Диагностика импульсной плазмы по рентгеновскому излучению с помощью термолюминесцентных детекторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат наук Баловнев, Алексей Владимирович

• Баловнев, Алексей Владимирович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Баловнев, Алексей Владимирович

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В ХОДЕ РАБОТЫ, И ДЕТЕКТОРОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, НЕ ПОДВЕРЖЕННЫХ ВЛИЯНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ НАВОДОК

1.1 Плазменные источники рентгеновского излучения

1.2 Детекторы рентгеновского излучения, не подверженные влиянию электромагнитных наводок

1.3 Выводы к главе 1

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

2.1 Описание методики

2.2 Восстановление спектра по кривым ослабления

2.3 Регистрация рентгеновского излучения лазерной плазмы

2.4 Выводы к главе 2

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ УСТАНОВКИ ТИПА «НИЗКОИНДУКТИВНАЯ ВАКУУМНАЯ ИСКРА»

3.1 Описание схемы измерений

3.2 Исследование влияния формы электродов

3.3 Исследование влияния разрядного тока

3.4 Выводы к главе 3

ГЛАВА 4 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПЛАЗМЕННОМ ОБЪЕКТЕ

4.1 Методика использования координатно-чувствительного детектора

4.2 Спектры излучения различных частей разряда

4.3 Выводы к главе 4

ГЛАВА 5 ДИАГНОСТИКА АНОМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОН-ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ В АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ ПУЧКОВ О-ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА НА ПРОБКОТРОНЕ ПР-2

5.1 Автоколебательный режим ППР и схема измерений

5.2 Высокоэнергетический спектр несамостоятельного режима АВЭР

5.3 Выводы к главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностика импульсной плазмы по рентгеновскому излучению с помощью термолюминесцентных детекторов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований физических процессов, происходящих в импульсной плазме, особенно выражена в связи с развитием тематики управляемого термоядерного синтеза. Наряду с магнитным удержанием плазмы, рассматривается инерциальный термоядерный синтез (ИТС). Особую важность приобретают исследования по созданию мощных импульсных источников рентгеновского и нейтронного излучений на основе быстрых лазерных и электроразрядных устройств.

Среди наиболее перспективных вариантов драйверов ИТС следует выделить 2-пинч [1-3] и лазер [4,5]. Каждый вариант имеет свои преимущества, поэтому так важны исследования для выбора наиболее эффективного драйвера. Исследования сопряжены с использованием высоковольтного оборудования, создающего мощные электромагнитные наводки, что накладывает ограничения на использование средств диагностики.

Кроме того, параметры излучения в низкоэнергетичной области рентгеновского спектра исследованы крайне недостаточно, что затрудняло интерпретацию физических процессов в горячей плазме, поэтому такие исследования актуальны.

Для лучшего понимания процессов, протекающих в плазме разряда, важно знать такие параметры плазмы, как спектр и интенсивность ее рентгеновского излучения, а в связи с возможным прикладным применением — еще и эффективность преобразования электрической энергии в энергию рентгеновского излучения.

Актуальность представляемой работы заключается в исследовании свойств перспективных плазменных источников излучения с использованием детекторов, не подверженных воздействию электромагнитных наводок и работающих в линейном режиме в широком спектральном диапазоне.

Цель работы

Целью работы было исследование свойств и параметров плазмы импульсных разрядов при помощи разработанных и созданных малогабаритных помехоустойчивых спектрометрических систем с использованием термолюминесцентных детекторов в качестве чувствительного элемента.

Научная новизна

1) Исследования чувствительности термолюминесцентных детекторов (ТЛД) к рентгеновскому и ультрафиолетовому излучениям позволили создать на их основе помехоустойчивый комплекс для диагностики рентгеновского излучения плазмы в диапазоне энергий начиная от 0,5 кэВ и до 25 кэВ.

2) Впервые исследованы количественные зависимости выхода рентгеновского излучения от геометрических и токовых параметров установки типа низкоиндуктивная вакуумная искра (НВИ).

3) Впервые создан и апробирован экспериментально координатно-чувствительный детектор рентгеновского излучения на основе ТЛД для изучения пространственно-распределенных источников излучения в плазме.

4) В ходе исследования спектра рентгеновского излучения, сопровождающего аномальную электрон-электронную эмиссию в автоколебательном режиме пучково-плазменного разряда (ПИР), в обратном потоке обнаружена группа высокоэнергетичных электронов.

Практическая значимость

1) Создан спектрометр на основе ТЛД для изучения пространственного распределения спектральных характеристик рентгеновского излучения, применявшийся для диагностики плазмы НВИ, лазерной плазмы, а также ППР.

2) Разработанная диагностическая система позволяет дать количественные оценки зависимости интенсивности рентгеновского излучения от геометрии электродной системы и тока разряда, а также оптимизировать параметры установки «Зона-2».

3) Показана возможность использования аномальной электрон-электронной эмиссии в автоколебательном режиме ППР для получения высокоэнергетического рентгеновского излучения.

4) При тестировании диагностического комплекса на основе ТЛД и сравнении его с системой диагностики рентгеновского излучения на основе рт-диодов на установке, использующей лазерный драйвер для генерации плазмы, показана работоспособность рт-диодов для регистрации рентгеновского излучения в условиях сильных электромагнитных полей.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту

1) Результаты исследования характеристик ТЛД, позволившие создать помехоустойчивую малогабаритную систему диагностики импульсного рентгеновского излучения в спектральном диапазоне 0,5 - 25 кэВ.

2) Методика исследования зависимости интенсивности рентгеновского излучения установки типа НВИ от ее геометрических и токовых параметров, которая позволила получить количественные оценки эффективности преобразования электрической энергии в энергию рентгеновского излучения.

3) Методика исследования пространственно-разрешенных спектральных характеристик плазменных источников рентгеновского излучения и исследования спектров различных областей разряда типа НВИ.

4) Методика и результаты исследования рентгеновского излучения пучково-плазменного разряда в автоколебательном режиме, позволившие обнаружить обратный поток высокоэнергетичных электронов, бомбардирующий мишень.

Личный вклад соискателя

Все выносимые на защиту результаты и положения получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор принимал участие в постановке, проведении и обработке результатов всех представленных в работе экспериментов.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Текст изложен на 123 страницах машинописного текста, включая 28 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 68 наименований.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Научная сессия НИЯУ «МИФИ» 2013, 2014; Современные средства диагностики плазмы и их применение 2012, 2014.

Публикации

По теме работы опубликовано 13 печатных статей, в том числе 6 статей в реферируемых журналах из перечня ВАК и 5 статей входят в базу данных Scopus.

В первой главе представлен обзор плазменных источников рентгеновского излучения, изученных в процессе исследования, а также детекторов излучения, не подверженных влиянию электромагнитных наводок в сильноточных плазменных установках. Обоснован выбор ТЛД-детекторов для дальнейших исследований.

Одной из реализаций малогабаритного импульсного источника рентгеновского излучения являются установки на основе низкоиндуктивной вакуумной искры (НВИ). В сильноточном электрическом разряде реализуется режим сжатия плазмы магнитным полем разрядного тока, сопровождающийся рождением плазменной точки (микропинча). Процессы, протекающие в плазме НВИ, наиболее достоверно описывает модель «радиационного сжатия» [6]. Размеры плазменной точки (ПТ) достаточно малы (< 40 мкм), и излучение занимает короткое время (< 10 не). Рентгеновское излучение ПТ лежит в диапазоне линий ионов электродов. При этом плазма имеет параметры Те ~ 1 кэВ ипе~ Ю20- 1021 см"3.

Лазеры применяются в различных областях науки [7], таких как лазерный термоядерный синтез, масс-спектрометрия, лазерные источники многозарядных ионов и других.

В случае большой интенсивности, плазма образуется непосредственно при контакте лазерного излучения с поверхностью твердого тела. Таким образом, при измерении рентгеновского излучения лазерной плазмы мы имеем дело как с тормозным и рекомбинационным излучениями, так и с линейчатым излучением.

Выбор детекторов в данной работе обусловлен необходимостью получить достоверные результаты исследований свойств плазмы, не подверженные влиянию электромагнитных помех, сопровождающих работу сильноточных электроразрядных устройств.

Одним из таких способов регистрации рентгеновского излучения являются рентгеновские фотопленки и фотоэмульсии. В экспериментах фотослой может использоваться и как детектор, и как долговременное запоминающее устройство.

Однако, следует учитывать значительную зависимость результатов от условий проявки (температура, проявитель). Поэтому для абсолютных измерений необходимо использовать эталонный источник. Кроме того, следует отметить, что свойства фотослоев могут отличаться как от партии к партии, так и даже в рамках одной партии.

В качестве детектора заряженных частиц, не подверженного электромагнитным наводкам, можно также использовать трековый детектор ионизирующего излучения на основе полимера СЯ-39.

При прохождении через 01-39 высокоэнергетические частицы оставляют вдоль своей траектории след из разорванных молекулярных связей, который становится видимым после химической обработки. Для определения спектра излучения требуется градуировка детектора, так как результат может отличаться в разных партиях материала и зависит от условий проявки, как то температура и время травления.

Как и фотопленка, данный тип детекторов не подлежит повторному использованию.

Термолюминесцентные детекторы лишены большей части недостатков предыдущих типов детекторов. Принцип действия люминесцентных детекторов заключается в том, что образуемые в них под действием ионизирующего излучения носители заряда локализуются в центрах захвата и могут удерживаться в них довольно длительное время, благодаря чему происходит накопление поглощенной энергии излучения, которая может быть высвобождена при дополнительном возбуждении. В случае ТЛД дополнительное возбуждение вызывается нагревом.

После процедуры нагрева детектор теряет информацию о дозе излучения, что позволяет использовать его для новых измерений.

Важно отметить, что ТЛД-детекторы не подвержены искажению результатов вследствие электромагнитных наводок и обладают линейностью отклика в широком дозовом (от 0,1 мЗв до 10 Зв) и энергетическом диапазоне, в том числе за счет совершенствования технологии их изготовления, обеспечившей значительное улучшение основных характеристик ТЛД.

Существуют типы ТЛД, особо чувствительные к некоторым видам излучения (алюмофосфатное стекло чувствительно к ультрафиолету, ДТГ-4-6 регистрирует тепловое нейтронное излучение). Их можно использовать для раздельной регистрации рентгеновского и УФ излучений, а также потоков нейтронов и ионов.

Были проведены исследования по совместному облучению алюмофосфатных и литиевых ТЛД на предмет их чувствительности к вакуумному ультрафиолету и мягкому рентгеновскому излучению. Для этого использовались пары детекторов обоих типов с использованием алюминиевых фильтров и без. В результате было показано, что литиевые детекторы ДТГ-4 практически нечувствительны к ультрафиолету, в отличие от алюмофосфатных детекторов (вклад ВУФ в 5 раз больше, чем МР). Поэтому ДТГ-4 можно использовать без фильтра для регистрации низкоэнергетичной 1 кэВ) области рентгеновского излучения.

Если детекторы должным образом откалиброваны, то их можно применять и для определения изотропности рентгеновского излучения плазмы.

Во второй главе описана методика применения ТЛД для диагностики рентгеновского излучения импульсной плазмы.

Проведенные исследования свойств ТЛД позволили разработать на их основе малогабаритный помехоустойчивый многоканальный спектрометр. Его конструкция позволяет получать не только данные о спектре излучения, но и определять полную дозу рентгеновского излучения установки, необходимую для определения коэффициента преобразования электрической энергии в энергию рентгеновского излучения. Использование сборок ТЛД вместо отдельных детекторов увеличивает точность регистрации дозы излучения и позволяет увеличить точность измерения спектра этого излучения и других его параметров. Сборки ТЛД детекторов закрывались фильтрами различной толщины. Показания с ТЛД считывались с помощью прибора ДВГ-02ТМ. В экспериментах использовались ТЛД, изготовленные из Гл-Б, активированного Т1. Данный тип детекторов не чувствителен к вакуумному ультрафиолету, что позволяет в ряде случаев не использовать фильтры.

Исходя из полученных данных, строилась кривая ослабления рентгеновского излучения. Для восстановления спектра рентгеновского излучения по кривым ослабления (т.е. решение обратной задачи) применяются методы, в том числе и привлекающие сложные математические модели. Наиболее простой метод решения данной задачи, обладающий достаточной точностью - это метод эффективных энергий.

Применение данного метода возможно только в том случае, когда кривая ослабления обладает достаточной кривизной. Преодоление этого недостатка возможно благодаря использованию фильтров поглощения, сделанных из различных материалов, и применению многоканальных спектрометров.

Для решения ряда прикладных задач также определяется коэффициент преобразования электрической энергии в энергию рентгеновского излучения.

Калибровка используемых детекторов проводилась при помощи эталонных источников и рентгеновских трубок. В ходе калибровки было установлено, что погрешность определения дозы рентгеновского излучения составляет 10 %.

Методика использования ТЛД была опробована в ходе диагностики источника рентгеновского излучения на основе лазерной плазмы установки Искра-5, образующейся при облучении цинковой мишени интенсивным лазерным излучением (первая гармоника йодного лазера X = 315 нм, энергия 150 Дж). Такого рода эксперименты имеют большое значение в исследованиях.

В ходе эксперимента производилось сравнение результатов, полученных при помощи ТЛД (2 эксперимента с расстоянием от плазменного объекта до детекторов 17,5 и 50 см соответственно) и системы диагностики, использующей в качестве чувствительного к излучениям элемента полупроводниковые детекторы (pin-диод). Целью работы была проверка влияния сильных электромагнитных наводок на работоспособность pin-диодов. Было показано хорошее согласие результатов, полученных с помощью ТЛД-диагностики, и штатной системы рентгеновской диагностики установки, использующей полупроводниковые детекторы.

В третьей главе разработанная диагностическая система позволила дать количественные оценки зависимости интенсивности рентгеновского излучения низкоиндуктивной вакуумной искры от геометрии электродной системы и тока разряда.

Эксперименты производились на установке «Зона-2», которая представляет собой электроразрядное устройство типа низкоиндуктивная вакуумная искра. Разряд осуществлялся в вакуумной камере установки, откаченной до давления не выше 10~5 Topp. Емкость накопительной конденсаторной батареи Со = 20 мкФ. Ток разряда достигал величины порядка 190 кА, период разряда составляет 8,5 мкс. Конструкция данной установки позволяла использовать различные варианты геометрии электродов (два острия, острие-плоскость, две плоскости и другие комбинации).

Для регистрации рентгеновского излучения плазмы использовались сборки из детекторов ТЛД, расположенных один за другим. Использовался метод фильтров поглощения (семь сборок детекторов за фильтрами различной толщины, в том числе без фильтра), метод поглощенной энергии (анализ сигналов с каждого детектора ТЛД одной сборки), метод фильтров Росса (анализ сигналов со сборок, расположенных за фильтрами из различных материалов).

Кроме того, контроль наличия импульсов рентгеновского излучения осуществлялся в реальном времени при помощи pin-диода.

Помимо интегрального по времени спектра рентгеновского излучения была определена эффективность преобразования электрической энергии в рентгеновское излучение микропинча.

Характер измеренных в ходе работы спектров одинаков, однако конфигурация электродов оказывает значительное влияние на интенсивность генерируемого излучения. Все измерения проводились при токе разряда 1= 190 кА.

В геометрии острие-острие по результатам измерений в 5 раз эффективнее, чем острие-плоскость, осуществляется преобразование электрической энергии в энергию рентгеновского излучения. Однако, естественное изменение формы электродов за счет эрозии в результате распыления под воздействием множества разрядов, приводит к уменьшению выхода рентгеновского излучения в 7 раз.

Снижение разрядного тока до 130 кА приводит к снижению интенсивности излучения в 2 раза, при этом коэффициент преобразования энергии в пределах погрешности остается неизменным, что хорошо укладывается в рамки радиационной модели.

Дальнейшее снижение тока до 90 кА приводит к нарушению режима пинчевания на данной установке и к уменьшению на порядок коэффициента преобразования энергии.

Характерный спектр рентгеновского излучения установки остается без изменений до тех пор, пока происходит пинчевание, и вне зависимости от изменения разрядного напряжения.

Таким образом, наибольшая интенсивность рентгеновского излучения достигалась при использовании электродов типа «острие» и разрядном токе 190 кА. Изменение формы электродов, в том числе за счет эрозии в процессе эксплуатации, приводит к многократному снижению эффективности рентгеновского источника.

В четвертой главе описана методика исследования рентгеновского излучения плазмы при помощи координатно-чувствительного детектора на основе

тлд.

С использованием фотопленки и камеры-обскуры были получены изображения пространственной структуры плазменного источника рентгеновского излучения. Однако, изучить спектральные характеристики различных излучающих областей в ходе одного эксперимента гораздо сложнее. Способ решения этой задачи был реализован при помощи ТЛД.

Исследования проводились на установке типа НВИ — Зона-2. В ходе работы использовалась камера-обскура, представляющая собой диафрагму из свинцовой пластины толщиной 1 мм с отверстием диаметром 0,150 мм. Данная камера-обскура позволяет получить увеличение от 1 до 10 крат с пространственным разрешением порядка 0,05 мм.

Для изучения спектральных характеристик различных областей разряда (электрода, приэлектродной плазмы и микропинча) был разработан координатно-чувствительный спектрометр на основе ТЛД (LiF), позволяющий производить измерения в диапазоне энергий 1-30 кэВ.

Для измерения спектра в данной работе был использован метод фильтров поглощения, а в качестве фильтров использовались сами ТЛД-детекторы, расположенные в сборках друг за другом. Показания ТЛД считывались при помощи прибора ДВГ-02ТМ.

Спектры главным образом отличаются в области 1-5 кэВ. Можно предположить, что излучение в этой области связано с фоторекомбинационным и линейчатым излучением в области L-спектра ионов железа. При этом часть спектра 5-30 кэВ для всех трех излучающих областей практически одинакова.

Поэтому можно предположить, что спектры ускоренных электронов в области микропинча, в приэлектродной плазме и электронов, бомбардирующих поверхность электрода, аналогичны.

В пятой главе представлено исследование спектра рентгеновского излучения, полученного при торможении в мишени вторичных электронов, эмитированных в автоколебательном режиме пучково-плазменного разряда (ППР).

В данной работе впервые реализована рентгеновская диагностика АВЭР, когда спектр высокоэнергетичной (> 4 кэВ) группы электронов восстанавливается по результатам диагностики рентгеновского излучения.

Обычные спектрометрические и контактные зондовые методы изучения распределения высокоэнергетичной группы электронов в плазменном шнуре приводят к значительным возмущениям. Кроме того, они не позволяют реализовать разделение первичного и обратного потока, включающего электроны отраженные и эмитированные поверхностью коллектора.

В качестве детектора использован спектрометр на основе ТЛД. Данный спектрометр содержит 13 каналов регистрации, снаряженных сборками из «таблеток», расположенных одна за другой. Сборки закрываются фильтрами поглощения из алюминиевой фольги.

Разделение первичного и обратного потока производилось при помощи специальной катушки. Первичный поток проходит через отверстие в диафрагме и попадает на коллектор. Обратный поток смещается по радиусу кривизны магнитной трубки и попадает на диафрагму (сплошную ее часть), что позволяет зарегистрировать рентгеновское излучение. Получена амплитуда автоколебаний -600 В, частота - 3 МГц при ускоряющем напряжении пушки 1,5 кВ, ток эмиссии пушки — 0,1 А. Энергия вторично-эмиссионных электронов не должна превышать 1200 эВ, однако измерения показывают наличие аномального, более жесткого рентгеновского излучения.

Сравнение показывает, что доля высокоэнергетичных доускоренных электронов в условиях ППР мала, на что указывает резкий спад интенсивности

излучения при превышении энергии первичных электронов (5 кэВ). В режиме АВЭР рентгеновский спектр излучения отличается принципиально - что может говорить о проявлении значительно большего относительного количества высокоэнергетичных электронов при гораздо более низком ускоряющем напряжении.

При реализации пространственного разделения прямого и обратного потоков ускорение электронов должно происходить только за один пролет между эмиттером и мишенью. Полученный результат может быть связан с эффектом группирования.

Кроме того, эффект аномального ускорения вторичных электронов может быть связан с очень высокочастотными модами автоколебаний. Таким образом, реальное ускоряющее напряжение может значительно превосходить измеряемый потенциал приемной пластины относительно корпуса установки.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В ХОДЕ РАБОТЫ, И ДЕТЕКТОРОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, НЕ ПОДВЕРЖЕННЫХ ВЛИЯНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ НАВОДОК

В первой главе представлен обзор литературных источников, которые посвящены детекторам излучения, не подверженных влиянию электромагнитных наводок в сильноточных плазменных установках. Кроме того, обоснован выбор термолюминесцентных детекторов для дальнейших исследований.

1.1 Плазменные источники рентгеновского излучения Низкоиндуктивная вакуумная искра

Сильноточные импульсные электроразрядные устройства ^-пинчи) обладают относительно высокой эффективностью преобразования электрической энергии, вкладываемой в разряд, в энергию рентгеновского излучения. Среди малогабаритных 2-пинчевых устройств следует отметить установку типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» (НВИ) [8], в которой реализуется при определенных условиях режим микропинчевания, сопровождающийся образованием уникального объекта, называемого плазменной точкой (ПТ) или микропинчем.

В результате исследования микропинчевых разрядов (МПР) было показано [9-14], что ПТ представляет собой область плотной горячей плазмы (ТУе ~ Ю20 1021 см-3, Те ~ 1кэВ) микронного размера (< 40 мкм), в основном интенсивно излучающей рентгеновское излучение за время не более 10 не (до 1016 квантов за вспышку).

При сильных токах разряда порядка 100 кА и выше в низкоиндуктивной вакуумной искре в так называемых "горячих точках", которые формируются при

микропинчевании плазмы, наблюдается появление ионов с высокой кратностью ионизации, вплоть до образования водородоподобных ионов. Область разряда, где формируется микропинч, является мощным источником интенсивного характеристического рентгеновского излучения плазмы материалов электродов. Как правило, за один разряд формируется несколько ПТ.

За счет высоких параметров плазмы, а также интересных физических процессов и относительной простоты конструкции и эксплуатации, микропинчевые установки являются перспективными источниками излучения и потоков частиц, как для фундаментальных исследований, так и для решения различных прикладных задач.

Так, на основе микропинчевого источника рентгеновского излучения были разработаны схемы контактной рентгеновской микроскопии биологических объектов и рентгеновской литографии [15, 16]. Также обнаружен эффект полировки поверхности высокотемпературных сверхпроводящих пленок при воздействии на них импульсов ваккумного ультрафиолетового излучения плазмы микропинча [17]. Кроме того, компактный источник типа НВИ позволяет отработать на нем методики и приемы диагностики, необходимые для применения к более сложным и крупным установкам.

Рождение этого плазменного объекта возможно лишь при превышении значения тока над критическим, которое определяется балансом джоулева тепловыделения в плазменном канале и потерями энергии разряда на излучение. Размеры плазменной точки (ПТ) достаточно малы (< 40 мкм) и излучение занимает короткое время (< 10 не). Рентгеновское излучение ПТ лежит в диапазоне линий ионов электродов, плазма имеет параметры Те ~ 1 кэВ и пе~ 1020-Ю21 см"3.

В НИЛУ «МИФИ» успешно работают две установки на основе низкоиндуктивной вакуумной искры, это ПФМ-72 и «Зона-2». В таблице 1 представлены характеристики этих установок.

Принципиальная схема электроразрядного устройства для зажигания НВИ разряда представлена на рисунке 1. Она представляет собой систему из двух

коаксиальных электродов, которые разделены изолятором, находящимся в тени центрального электрода. Внешний токовод выполнен в виде «беличьего колеса» с окнами, позволяющими производить наблюдения и диагностику области формирования микропинчевого разряда.

Рисунок 1 - Схема разрядной камеры установки НВИ 1 - катод; 2 - анод; 3 - тоководы; 4 - изолятор; 5 - батарея импульсных высоковольтных конденсаторов; 6 -система инициации разряда

Возможность изменять конфигурацию электродов, полярность и разрядное напряжение позволяет более полно изучить излучательные параметры НВИ разряда.

Существует несколько моделей процессов, протекающих в микропинчевом разряде. Модель «радиационного сжатия» [18] является одной из самых обоснованных и подтвержденных экспериментами [8-14]. В рамках этой модели процесс рождения плазменной точки в разряде НВИ можно представить следующим образом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Баловнев, Алексей Владимирович, 2016 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров В.В., Грабовский Е.В., Грицук А.Н., и др. Исследование имплозии волоконных лайнеров на установке Ангара 5-1. // Физика плазмы. -2010. - Т. 36. - №6. - С. 520-547.

2. Акунец A.A., Ананьев С.С., Башкаев Ю.Л., Вихрев В.В. Образование горячих точек в Z-пинче. // Физика плазмы. - 2010. - Т. 36. - №8. - С. 747-756.

3. Spielman R. В., Stygar W. A., Struve К. W., Seamen J. F. BFA-Z: A 55 TW/4.5 MJ electrical generator. // IEEE, 1998.

4. Ватулин B.B., Жидков Н.В., Кравченко А.Г., Кузнецов П.Г., Литвин Д. Н. Измерение температуры плазмы в мишенях непрямого облучения по скорости ударной волны в алюминии на установке «Искра-5». // Физика плазмы. - 2010. -Т. 36.-№5.-С. 447-453.

5. Moses E.I. Ignition on the National Ignition Facility: a path towards inertial fusion energy. // Nucl. Fusion №49. - 2009.

6. Бурцев B.A., Грибков B.A., Филиппова Т.И. Высокотемпературные пинчевые образования. // Итоги науки и техники. - Серия физика плазмы. -Т.2. -М.,ВНИИТИ. -1981. - С.80-137.

7. Месяц Г.А.// Импульсная энергетика и электроника. - Москва, 2004.

8. Веретенников В.А., Исаков А.И., Крохин О.Н., Семенов О.Г., Сидельников Ю.В. Временные характеристики рентгеновского излучения вакуумной искры. // Препринт №59. - ФИАН, 1983.

9. Анциферов П.С., Вихрев В.В., Иванов В.В., Кошелев К.Н. Температура плазменных точек в вакуумно-искровых разрядах. // Физика плазмы. -1990. -Т. 16. -№8. - С. 1018-1023.

10. Миронов Б.Н. Исследование динамических особенностей поведения плазмы, сформированной в процессе развития инициированной неустойчивости в сильноточном разряде Z-пинча. // Физика плазмы. - 1994. -Т.20. - №10. -С.886-890.

11. Гулин M.А., Долгов А.Н., Николаев О.В., Савелов A.C. О параметрах излучающей плазмы в микропинчевом разряде. // Физика плазмы. - 1990. - Т. 16. -№8. -С. 1015-1017.

12. Долгов. А.Н., Ляпидевский В.К., Савелов A.C., Салахутдинов Г.Х. Исследование механизмов генерации рентгеновского излучения в плазме тяжелых элементов зет-пинчевого разряда. // Прикладная физика. - 2007. -№1. - С. 87-92.

13. Аверин М.С., Байков А.Ю., Башутин O.A., Вовченко Е.Д., Дмитрусенко A.C., LiSan-wei, Савелов A.C. Оценки электронной температуры плазмы микропинчевого разряда по ослаблению потока рентгеновского излучения в фотоэмульсии. // Приборы и техника эксперимента. -2006. - №2. -С. 128-132.

14. Долгов А.Н., Ляпидевский В.К., Прохорович Д.Е., Савелов A.C., Салахутдинов Г.Х., Исследование структуры и динамики излучающей плазмы в микропинчевом разряде. // Физика плазмы. - 2005. - Т. 31. - №2. -С. 192-202.

15. Валиев К.А., Беликов Л.В., Леонов Ю.С., Семенов О.Г. // Электронная промышленность. - 1984. -Т. 13.- С. 75

16. Веретенников В.А., Гурей А.Е., Караев К.Т., Левашов В.Е., Никольская Т. А., Семенов О.Г., Тихомиров A.A. // Препринт ФИАН №10. -М., 1994.

17. Афанасьев Ю.В., Веретенников В.А., Емельянов Д.Г., Епихин В.И., Канавин А.П., Семенов О.Г., Мазаев A.A., Махов В.И. // Препринт ФИАН № 59. -М. 1991.

18. Вихрев В.В, Иванов В.В., Кошелев К.Н. Формирование и развитие микропинчевой области в вакуумной искре. // Физика плазмы. - 1982. - Т.8. -№6.-С.1211-1219.

19. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. // Москва «Наука», 1989.

20. Райзер Ю.П. Пробой газов под действием лазерного излучения -«Лазерная искра». // Соросовский образовательный журнал. - №1. - 1998. -С.89-94.

21. Шиканов А.С. Лазерный термоядерный синтез. // Соросовский образовательный журнал. - №8. - 1997. - С.86-91.

22. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. // Долгопрудный, Издательский дом «Интеллект», 2009.

23. Лебедев П.М., Онищенко И.Н., Ткач Ю.В., Файнберг Я.Б., Шевченко В.И. Теория плазменно-пучкового разряда. // Физика плазмы. - 1976. - Т.2. -вып.З. - С 407.

24. Smullin L.D. A review of the beam plasma discharge. // The international workshop on relation between laboratory and space plasmas. - Tokyo. - 1980. - p. 2-3.

25. Lowson J.D. The Physics of Charged-particle Beams. // Oxford, 1988. -

446 p.

26. Акел M., Визгалов И.В. Вторично-эмиссионный автокалебательный разряд на частоте собственного резонанса. // Научная сессия МИФИ-2004. - Т.4 Лазерная физика. Физика плазмы. Сверхпроводимость и физика наноструктур. Физика твердого тела. Фотоника и информационная оптика. - С. 103-104

27. Пергамент М.И. Методы исследований в экспериментальной физике. // Москва, 2010.

28. Sinenian N., Rosenberg М. J., Manuel М. J.-E. and oth. The response of CR-39 nuclear track detector to l-9MeV protons. // PSFC/JA-11-46. -Cambridge,USA,2012

29. Дементьев B.H., Зверев С.А., Калабашкин B.M., Кушин В.В., Ляпидевский В.К. Экспериментальные методы ядерной физики. // Сборник статей Под ред. Калабашкина В.М. - М.: Атомиздат, 1979. - Вып. 5. - С. 58.

30. Веретенников В.А., Зверев С.А., Ляпидевский В.К., Клячин Н.А., Семенов О.Г. // Препринт ФИАН СССР № 269. - М., 1984.

31. Аверкиев В.В., Ляпидевский В.К., Салахутдинов Г.Х.// ПТЭ. - 1990. -№4. - С. 80.

32. Иванов В.И. Курс дозиметрии. // Москва Атомиздат, 1988.

33. Алексеев А.Г., Карпов Н.А. Исследование термолюминесцентных дозиметров ДТГ-4 и ТЛД-1011(Т) для дозиметрии в пучках легких ионов. // Препринт ИФВЭ 2009-18. - Протвино, 2009.

34. Horowitz Y.S., Oster L., Biderman S. and Einav Y. Localized transitions in the thermoluminescence of LiF: Mg,Ti: potential for nanoscale dosimetry. // J. Phys. D: Appl. Phys. 36(2003). - pp. 446-459.

35. Badhwar G.D., Cash B.L., Semones E.J., Yasuda H., and Fujitaka K. Relative Efficiency of TLD-100 to High Linear Energy Transfer Radiation -Connection to Astronaut Absorbed Dose. // NASA Technical Report, 2004.

36. Кушин B.B., Ляпидевский B.K., Пережогин В.Б. Ядерно-физические методы диагностики плазмы. // Москва, 1985.

37. Салахутдинов Г.Х. Методы диагностики рентгеновского излучения плазмы сцинтилляционными и трековыми детекторами. // Москва, 2010.

38. Баронова Е.О. Развитие методов рентгеновской спектроскопии и их применение в исследованиях плазмы сильноточных разрядов. // РНЦ «Курчатовский институт», Институт ядерного синтеза, 2010.

39. Колтунов М.В., Лемешко Б.Д., Савелов А.С., Салахутдинов Г.Х., Юрков Д.И., Сидоров П.П.// Прикладная физика. - 2010. - № 4

40. Долгов А.Н., Савелов А.С., Салахутдинов Г.Х. Методика восстановления спектров импульсного рентгеновского излучения в ядерно-физическом эксперименте. // Препринт №006-2007. -М.:МИФИ, 2007.

41. Storm, Е. and Israel, H.I. Photon Cross Sections from 1 keV to 100 MeV for Elements Z=1 to Z=100. //Nucl. Data Tables A7, 565-681 (1970).

42. Berger M.J., Hubbell J.H., Seltzer S.M., Chang J., Coursey J.S., Sukumar R., Zucker D.S., Olsen К. // XCOM: Photon Cross Sections Database, 2010

43. Кологривов A.A., Склизков Г.В., Шиканов A.C. Восстановление спектра непрерывного рентгеновского излучения лазерной плазмы по кривым ослабления. // Препринт ФИАН №142. - Москва, 1981.

44. Виленкин Н.Я. Метод последовательных приближений. // Популярные лекции по математике. - М.: Наука, 1963. - Вып. 35.

45. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. //Москва, Энергоатомиздат, 1985.

46. Баловнев A.B., Григорьева И.Г., Салахутдинов Г.Х. Применение термолюминесцентных детекторов для диагностики плазменных объектов.// Приборы и техника эксперимента. -2015. -№1.-С. 100-103.

Application of Thermoluminescent Detectors for Diagnosing Plasma Objects. Instruments and Experimental Techniques. - 2015. - Vol. 58. - No. 1. - pp. 98-101. (Original Russian Text published in Pribory i Tekhnika Eksperimenta. - 2015. -No. 1. - pp. 100-103.)

47. Башутин О. А., Алхимова M. А., Вовченко E. Д., Додулад Э. И., Савёлов А. С., Саранцев С. А. Влияние электродной системы на излучательные характеристики вакуумной искры. // Физика плазмы. 2013. - Т.39. - №6. -С.1006-1016.

48. Кадетов В.А., Ли Джэн Хун, Савёлов A.C., Башутин O.A., Вовченко Е.Д., Коротаев К.Н., Прохорович Д.Е., Сивко П.А.. Исследование динамики микропинчевого разряда и эрозии электродов. // Препринт МИФИ. -015-98.

49. Башутин О. А., Вовченко Е. Д., Додулад Э. И., Савёлов А. С., Саранцев С. А. Исследование вклада материала электродов в плазму сильноточной вакуумной искры. // Физика плазмы. 2012. - Т.38. - №3. -С.261-269.

50. Миронов Б.Н. Пространственно-временные измерения некоторых параметров плазмы микропинча в диапазоне мягкого рентгеновского излучения с энергией квантов Е=1 кэВ. // Физика плазмы. - 1994. - Т.20. - №6. -С.546-549.

51. Миронов Б.Н. Исследование динамических особенностей поведения плазмы, сформированной в процессе развития инициированной неустойчивости в сильноточном разряде Z-пинча. // Физика плазмы. - 1994. - Т. 20. - № 10. -С. 886 — 890.

52. А.Н. Долгов Скейлинг по току излучательных характеристик микропинчевого разряда. // Физика плазмы. - 2005. - Т.31. - №8. - С.733-741.

53. А.В. Баловнев, И.Г. Григорьева, Э.И. Додулад, А.С. Савелов, Г.Х. Салахутдинов. Исследование рентгеновского излучения микропинчевого разряда при помощи термолюминесцентных детекторов.// Прикладная физикаю -№4.-2013.-С. 23-26.

54. Баловнев А.В., Григорьева И.Г., Салахутдинов Г.Х. Спектрометрия импульсного рентгеновского излучения плазмы сильноточного электрического разряда.// Приборы и техника эксперимента. - 2015. - № 2. - С. 89-94. Spectrometry of Impulse High-Current Discharge-Plasma X Rays. // Instruments and Experimental Techniques. - 2015. - Vol. 58. - No. 2. - pp. 252-256. (Original Russian Text published in Pribory i Tekhnika Eksperimenta. - 2015. - No. 2. -pp. 89-94.)

55. Казаринов Г.И., Кушин B.B., Ляпидевский B.K., Посысаев И.В. // ПТЭ. - 1980. -№4. - С. 211.

56. Кушин В.В., Ляпидевский В.К., Самойлова Л.Б. Экспериментальные методы в ядерной физике средних и низких энергий. // Сборник статей Под ред. Калабашкина В.М. -М.: Энергоатомиздат, 1986. - С. 3.

57. Долгов А.Н., Ляпидевский В.К., Прохорович Д.Е., Савелов А.С., Салахутдинов Г.Х.// Физика плазмы. - 2005. - Т. 31. - №2. - С. 192.

58. Гулин М.А., Долгов А.Н., Кириченко Н.Н., Ляпидевский В.К., Масленникова Н.В., Савелов А.С.// ПТЭ. - 1996. - №6. - С.82.

59. Клячин Н.А., Кушин В.В., Ляпидевский В.К., Хохлов Н.Б. Применение трековых детекторов для дивгностики горячей плазмы // Диагностические методы в плазменных исследованиях. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 59-70.

60. Казаринов Г.И., Кушин В.В., Ляпидевский В.К., Посысаева И.В. Применение ядерной эмульсии для измерения спектра рентгеновского излучения // ПТэ. 1980. № 4. С. 211-214.

61. Арсенин В.Я., Кнопова С.М., Кушин В.В., Ляпидевский В.К., Мещерин Б.Н. Восстановление непрерывных спектров рентгеновского излучения,

измеренных с помощью ядерной эмульсии // Аппаратное и программное обеспечение систем автоматизации ядерно-физического эксперимента. М.: Энергоатомиздат, 1982. С. 25-32.

62. Баловнев А.В., Вовченко Е.Д., Григорьева И.Г., Додулад Э.И., Ермаков

B.Н., Клячин Н.А., Савёлов А.С., Салахутдинов Г.Х. Исследование рентгеновского излучения плазмы, образованной в сильноточных импульсных электрических разрядах на установке «низкоиндуктивная вакуумная искра» // М.: Препринт НИЯУ МИФИ. - 2014. - №001-2014

63. Баловнев А.В., Григорьева И.Г., Салахутдинов Г.Х. Координатно-чувствительный спектрометр импульсного рентгеновского излучения для исследования пространственной структуры плазменных объектов.// Приборы и техника эксперимента №6, 2015 С. 67-70.(ВАК)

A Position-Sensitive Pulse X-ray Spectrometer for Studying Spatial Structures of Plasma Objects // Instruments and Experimental Techniques. - 2015. - Vol. 58. - No. 6. - pp. 771-773. (Original Russian Text published in Pribory i Tekhnika Eksperimenta. -2015. - No. 6. - pp. 67-70.) (SCOPUS)

64. Balovnev A.V., Vovchenko E.D., Grigoryeva I.G., Dodulad E.I., Savelov A.S., Salahutdinov G.H. X-ray and ion emission sources in high-current discharge plasma.// Physics Procedia 71 ( 2015 ) 146 - 149 (SCOPUS)

65. Арцимович JI.А., Сагдеев P. 3. // Физика плазмы для физиков. - Москва «Атомиздат» 1979. - 313 с.

66. Баловнев А.В., Визгалов И. В., Салахутдинов Г.Х. Применение метода фильтров для диагностики аномальной электрон-электронной эмиссии в автоколебательном режиме пучково-плазменного разряда.// Ядерная физика и инжиниринг. - Т.5. - №7-8. - 2014. - С. 649-654.

67. Баловнев А.В., Визгалов И. В., Салахутдинов Г.Х. Диагностика аномальной электрон-электронной эмиссии в автоколебательном режиме пучково-плазменного разряда при помощи метода фильтров и термолюминесцентных детекторов.// Прикладная физика. - №1. - 2015. -

C. 40-43.

68. Balovnev A. V., Vizgalov I. V. and Salahutdinov G. H. Application of filter method for detection of secondary electron emission in the auto-oscillating mode of beam plasma discharge.// IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series 666 (2016) 012010 pp. 1-3 (SCOPUS)

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Баловнев А.В., Григорьева И.Г., Додулад Э.И., Савелов А.С., Салахутдииов Г.Х. Исследование рентгеновского излучения микропинчевого разряда при помощи термолюминесцентных детекторов. // Прикладная физика. -№4. -2013. - С. 23-26. (ВАК)

2. Баловнев А.В., Визгалов И.В., Салахутдииов Г.Х. Применение метода фильтров для диагностики аномальной электрон-электронной эмиссии в автоколебательном режиме пучково-плазменного разряда. // Ядерная физика и инжиниринг. - т.5 - №7-8. - 2014. - С. 649-654. (ВАК)

3. Баловнев А.В., Визгалов И.В., Салахутдииов Г.Х. Диагностика аномальной электрон-электронной эмиссии в автоколебательном режиме пучково-плазменного разряда при помощи метода фильтров и термолюминесцентных детекторов. // Прикладная физика. - №1. - 2015. - С. 4043. (ВАК)

4. Баловнев А.В., Григорьева И.Г., Салахутдииов Г.Х. Применение термолюминесцентных детекторов для диагностики плазменных объектов. // Приборы и техника эксперимента. - 2015. — № 1. - С. 100-103. (ВАК)

Application of Thermoluminescent Detectors for Diagnosing Plasma Objects. Instruments and Experimental Techniques. - 2015. - Vol. 58. -No. 1. - pp. 98-101. (Original Russian Text published in Pribory i Tekhnika Eksperimenta. — 2015. -No. 1. -pp. 100-103.) (SCOPUS)

5. Баловнев A.B., Григорьева И.Г., Салахутдииов Г.Х. Спектрометрия импульсного рентгеновского излучения плазмы сильноточного электрического разряда. // Приборы и техника эксперимента. 2015. - № 2. - С. 89-94. (ВАК) Spectrometry of Impulse High-Current Discharge-Plasma X Rays. // Instruments and Experimental Techniques. - 2015. - Vol. 58. - No. 2. -pp. 252-256. (Original Russian Text published in Pribory i Tekhnika Eksperimenta. — 2015. -No. 2. -pp. 89-94.) (SCOPUS)

6. Баловнев А.В., Григорьева И.Г., Салахутдинов Г.Х. Координатно-чуветвительный спектрометр импульсного рентгеновского излучения для исследования пространственной структуры плазменных объектов.// Приборы и техника эксперимента №6, 2015 С. 67-70.(ВАК)

A Position-Sensitive Pulse X-ray Spectrometer for Studying Spatial Structures of Plasma Objects // Instruments and Experimental Techniques. - 2015. - Vol. 58. - No. 6. - pp. 771-773. (Original Russian Text published in Pribory i Tekhnika Eksperimenta. -2015. -No. 6. - pp. 67-70.) (SCOPUS)

7. Balovnev A.V., Vovchenko E.D., Grigoryeva I.G., Dodulad E.I., Savelov A.S., Salahutdinov G.H. X-ray and ion emission sources in high-current discharge plasma.// Physics Procedia 71 ( 2015 ) 146 - 149 (SCOPUS)

8. Balovnev A. V., Vizgalov I. V. and Salahutdinov G. H. Application of filter method for detection of secondary electron emission in the auto-oscillating mode of beam plasma discharge.// IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series 666 (2016) 012010pp. 1-3 (SCOPUS)

9. Баловнев A.B., Вовченко Е.Д., Григорьева И.Г., Додулад Э.И., Ермаков В.Н., Клячин Н.А., Савёлов А.С., Салахутдинов Г.Х. Исследование рентгеновского излучения плазмы, образованной в сильноточных импульсных электрических разрядах на установке «низкоиндуктивная вакуумная искра».// М.: Препринт НИЯУ МИФИ, 2014.-№001-2014.

10. Баловнев А.В., Григорьева И.Г., Литвин А. Д., Додулад Э.И., Савёлов А.С., Салахутдинов Г.Х. Исследование параметров рентгеновского излучения горячей плазмы при помощи термолюминесцентных детекторов. // Сб. докл. VIII Российской конференции «Современные средства диагностики плазмы и их применение». - 23-25 октября, 2012 г. - НИЯУ МИФИ, Москва. - С.44.

11. Баловнев А.В., Григорьева И.Г., Савёлов А.С., Салахутдинов Г.Х. Комплексное измерение параметров плазмы в сильноточных разрядных

установках. // Аннотации докладов Научной сессии МИФИ 2013 . - г. Москва, 2013.-С. 73.

12. Баловнев A.B., Григорьева И.Г., Додулад Э.И., Савелов A.C., Салахутдинов Г.Х. Исследование рентгеновского излучения микропинчевого разряда при помощи термолюминесцентных детекторов. // Научная сессия МИФИ 2014. - Москва, 2014. - Т. 2. - С. 97.

13. Баловнев A.B., Визгалов И.В., Салахутдинов Г.Х. Применение метода фильтров для диагностики вторичной электронной эмиссии в автоколебательном режиме пучково-плазменного разряда. // Материалы IX конференции «Современные средства диагностики плазмы и их применение». Москва, 5-7 ноября 2014.-С.99-102.