Исследования плазмы микропинчевого разряда... Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
advertisement
Исследования плазмы микропинчевого разряда... О.А. БЯЛКОВСКИЙ, А.П. КУЗНЕЦОВ, Е.А. РАВЛИНА, А.С. САВЕЛОВ, С.А. САРАНЦЕВ Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЫ МИКРОПИНЧЕВОГО РАЗРЯДА МЕТОДАМИ ЛАЗЕРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ Представлены результаты исследований электронной плотности плазмы в разряде триггерного поджига и на периферии основного разряда микропинчевой установки. Измерения показали наличие относительно высокой электронной плотности в периферийных областях плазмы. Распределение электронной плотности носит выраженную трубчатую структуру. Относительно высокая электронная плотность на периферии указывает на необходимость учета шунтирующих токов, протекающих в периферийных областях межэлектродного промежутка, на процесс пинчевания. Исследования физического явления, получившего название «микропинчевание», имеют уже почти полувековую историю [1]. Пожалуй, наиболее интенсивно явление микропинчевания изучалось в разрядах типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» (НВИ), в которых сам микропинч принято называть «плазменной точкой» (ПТ) [2, 3]. Режим микропинчевания наблюдался во многих сильноточных импульсных разрядах, и к настоящему времени накоплен богатый экспериментальный материал, созданы теоретические модели и проведено численное моделирование физических процессов, протекающих в пинчевых разрядах [4]. Однако в основном все это касается заключительной стадии процесса – образования самого микропинча плазменного объекта с размерами r 10 мкм, временем существования 10 нс, температурой Те = 13 кэВ и электронной плотностью nе 1021 см–3. Интерес к плазменному объекту со столь высокими параметрами стимулировался прикладными задачами, поскольку микропинчи являются мощными источниками мягкого рентгеновского излучения, формирующегося в момент максимального сжатия. Относительно малоизученными до настоящего времени являются физические процессы, происходящие на начальной стадии развития такого типа разрядов, и процессы в периферийной относительно оси разрядного промежутка области. Отсутствие полной информации о начальных условиях не позволяет, например, построить адекватную модель развития разряда, а наличие в периферийной области относительно плотной плазмы > 1013 см–3 может приводить к образованию шунтирующих токов и, соответственно, к уменьшению энерговклада в основной разряд. Условия протекания процессов микропинчевания в НВИ в значительной степени определяются начальными стадиями формирования первичной (триггерной плазмы). В работе проведены комплексные исследования динамики электронной плотности первичной плазмы для различных диэлектрических материалов изоляторов триггеров и конфигураций электрической схемы поджига. Измерения проводились на экспериментальном стенде, созданном на кафедре «Физика плазмы» МИФИ. Стенд представлял собой установку для получения высокотемпературной плотной импульсной плазмы, в которой в качестве источника используется микропинчевой разряд типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» (НВИ) и установленный на установке интерферометр Маха– Цендера. Исследования проводились при напряжении на разрядном промежутке 10 кВ. Схема интерферометра изображена на рис. 1. При юстировке интерферометр, образованный зеркалами М1 – М4, настраивается в режим бесконечно широкой полосы. Квадратурные каналы регистрации формируются методом поляризационного кодирования [5]. Ортогонально поляризованные квадратурные друг другу интерференционные сигналы пространственно разводятся поляризационной призмой по измерительным каналам. После фотоэлектрического преобразования регистрируются сигналы вида U1(t) = U0 (t) sin (φ (t)) и U2 (t) = U0 (t) cos (φ (t)). Вследствие того, что величина фазовых сдвигов при измерении плазмы предимпульса составляет величину ~10–2 радиан, форма и положение осциллограмм зависит от начального положения рабочей точки на аппаратной характеристике двухлучевого интерферометра. Мгновенное значение рабочих точек определяется медленным относительно самого процесса дрейфом фазы, связанным с вибрацией элементов интерферометра. Следовательно, положение рабочей точки изменяется от измерения к измерению. В случае, когда положение фотоприемников на интерференционном поле соответствует линейным участкам аппаратной функции, формы осциллограммы на обоих каналах похожи друг на друга, но противоположны по знаку. Если в момент начала измерений один из детекторов находится в экстремуме аппаратной функции, сигнал по этому каналу равен 0, а сигнал по второму каналу прямо пропорционален набегу фазы. Таким образом, фиксируя положение одного из детекторов в экстремуме аппаратной функции, измеряемая амплитуда сигнала на другом детекторе с достаточной точностью воспроизводит значение фазового сдвига с точностью лучшей 5%. Для последующей обработки осциллограмм и восстановления линейной электронной плотности Исследования плазмы микропинчевого разряда... по ним использовались сигналы с выбором рабочей точки, соответствующей экстремуму аппаратной функции на одном из детекторов. Вакуумная камера He-Neлазер М1 Катод М3 1 Ано 2д М2 PC /4 TDS3034 4 D1 М4 D2 Рис. 1. Принципиальная схема квадратурного интерферометра: М1–М4 – зеркала интерферометра Маха–Цендера, 1,3 – апертурные диафрагмы, 2 – интерференционный светофильтр, 4 – поляризационная призма, 5 – фотоприемный модуль Зондирование форплазмы осуществлялось вдоль диаметральной хорды разрядного промежутка на расстоянии 1 мм от поверхности изоляторов триггерных электродов через диагностические окна вакуумной камеры. Проведены исследования динамики плазмы предимпульса для различных материалов электродов (фторопласт, фторопласт с внедрением LiF, фторопласт с внедрением Li2CO3, капролон) и для различных схем поджига – для положительной и отрицательной полярности электродов, с ускорением и без. На рис. 2 показаны схемы тригерров поджига которые были экспериментально исследованы. Диэлектрик триггера Триггерный электрод d в г б а Рис. 2. Конфигурации триггерной системы: а – без ускорения, d = 8 мм; б – с ускорением, d = 8 мм; в – без ускорения d = 6 мм; г – с ускорением, d = 6 мм; d – диаметр триггерного электрода электронной плотности плазмы предымпульса На рис. 3 изображены зависимости линейной от времени 1 – для фторопласта (положительная полярность, без ускорения, d = 8 мм); 2 – фторопласта с внедрением LiF (положительная полярность, без ускорения, d = 8 мм); 3 – капролона (без ускорения, d = 8 мм); 4 – фторопласта с внедрением Li2CO3 (без ускорения, d = 8 мм). Максимально регистрируемая линейная плотность 1.52 · 1016 см–2 наблюдалась для стандартного фторопластового триггера с положительной полярностью. Ожидалось, что диэлектрик с добавкой LiF при пробое будет образовывать первичную плазму более высокой плотности, однако это не подтвердилось. Линейная плотность плазмы, образованной с помощью капролонового триггера, достигает 9 · 1015 см–2, и результаты хорошо воспроизводятся, но вследствие нестабильности работы системы поджига с этим материалом использовать его нецелесообразно. Исследования плазмы микропинчевого разряда... 10 1 3 8 6 Ne*L x 10 15 ,cm -2 2 4 4 2 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Время,мкс Рис. 3. Динамика электронной плотности плазмы триггерного поджига для различных материалов и конфигураций триггерных электродов (пояснения в тексте) Исследования процессов, происходящих на периферийной области разряда и вблизи электродов, проводились на созданной в МИФИ для изучения высокотемпературной импульсной плазмы установке «Зона-2» [6]. Электродная система и геометрия разрядного промежутка описаны в работе [7]. Для исследования периферийной плазмы был разработан гомодинный квадратурный лазерный интерферометр. Схема интерферометра аналогична схеме, изображенной на рис. 1. Так как в исследовании электронная плотность плазмы разряда достигала высоких значений и, соответственно, разность фаз опорного и измерительного сигналов достигала значений больше 2, был выбран квадратурный метод фоторегистрации [7]. Преобразование сигналов на детекторах φ(t) = = arctg [U1(t)/U2(t)] позволяет восстановить закон изменения оптической длины. Кроме того, операция деления сигналов друг на друга позволяет устранить влияние медленно меняющейся по сравнению с функциями sin(φ(t)) и cos(φ(t)) величины U0(t) и, следовательно, мультипликативной помехи в сигналах. Зондирование плазмы осуществлялось в поперечном сечении межэлектродного промежутка через диагностические окна вакуумной камеры. Размеры оптических окон и диагностических отверстий во внешнем тоководе позволяли перемещать зондирующий луч на ±10 мм относительно оси разряда. Пространственное разрешение измерений – 1 мм определялось размерами каустики лазерного пучка. Проведение зондирования с прицельными параметрами ρ от 5 до 10 мм относительно оси разряда в различных сечениях разрядного промежутка показало, что периферийные области НВИ заполнены плазмой с линейной плотностью 0.2 · 1018 см–2. Сильное поглощение зондирующего излучения в приосевой области (ρ < 5 мм) не позволило восстановить локальное распределение электронной плотности в межэлектродном промежутке при энерговкладе в разряд от 0.5 до 1 кДж. При напряжениях на накопителе U ~ 5 кВ плазма бала прозрачна для излучения He-Neлазера во всей области зондирования. Исследование НВИ в докритических режимах (I < 50 кА для Fe) проводилось по двадцати хордам для четырех поперечных сечений разряда: на срезе плоского электрода (катод) и на расстояниях 2, 4 и 6 мм от катода. Последнее сечение соответствует срезу острийного электрода (анод). Интерферометрические измерения позволяют получить информацию только о среднем значении показателя преломления вдоль направления зондирования плазмы. Для перехода от среднего к локальным значениям показателя преломления применено интегральное преобразование полученных в эксперименте поперечных распределений плотности плазмы. Аксиальность электродной системы НВИ и характер тенеграмм и ФЭР-грамм области разряда позволяют проводить обработку результатов измерений в предположении осевой симметрии плазмы. Для осесимметричного объекта связь между измеряемой функцией изменения оптического хода луча в плазме и локальным пространственным распределением электронной плотности в Исследования плазмы микропинчевого разряда... r, мм r, мм плоскости, перпендикулярной оси, обычно находят с помощью интегрального уравнением Абеля. Для небольшого числа хорд зондирования, как в нашем случае, в качестве метода численного решения уравнения Абеля был использован простой и наглядный метод Пирса. На рис. 4 приведены рассчитанные сечения локальной электронной плотности в координатах: r – расстояние от оси разряда, L – расстояние вдоль оси разряда относительно поверхности катода. Распределение соответствует моменту времени t = 0.5 мкс. Из приведенной зависимости видно, что интерферометр способен проводить измерения электронной плотности в диапазоне не хуже 1016–1017 см–3. L, мм L, мм Рис. 4. Зависимость локальной электронной плотности от радиуса r и расстояния L вдоль оси разряда относительно поверхности катода для двух моментов времени: а – в начальной стадии развития разряда (t = 0.5 мкс); б – в момент времени, предшествующий «особенности» (t = 1.5 мкс) Распределение электронной плотности в поперечном к оси разряда направлении показывает наличие выделенных пространственных областей повышенной концентрации электронов на различных расстояниях от оси разряда. Наибольшая пространственная неоднородность концентрации электронов наблюдается вблизи катода. Такое распределение электронной плотности свидетельствует о «трубчатом» характере распределения тока разряда по плазменному столбу. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Cohen L., Feldman U., Swartze M. et al. // J. Opt. Soc. Am. 1968. V. 58. № 6. P. 843. 2. Decker G., Kies W., Nadolny R.. et al // Plasma Sources Sci. Technol. J. 1996. V. 5. P. 112. 3. Bobashev S.V., Simanovskii D.M., Platonov Yu. Ya. et al // Plasma Sources Sci. Technol. J. 1996. V. 5. P. 578. 4. Vikhrev V.V., Ivanov V.V., Koshelev K.N. // Sov. J. Plasma Phys. 1982. V. 8(6). P. 688. 5. Вовченко Е.Д., Кузнецов А.П., Савелов А.С. Лазерные методы диагностики плазмы. М.: МИФИ, 2008. 6. Аверин М.С., Байков А.Ю., Башутин О.А. и др. // ПТЭ. 2006. №2. C. 128. 7. Кузнецов А.П., Башутин О.А., Бялковский О.А. и др. // Физика плазмы. 2008. Т. 34. № 3. С.219.
