всех степеней ионизации аргона.
6. Впервые проведен поляризационный анализ линий гелиеподобного иона аргона, эмитированных плазмой пинчевого разряда.
7. Сформулирован и запатентован принцип работы нового рентгеновского спектрополяриметра, одновременно выделяющего из падающего излучения две взаимно-перпендикулярно поляризованные компоненты с помощью одного кристалла. Разработана оптическая схема четырехгранного однокристального спектрополяриметра.
8. С учетом концентрации атома и ионов ксенона всех степеней ионизации проведено моделирование временного хода интенсивностей линий с длинами волн 135 ± 1.4 , применяемых в литографии, впервые позволившее интерпретировать экспериментально измеренные спектры ксенона, излучаемые капиллярным разрядом.
9. При моделировании процессов, проходящих при инжекции нейтрального аргона в токамак для предотвращения срыва, впервые показано, что охлаждение горячей плазмы происходит не за счет излучения, а преимущественно за счет превалирующей роли столкновений. Проведено моделирование временного хода интенсивности рентгеновских линий и впервые предложено использовать измерения интенсивности линий во времени для диагностики плазмы в процессе инжекции.
Личный вклад автора. Основные результаты работы получены автором лично или при ее определяющем участии.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Конструкция спектрографа для регистрации видимого, ВУФ и рентгеновского излучений плазмы с новой оптической схемой для регистрации в диапазоне энергий Е > 8 кэВ. Разработка и создание цилиндрического кристалла, работающего по схемам Иоганссона, Де-Бройля и вновь предложенной схеме Кошуа – Иоганссона.
2. Метод измерения радиуса кривизны атомных плоскостей изогнутых кристаллов и результаты этих измерений.
3. Эффект уширения кривой отражения (КО) кристаллов при их изгибе, эффект периодичности изменения локальной кривизны атомных плоскостей и локальной полуширины КО вдоль кристалла, соединенного методом оптического контакта с вогнутой подложкой.
4. Результаты измерений рентгеновских спектров z-пинчевых разрядов при токах 150 кА, 200 кА, 360 кА, 500 кА, свидетельствуют об уменьшении интенсивности свечения характеристических линий ионов низких кратностей ионизации с ростом тока разряда. Анализ полученных результатов, проведенный в рамках существующих модельных представлений, позволяет оценить параметры плазмы в момент максимального сжатия.
5. Впервые проведенный поляризационный анализ рентгеновских линий гелиеподобного аргона на установке типа плазменный фокус. Результаты экспериментов по исследованию поляризации рентгеновских линий. Методология поляризационных измерений и механизмы, ответственные за возникновение поляризации.
6. Принцип работы однокристального рентгеновского спектрополяриметра, позволяющего выделить из падающего излучения две взаимно перпендикулярно поляризованные компоненты. Оптическая схема четырехгранного однокристального спектрополяриметра.
7. Численная модель низкоточного (3-10кА) капиллярного разряда, являющегося источником излучения в области 135 , и ее верификация на созданном разрядном устройстве.
8. Механизм охлаждения горячей плазмы токамака в процессе инжекции нейтрального газа для подавления последствий срыва, заключающийся в превалирующей роли столкновений.
9. Результаты численного моделирования динамики интенсивности линий гелиеподобного аргона в процессе инжекции в плазму токамака, указывающие на рост интенсивности линий ArXVII при падении температуры плазмы и на возможность диагностики ее температуры во время инжекции.
Практическая значимость.
-
Создан новый, удобный в обащении фокусирующий спектрограф для изучения спектров различных источников рентгеновского излучения, адаптированный для измерений ультрафиолетового и видимого спектра. Разработанные методики характеризации прибора и его опробование на нескольких видах лабораторной плазмы позволяют рекомендовать прибор для широкого использования при исследованиях и для обучения студентов в университетах.
-
Создан первый отечественный рентгеновский спектрополяриметр, обеспечивающий проведение поляризационного анализа нестационарных источников излучения. Применение спектрополяриметра снижает затраты при проведении поляризационного анализа стационарных источников.
-
Проведенный анализ методологии поляризационных измерений, реализованный поляризационный анализ спектров гелиеподобного аргона и железа плазмы пинчевых разрядов в диапазоне токов 150-500 кА открывает новые возможности в диагностике плотной высокотемпературной плазмы.
-
Созданы коды, описывающие временную динамику распределения всех ионов данного элемента по степеням ионизации. Данные коды в сочетании с описанием временного хода параметров плазмы позволяют проводить интерпретацию экспериментальных данных, продвинуться в понимании роли тех или иных физических явлений, имеющих место в сильноточных разрядах.
-
Создан и охарактеризован в диапазоне 110-600 источник излучения на основе капиллярного разряда, выдерживающий десятки тысяч выстрелов без замены элементов конструкции. Разряд применен для юстировки элементов спектрографа скользящего падения, что позволило снизить цену прибора. Созданы коды, описывающие временной ход параметров плазмы, которые могут быть применены для дальнейшего усовершенствования работы капиллярного источника.
-
Созданные двухтемпературные коды, описывающие поведение плазмы при инжекции большого количества нейтрального газа в токамак, имеют практическое применение при изучении возможностей ослабления последствий срыва тока в этих установках.
Апробация работы. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на Общероссийских конференциях по физике плазмы и УТС в Звенигороде, Конференциях по плотным Z – пинчам 1993,1997,2002, 2006 годов, Conference on UV and X-ray spectroscopy, Beams Conferences, International Conference on High Temperature Plasma Diagnostics, US-Japan workshop on PPS, IAEA Fusion Energy Conference, а также опубликованы в журналах “Приборы и Техника Эксперимента“,“Nuclear Fusion“, “Plasma Physics and Controlled Fusion“, “Письма в ЖЭТФ“, “Физика Плазмы“, “Review of Scientific Instruments“, “Chechoslovak..Journal of Plasma Physics”, “Journal of Plasma Fusion Research“, “Nucleonika“, “Кристаллография“, “Прикладная физика“, “Journal of Technical Physics“, 2 главах монографии “Plasma Polarization Spectroscopy“ издательства Springer и т.д.
Публикации. Результаты работы изложены в 72 публикациях, в числе которых 30 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, 2 главах монографии изд-ва Springer, получен 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и 2 приложений. Она содержит 211 страниц, 139 рисунков и библиографию из 331 наименования.
