WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический

институт им. П. Н. Лебедева РАН.

На правах рукописи

ШЕЛКОВЕНКО ТАТЬЯНА АЛЕКСАНДРОВНА

Создание, исследование и применение источников рентгеновского излучения на основе Х-пинчей для проекционной рентгенографии и абсорбционной спектроскопии плазменных объектов

Специальность 01.04.08 – физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой

степени доктора физико-математических наук

Москва 2012 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН.

Официальные оппоненты:

Академик Смирнов Валентин Пантелеймонович, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур РАН

Доктор физико-математических наук А. В. Виноградов, Федеральное государственно бюджетное учреждение науки Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН.

Доктор физико-математических наук В. А. Князев, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики СО РАН.

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр «Курчатовский институт».

Защита диссертации состоится 26 ноября 2012 года в _12___ часов на заседании диссертационного совета Д002.023.02 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 53

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан  «_____»

Ученый секретарь диссертационного совета,

Доктор физико-математических наук Я. Н. Истомин

Общая характеристика работы.

Диссертация посвящена созданию плазменных источников мягкого рентгеновского излучения на основе Х-пинчей для использования в  методе проекционной рентгенографии и проекционной абсорбционной спектроскопии плазменных объектов и вещества с высокой плотностью энергии. Х-пинч как источник плазмы с экстремальными параметрами был предложен 1979 г. в Физическом институте им. Лебедева РАН [1] и исследован в докторской диссертации С. А. Пикуза [2] в простейшей конфигурации двух скрещенных проволочек, являющихся нагрузкой сильноточного диода наносекундного генератора тока. Было показано, что плазма в Х-пинче образует так называемую «горячую точку» (ГТ), излучающую мощный импульс рентгеновского излучения с чрезвычайно высокой яркостью, которая может быть использована в качестве источника излучения для проекционной рентгенографии различных объектов [3]. Тем не менее, первые попытки использования Х-пинча были не вполне успешными, что было связано как с недостатком фундаментальных знаний об излучающих свойствах Х-пинча, необходимых для практических применений, так и с полным отсутствием опыта таких применений. 

В диссертации изложены результаты многолетних экспериментальных исследований Х-пинча как источника рентгеновского излучения и создания проекционных рентгеновских диагностик на его основе. Приведены также результаты использования диагностик на основе Х-пинча в исследованиях вещества с высокой плотность энергии,  проведенные автором и под его руководством.

Актуальность проблемы. Рентгенография со времени изобретения Х-лучей является одним из главных бесконтактных методов исследования структуры вещества и внутреннего строения разнообразных объектов [3]. Не исключением являются и плазменные объекты в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу (УТС), астрофизике, физике экстремальных состояний вещества. Плазменные объекты имеют сложную, часто мелкомасштабную, быстро изменяющуюся во времени структуру, что налагает весьма жесткие требования к источникам излучения, используемым для их диагностики.  Прежде всего, свойства плазменных объектов и объектов из вещества в экстремальных состояниях не позволяют использовать традиционные методы контактной рентгенографии, в которых детекторы излучения располагаются в непосредственной близости к изображаемым объектам и размеры источников зондирующего излучения, хотя и важны, но не имеют критического значения. Альтернативой здесь является схема проекционной точечной рентгенографии, когда и источник, и детектор располагаются на значительном расстоянии от исследуемого объекта и не подвергаются разрушающему влиянию излучения и разлетающегося вещества объекта. Детектором  в этом случае регистрируется увеличенное изображение объекта, а качество изображения определяется параметрами источника зондирующего излучения. Размер источника при этом становится критическим, так как именно он, в основном, определяет величину пространственного разрешения, по крайней мере, до тех пор, пока не становятся важными волновые свойства зондирующего излучения. Для получения изображений быстро меняющихся объектов длительность экспозиции  должна быть короткой,  а яркость излучения источника высокой. Исследования динамики подобных объектов требуют создания многокадровых систем зондирования и регистрации изображений. Наиболее мощными малоразмерными источниками мягкого рентгеновского излучения являются источники на основе высокотемпературной плазмы, среди которых плазма Х-пинча является наиболее перспективной. Имея уникальные параметры, Х-пинч может быть использован также как источник многозарядных ионов, электронных и ионных пучков.

Важность исследований вещества с высокой плотностью энергии, возникающего, например, при наносекундном взрыве тонких проводников, связана с широким использованием Z-пинчей на основе проволочных сборок для генерации сверхмощных потоков мягкого рентгеновского излучения. Несмотря на то, что взрывающиеся проволочки исследуются уже достаточно давно, физика процессов в веществе при его быстром нагреве электрическим током изучена недостаточно. Проекционная высокоразрешающая рентгенография взрывающихся проволочек,  проволочных сборок и других нагрузок позволяет получить новую информацию, которая поможет  глубже понять фундаментальные процессы в веществе при быстром вложении энергии. 

С помощью точечной проекционной рентгенографии возможно не только регистрировать изображения объектов и детально  исследовать их поведение во времени, но и проводить точные  количественные измерения распределения массы вещества, что весьма важно для создания адекватных теоретических моделей. Еще большей информативностью обладают методики, связанные с детальным спектральным анализом излучения, прошедшего через исследуемое вещество. Методы проекционной абсорбционной рентгеновской спектроскопии позволяют исследовать распределения температур, плотностей, ионного состава и фазового состояния вещества в диапазонах, недоступных изучению с использованием других методик. 

Разработка рентгеновских проекционных методик является  весьма сложной задачей, однако, только они могут дать  тот значительный объем информации, которой необходим для понимания процессов в веществе с высокой плотностью энергии в различных экспериментах.

Цель работы и задачи исследований.

Целью работы являлась разработка бесконтактных методов диагностики вещества с высокой плотностью энергии, включая плазму взрывающихся проволочек и проволочных сборок, основанных на проекционной рентгенографии и абсорбционной спектроскопии на основе Х-пинча как источника зондирующего излучения, и их использование в исследованиях быстропротекающих процессов в плазменных объектах с пикосекундным временным и микронным пространственным разрешением. Поставленная задача была решена путем создания и всестороннего исследования Х-пинчей различных конфигураций, установления основных закономерностей генерации рентгеновского излучения с экстремальными параметрами в широком диапазоне начальных условий, а также разработкой методик получения и количественного анализа изображений исследуемых объектов с предельно достижимыми параметрами.

Научная новизна работы заключается в том что:

1. Впервые экспериментально реализованы источники мягкого рентгеновского излучения для проекционной рентгенографии и  рентгеновской абсорбционной спектроскопии на основе непрерывного излучения горячей точки Х-пинчей. Предложены и реализованы конфигурации Х-пинчей для сильноточных генераторов различных конструкций, работающих в широком диапазоне выходных параметров.

2. Сформулированы основные требования к Х-пинчам, необходимые для их использования в качестве источников излучения для проекционной рентгенографии. Для каждой конфигурации Х-пинчей найдены условия, необходимые для создания единичного источника излучения с предельными параметрами.

3. Установлены основные закономерности и параметры масштабирования начальных условий при работе Х-пинчей на различных установках. 

4. Разработаны и реализованы схемы многокадровой проекционной рентгенографии плазменных объектов и методы количественных измерений массы вещества в разрядном канале взрывающейся проволочки и проволочной сборки. 

5. Впервые детально исследована структура разрядного канала при наносекундном взрыве одиночного проводника и проволочной сборки. Экспериментально доказано существование сложной структуры керн-корона разрядного канала. Впервые определено состояние керна как устойчивого физического объекта, находящегося в гетерогенном состоянии.

6. Разработаны и реализованы методики измерения параметров вещества взрывающихся проволочек с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии с микронным пространственным, субнаносекундным временным и сверхвысоким спектральным разрешением.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что:

Разработаны, всесторонне исследованы и применены в экспериментах с наносекундными Z-пинчами новые бесконтактные диагностические методики, основанные на использовании уникальных свойств Х-пинча как источника мягкого рентгеновского излучения в проекционной рентгенографии с неограниченным полем зрения, микронным пространственным и субнаносекундным временным разрешением.

Проекционная рентгенография на основе Х-пинча стала рутинным инструментом детальных исследований наносекундного взрыва, как одиночных проводников, так и проволочных сборок, во многих случаях принципиально изменив взгляд на физические процессы нагрева проволочек, формирования разрядного канала, абляции вещества в проволочных сборках и формирования горячей плазмы. Полученные данные позволили построить адекватные в целом теоретические модели, удовлетворительно описывающие процессы в проволочных сборках, и проектировать новые нагрузки для все более мощных установок предназначенных для генерации сверхмощных импульсов мягкого рентгеновского излучения в задачах инерциального УТС и других приложений. 

Применение рентгеновской абсорбционной спектроскопии, использующей зондирующее излучение источника на основе Х-пинча, позволило  измерить параметры абляционной плазмы в проволочных сборках в интервале параметров, недоступных другим диагностикам.

Личный вклад автора.

Автору принадлежит идея использования Х-пинча как источника излучения при создании методик с уникальными параметрами, основанных на проекционной рентгенографии и рентгеновской абсорбционной спектроскопии, для изучения быстропротекающих процессов в плазменных объектах, а также её  практическая реализация на установках с широким спектром параметров и проведение исследований вещества с высокой плотностью энергии при наносекундном взрыве проводников.

Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично, под его руководством или с его определяющим участием.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Горячая точка Х-пинча является одним из наиболее ярких и эффективных лабораторных источников мягкого рентгеновского излучения.

2. Параметры излучающей области Х-пинчей делают его идеальным источником излучения для точечной проекционной рентгенографии быстроизменяющихся объектов с дифракционным пространственным, субнаносекундным (пикосекундным) временным разрешением, неограниченным полем зрения и возможностью проведения количественных измерений.

3.Х-пинч может быть реализован на установках с широким диапазоном выходных параметров: амплитуда тока от 40 до 7000 кА и длительностью фронта нарастания импульса тока от 40 до 300 нс, при условии, что скорость нарастания тока превышает величину 1кА/нс.

4. Горячая точка Х-пинча излучает интенсивное рентгеновское излучение с  непрерывным спектром, что позволило создать метод точечной проекционной рентгеновской абсорбционной спектроскопии с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением.

5. Созданные в ходе работы многокадровые схемы проекционной рентгенографии на основе Х-пинчей позволяют исследовать динамику физических процессов различных плазменных объектов.

6. Данные, полученные при помощи проекционной рентгенографии проволочных сборок, привели к новым взглядам на процесс перехода проволочек из твердого состояния в плазменное. Впервые проведены исследования процессов формирования структуры керн – корона разрядного канала при наносекундном взрыве тонких проводников в нагрузках различных конфигураций. Обнаружена гетерогенная структура керна проволочек и изучены факторы, определяющие их образование и динамику для всех исследуемых проволочных нагрузок. Длительное существование керна с постепенным испарением массы в окружающую его корону было положено в основу новых теорий схлопывания проволочных сборок.

7. Применение проекционной рентгенографии для исследования взрыва цилиндрических сборок позволило впервые детально исследовать динамику керна отдельных проволочек в сборках, показать наличие локальной короны вокруг каждой проволочки, исследовать динамику и измерить плотность короны и предвестника.

8. Впервые с субнаносекундным временным и микронным пространственным разрешением проведены исследования процессов формирования, и измерения параметров плазмы разрядного канала при наносекундном взрыве тонких проводников  в нагрузках различных конфигураций.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, основана на комплексном подходе к исследованиям, использовании большого количества различных перекрестных и взаимно дополняющих методов диагностики и большой статистике измерений, набранной на нескольких экспериментальных установках. Часть результатов подтверждена в более поздних работах других экспериментальных групп.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Международных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2000 – 2012);

Международных конференциях по физике плазмы (IEEE - ICOPS, Сан Диего, США, 1998; Монтеррей, США, 1999; Новый Орлеан США, 2000; Лас Вегас, США, 2001; Альберта, Канада, 2002; Джеджу Айленд, Корея, 2003; Балтимор, США, 2004; Монтеррей, США, 2005; Трэверс Сити, США, 2006; Альбукерки, США, 2007; Карлсруе, Германия, 2008; Денвер, США, 2009; Норфолк, США, 2010; Чикаго, США,  2011); Эдинбург, Великобритания, 2012).

Международных конференциях по плотным Z – пинчам (Лондон, Великобритания, 1993; Ванкувер, Канада, 1997; Альбукерки, США, 2002; Оксфорд, Великобритания, 2005; Александрия, США, 2009; Биаритц, Франция, 2011);

Международных симпозиумах Американского общества инженеров-оптиков (SPIE, Сан Диего, 1994, 2001, 2003, 2004);

Международных конференциях по мощным импульсным пучкам заряженных частиц  (Прага, Чехия, 1998, Каир, Египет, 2000; Санкт Петербург, Россия, 2004);

Ежегодных собраниях Отделения физики плазмы Американского Физического общества (APS-DPP, Денвер, США, 1996; Питтсбург, США, 1997; Новый Орлеан, США, 1998; Сиэтл, США, 1999; Квебек, Канада, 2000; Лонг Бич, США 2001; Орландо, США, 2002; Альбукерки, США 2003; Саванна, США, 2004; Филадельфия, США 2006; Орландо, США, 2007, Даллас, США, 2008; Атланта, США, 2009; Чикаго, США, 2010; Солт-Лейк Сити, США, 2011);

Международных конференциях по диагностике высокотемпературной плазмы (HTPD: Монтеррей, США, 1998; Принстон, США, 2000; Тусон США, 2002; Мэдисон, США, 2002; Сан Диего, США, 2004; Вильямсбург, США, 2006; Альбукерки, США, 2008; Вилдвуд, США, 2010);

На XXIV симпозиуме по физике плазмы и технологии  (Прага, Чехия, 2010);

Международных конференциях по экстремальным состояниям вещества (Эльбрус, Россия, 2004-2010);

Всероссийских семинарах по Z – пинчам (Москва, 2006, 2007);

Рабочих совещаниях по физике многопроволочных Z – пинчей (Таос, США, 2000; Абингдон, Великобритания 2002; Питлохи, Великобритания, 2004; Финикс, США, 2006; Батл, Великобритания, 2008);

Рабочем совещании по каналированию  частиц и излучения  Channeling-2004 (Рим, Италия, 2004);

Международной конференции НАНСИС (Украина, Киев, 2007);

Пятнадцатом Симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2008);

Международной конференции «Физика импульсных разрядов в конденсированных средах» (Украина, Николаев, 2005, 2007, 2009);

Рабочем совещании по излучению горячей плотной плазмы, (США, Рено, 2011).

Основные результаты диссертации опубликованы в 71 статье в журналах и трудах международных конференций, в том числе в 55 статьях в периодических изданиях, рекомендованных ВАК. Список публикаций приведен в конце автореферата. Результаты работы были доложены также в 68 докладах на Международных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка используемой литературы.

Объем диссертации составляет 351 страницу, включая 229 рисунков, 21 таблицу и список литературы из 308 наименований.

Во введении дана краткая характеристика работы, обоснована её актуальность, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе дан краткий обзор методов рентгенографии и источников рентгеновского излучения, применяемый как в традиционной, так и проекционной  рентгенографии. В данной главе показано, что при всем многообразии источников рентгеновского излучения и их многочисленных достоинствах ни один из них не обладает всем набором качеств, присущих ГТ Х-пинча.

Во второй главе диссертации была подробно рассмотрена схема точечной проекционной рентгенографии и сформулированы требования к источнику излучения для нее. Большая часть второй главы посвящена исследованию основных свойств источнику излучения на основе Х-пинчей.

Третья глава диссертации посвящена созданию многокадровой системы проекционной рентгенографии быстроизменяющихся плазменных объектов.

Четвертая глава посвящена оптимизации конфигураций Х-пинчей для использования их в условиях МА уровня тока и в условиях миниатюрного генератора с длинным фронтом тока и значительно меньшим уровнем напряжения, чем в генераторах со стандартной схемой формирования импульса тока.

В пятой главе представлены результаты применения метода проекционной рентгенографии и рентгеновской абсорбционной спектроскопии с источником излучения на основе Х-пинчей для исследования взрыва единичных проволочек и малопроволочных сборок в разных экспериментальных условиях.

В шестой главе приведены результаты использования проекционной рентгенографии для исследования процессов, происходящих при сильноточном взрыве  цилиндрических проволочных сборок.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы. Главным итогом работы является решение крупной научно-технической задачи по исследованию и созданию источника мягкого рентгеновского излучения с уникальными параметрами на основе горячей точки Х-пинча, и широкого внедрения проекционных методов диагностики для исследования быстроизменяющихся плазменных объектов.

Содержание диссертационной работы.

Во Введении дана краткая характеристика работы, обоснована её актуальность, сформулированы цель и задачи исследований. Показано, что диагностика быстроизменяющихся объектов, образующихся при взрывах любых нагрузок, помещенных в сильноточный диод, а также любых других плазменных объектов, например лазерной плазмы, является очень сложным процессом, требующим высокого разрешения во времени и пространстве.  [1-14].

Теневое изображение, представляет собой самый простой метод получения изображения объекта, при  котором излучение не отражается и не преломляется в каком-либо оптическом устройстве, то этот метод мог бы быть наиболее перспективным для диагностики быстроизменяющихся плазменных объектов. Пространственное разрешение при этом не зависит от какой-либо апертуры и ограничено зернистостью пленки, при контактных способах изображений, и размерами источника и френелевской дифракцией в методе проекционной рентгенографии [3]. К сожалению, к большинству плазменных объектов невозможно приблизить  как источник зондирующего излучения, так и регистрирующее устройство, поэтому для теневого изображения плазменных объектов подходит только метод проекционного зондирования.

Получения изображения такой нагрузки в выбранный момент времени дает широкие возможности для исследования структуры и динамики исследуемого объекта, а с помощью специальной методики [15] дает возможность измерения плотности. Во Введении показано, что для получения изображения исследуемых объектов с микронным пространственным разрешением лучше всего подходит область МРИ с длиной волны от 12 до 1 .

Для проекционного изображения объектов в рентгеновском излучении (проекционной рентгенографии) требуется яркий источник МРИ [3], то есть источник маленького размера, но с большой интенсивностью излучения, дающий короткую вспышку излучения. В данной работе мы показали, что изучаемый автором и его коллегами на протяжении последний 20 лет Х-пинч [1, 2, 4-7, 11-14, 16-24], является, на сегодняшний день, идеальным источником МРИ для проекционной рентгенографии.

Стандартным Х-пинчем называется плазменный объект, образующийся при взрыве двух или более проволочек микронного размера, перекрещенных в диоде сильноточного наносекундного генератора [1,2, 4, 11-14, 16-24]. Исследование параметров Х-пинча как источника излучения для проекционной рентгенографии и их оптимизация, разработка различных конфигураций Х-пинчей и многокадровых систем рентгенографии, а также основные результаты по рентгенографии различных плазменных объектов, полученные с применением точечного источника МРИ на основе Х-пинча, являются основным содержанием данной работы. [4-7, 11-30].

В данной работе было показано, что горячая точка (ГТ), образующаяся в процессе взрыва проволочек Х-пинчей [13, 14, 16-24, 29], является идеальным  источником для построения проекционных изображений в МРИ с микронным пространственным и субнаносекундным временным разрешением. К тому же, ГТ в Х-пинче локализована в пространстве с точностью порядка 100 – 300 мкм и способна обеспечить поле зрения любой величины [13, 19]. Единственным физическим ограничением здесь является яркость ГТ, а техническим – площадь приемника излучения и геометрия установки.

В первой главе  дан краткий обзор методов рентгенографии и источников рентгеновского излучения, применяемый как в традиционной, так и проекционной  рентгенографии как плазменных, так и биологических объектов. В данной главе показано, что при всем многообразии источников рентгеновского излучения и их многочисленных достоинствах ни один из них не обладает всем набором качеств, присущих ГТ Х-пинча.

В первой главе были рассмотрены два метода рентгенографии, дающие микронное и субмикронное пространственное разрешение: это контактный метод микрорентгенографии и метод проекционной рентгенографии [3]. Основным методом, обеспечивающим высокое разрешение, является метод точечной проекционной рентгенографии, т.е. рентгенографии от небольшого (в идеале точечного), но яркого источника излучения. При этом возможно получение изображение объекта с большим увеличением и высоким пространственным разрешением. Изменяя расстояние до объекта в такой схеме можно получить любое увеличение. Единственным физическим ограничением здесь является яркость источника. Вообще яркость источника излучения, определяемая как мощность излучения в единице объема источника, излучаемая в единицу телесного угла, является одной из главных характеристик любого источника излучения.

Высокое пространственное разрешение может быть достигнуто также при контактном методе изображения, при котором приемник излучения располагается в непосредственном контакте с изображаемым объектом.

До 1948 года рентгенография микрообъектов высоким пространственным разрешением осуществлялась контактным способом с применением пленок с высоким пространственным разрешением. Эта область рентгенографии называется микрорентгенографией. В силу своей простоты и возможностей разнообразного применения, контактная микрорентгенография продолжает развиваться как метод, полезный в тех случаях, когда достаточно пространственного разрешения, даваемого оптическим микроскопом и когда по тонкому срезу можно сделать заключение обо всём объекте, а главное, когда к исследуемому объекту можно приблизить регистрирующее устройство [31-33].

Метод проекционной рентгенографии подробно рассмотрен во второй главе.

В первой главе рассмотрены также несколько типов более или менее точечных источников РИ, которые можно использовать для изображения  различных объектов, в том числе методом проекционной рентгенографии, который только и может быть использован для исследования плазменных объектов.

Во-первых, были рассмотрены как точечные источники мягкого рентгеновского излучения горячие точки (ГТ), образующиеся в устройствах типа “вакуумной искры” и других Z пинчах. Было показано, что в зависимости от условий эксперимента ГТ в “вакуумной искре” и Z- пинчах имеют электронную температуру от несколько сотен эВ до несколько кэВ, плотность 1020 – 1022  см-3 и являются интенсивными источниками  рентгеновского излучения  с излученной энергией до сотен мДж [34-37]. Несмотря на это, ГТ в “вакуумной искре” и Z-пинчах не могут рассматриваться в качестве источника МРИ для проекционной рентгенографии из-за неопределенности их количества и расположения в пространстве.

Много внимания в первой главе уделяется различным разновидностям рентгеновских трубок, поскольку они являются основными источниками рентгеновского излучения, применяемыми для традиционной рентгенографии. Обычные рентгеновские трубки представляют собой простой, дешевый, повсеместно применяемый для рентгенографии прибор, который можно использовать в широком интервале энергии излучения, размера источника излучения и длительности импульса [38-44]. Большинство рентгеновских трубок выдают рентгеновское излучение в диапазоне от 10 до 100 кэВ с наименьшим размером источника около ~ 20 мкм  [41-43]. При этом даже самые современные импульсные рентгеновские трубки генерируют импульс излучения не короче 0.1 мс и к тому же имеют очень низкую эффективность преобразования энергии в излучение. Было показано, что, несмотря на большое многообразие рентгеновских трубок, невозможно найти трубки, которые бы одновременно удовлетворяли всем, перечисленным выше параметрам точечного источника МРИ, используемого для проекционной рентгенографии плазменного образования.

Синхротронное излучение широко применяется для рентгенографии с большим увеличением, но это трудно назвать проекционной рентгенографией. Во-первых,  синхротроны дают относительно маленький источник излучения только в одном направлении, а в другом - большой источник слабо расходящегося широкополосного, в основном, жесткого рентгеновского излучения. Для рентгенографии предварительно применяются различные монохроматоры излучения [45] и довольно часто – фокусирующая оптика [46], что уже расходится с определением проекционной рентгенографии, как о способе теневого рентгеновского изображения без применения дополнительных приборов формирования излучения. Во-вторых, рентгенограммы с большим контрастом и высоким пространственным разрешением в основном получаются при применении метода фазового контраста, при котором основным фактором, определяющим контраст изображения, является не плотность исследуемого объекта, а градиенты плотности [47]. В-третьих, синхротроны дают квазинепрерывное излучение, что не может обеспечить временного разрешения без специальных регистраторов. И, в-четвертых, это очень большие и очень дорогие установки, поэтому невозможно их широкое использование в качестве диагностического прибора.

Для проекционной рентгенографии малый размер источника является наиболее важной характеристикой источника, определяющей пространственное разрешение метода. В этом случае иногда жертвуют яркостью источника, ставят между изображаемым образцом и источником излучения экраны с диафрагмами небольшого размера – обскурами,  для эффективного уменьшения размера источника и, следовательно, улучшения пространственного разрешения системы. Яркость источника уменьшается пропорционально отношению размера источника к размеру обскуры.

Рентгенография с помощью обскур является важной диагностикой для получения высококонтрастных изображений с высоким пространственным разрешением и с большим полем зрения. В основном такая техника применяется для исследования лазерной плазмы, поскольку импульсным источником излучения является также лазерная плазма. Излучение, проходящее сквозь обскуру, можно рассматривать как точечный источник излучения и такой способ вполне можно отнести к проекционной рентгенографии от точечного источника без применения дополнительных оптических элементов, используемых для построения изображения объекта. Но для точечной проекционной рентгенографии с использованием обскур требуются очень мощные лазерные установки, такие как NOVA и OMEGA NIF, поэтому такая радиография возможна в очень ограниченных местах [48-50].

Днный метод был единственным, используемым проекционной рентгенографии плазменных объектов до появления точечного источника мягкого рентгеновского излучения на основе Х-пинчей.

Как показано в обзоре, в этой области существует множество источников излучения, но Х-пинчи имеют существенные преимущества перед большинством из существующих в настоящее время источников РИ. Было показано, что ни один из существующих в настоящее время источников РИ не обладает одновременно высокой интенсивностью, малыми размерами, малой длительностью и однородностью излучения, а также разумной эффективностью преобразования накопленной энергии в излучение и практически неограниченным полем зрения [52]. К тому же большинство из применяемых для рентгенографии источников излучения работают в области достаточно жёсткого излучения (Е>15 кэВ) и не пригодны для построения изображения плазменных объектов. 


Во второй главе диссертации была подробно рассмотрена схема точечной проекционной рентгенографии и сформулированы требования к источнику излучения для нее. Схема проекционной теневой рентгенографии при помощи «точечного» источника излучения (Рис.1а) в общем случае является  самой простой, в ней не применяются никакие промежуточные приборы для построения изображения.

Как показано на рисунке 1, пространственное разрешение метода завит от размера источника излучения и волновых факторов излучения, из которых важнейшим является дифракция излучения на исследуемом объекте [8-10].

В наших экспериментах мы имеем дело условиями, близкими к условиям, представленных на одном из рисунков 1а-г. При разных условиях эксперимента должны учитываться факторы, оказывающие наибольшее влияние на пространственное разрешение.

Рис. 1 Cхема проекционной рентгенографии  от точечного источника (а); от источника диаметром d (б) (в приближении лучевой оптики); схема проекционной рентгенографии от точечного источника с учетом дифракции на непрозрачном (в) и полупрозрачном объекте (г).

Во второй главе кратко представлены четыре сильноточных генератора [53], используемых как для экспериментов по исследованию Х-пинчей как источников МРИ для проекционной рентгенографии, так и для создания различных плазменных нагрузок (см. Таблицу 1).В Таблице 1 представлены также конфигурации Х-пинчей, исследуемые на каждом из сильноточных генераторов. Отметим, что производная тока четырех генераторов, предназначенных для работы с Х-пинчами, удовлетворяет основному эмпирическому правилу, согласно которому ГТ образуется в Х-пинче только при скорости нарастания тока выше 1 кА/нс. Это правило было сформулировано, исходя из наших экспериментов с Х-пинчами, а также анализа экспериментов других групп (см. обзор в работе [4]), является совершенно необходимым условием образования ГТ и не имеет исключений.

Известно, что любой источник излучения характеризуется пятью основными свойствами, такими как:

1. Яркость

2.Энергетическое распределение излучения

4. Размер источника

5. Длительность излучения

6. Пространственная однородность излучения

Поэтому, большая часть второй главы посвящена исследованию основных свойств источника излучения на основе Х-пинчей. Для этого применялся весь комплекс диагностических приборов, доступный нам в различные годы.

Естественно, что с ростом нашего понимания сложности исследования такого объекта как Х-пинч усложнялись и применяемые диагностики, но комплект рутинно применяемых, несложных, но эффективных диагностик был одинаков на всех установках, что позволяет сравнивать параметры Х-пинчей.

Краткое описание используемых диагностик, зачастую разработанных в ходе исследований и применяемых для исследования пространственных и временных параметров источника излучения,  также приведено во второй главе диссертации.

В наших исследованиях было показано, что для проекционной рентгенографии с высоким пространственным и временным разрешением может быть использовано только непрерывное излучение горячей точки (ГТ) Х-пинча. Было также показано, что в Х-пинче может образоваться только одна (или две очень близких во времени и пространстве) ГТ.

Таблица 1. Параметры генераторов и типы Х-пинчей, используемые в экспериментах.

Генератор

(годы)

I (kA)

генератора

V (kV)

Фронт

тока (нс)

Схема эксперимента

Ток

нагрузки

(кА)

Тип Х-пинча

БИН (ФИАН)

1990-нв

270

250

100

Основная цепь

1 Х-пинч

250

2-4-х проволочный

2-х проволочный в в рамке; гибридный

ХР

(Корнелький университет, США)

1993-нв

450-500

250

45

Основная цепь:

1-3 Х-пинча

150-

500

2-7–ми проволочн;

2-6-ти проволочные

в рамке;гибридные

Цепь обратного

тока:2-3 Х-пинча

150-

250

2-4-х проволочные

COBRA

(Корнельский  университет, США)

2006-н.в.

800-

1200

600

90-

200

Основная цепь

1-2 Х-пинча

500-1200

6-64 проволочные;

симметричные;

гибридные

Цепь обратного

тока:  2-5 Х-пинчей

150-

600

4-х проволочные;

гибридные

МИНИ (ФИАН)

2008-нв

250-

350

45

170-

200

Основная цепь:

1 Х-пинч

200-

350

4-х проволочные;

гибридные

Прямые измерения размеров ГТ Х-пинчей при помощи диагностической аппаратуры, представленной во второй главе диссертации, дали минимальный размер ГТ ~ 2 микрон для энергии квантов выше 9 кэВ [22, 54] и 10 микрон для излучения с энергией квантов выше 1 кэВ [22, 55].  Расчеты размера источника, сделанные на основе рентгенограмм тест-объектов с учетом волновых факторов излучения дали минимальный размеры ГТ ~ 1 микрона для энергии квантов от 3 до 8 кэВ для разных установок, используемых в исследовании Х-пинчей [5-7, 20-22, 30, 56]        

Рис. 2 Фильтры ЩСО-камеры (а); изображение щели ЩСО-камеры, полученное  в излучении 4-x проволочного Х-пинча из Ag проволочек диаметром 25 мкм на установке ХР (б); денситограмма изображения щели через  фильтры из Cu и Ti фольги (в); обскурограмма излучающей области Х-пинча (г) и рентгенограмма тест-объекта, зарегистрированные в данном Х-пинче.

На рисунке 2 приведен пример исследования структуры излучающей области и размера источников излучения при помощи диагностик, рутинно используемых в экспериментах: камеры-обскуры и щелевой камеры со ступенчатым фильтром. Изображение щели щелевой камеры показывает две ГТ почти одинаковой интенсивности, сформировавшиеся на расстоянии ~100 микрон друг от друга.  Из рисунка 2д видно, что было зарегистрировано две рентгенограммы тест-объекта, почти одинакового качества, сдвинутые относительно друг друга. Размер ГТ, оцененный по размыванию края изображения щели равен 5.5 и 4.5 микрона

Важным параметром проекционной рентгенографии быстроизменяющихся плазменных объектов является высокое временное разрешение, поэтому во второй главе уделялось достаточно большое внимание методам точного измерения момента генерации и длительности вспышки МРИ при различных энергиях излучения. Были рассмотрены как рутинные измерения, применяемые в каждом выстреле на всех установках, так и специальные исследования, для выполнения которых была спроектирована и заказана специальная аппаратура. Для рутинных измерений применялись алмазные детекторы с фотопроводимостью (ФПД), дающие временное разрешение с учетом регистрирующей аппаратуры ~ 0.5 нс [57]. Длительность вспышки излучения, при этом измерялась в пределах 1-2 нс в зависимости от энергии квантов. Специальные измерения при помощи высокоскоростного рентгеновского хронографа показали, что минимальная  длительность вспышки излучения может быть от 500 до 10 пс  в зависимости от материала проволочек и энергетического диапазона [14, 16, 17, 23, 58].

Таким образом, во второй главе диссертации было показано, что при помощи излучения ГТ Х-пинчей можно обеспечить пространственное разрешение метода проекционной рентгенографии  ~ 1 микрона, а временное разрешение до 10 пс.

Во второй главе диссертации также рассмотрены и другие параметры излучения Х-пинча. Например, измерена величина излученной энергии в различных энергетических диапазонах. Для этой цели использовались калиброванные ФПД.

Для успешного использования Х-пинча как источника излучения для проекционной рентгенографии исследовался спектральный состав излучения и в соответствии с ним подбирались различные фильтры и пленки.

Измерения размера источника МРИ, длительности вспышки излучения и излученной энергии дали возможность рассчитать яркость источника излучении и сделать вывод, что ГТ Х-пинча в настоящее время является одним из самых ярких лабораторных источников МРИ. Яркость ГТ Х-пинчей может превышать 1016 Вт/страд см2.

Третья глава диссертации посвящена созданию многокадровой системы проекционной рентгенографии быстроизменяющихся плазменных объектов. В третье главе представлены два основных и рутинно используемых в наших исследованиях направления, суть которых заключается в нагрузке сильноточного диода, в первом случае, и цепи обратного тока - во  втором [13, 19, 24, 29], двумя или тремя Х-пинчами. Наиболее часто в экспериментах использовались схемы с двумя Х-пинчами в сильноточном диоде (Рис. 3а)  или цепи обратного тока.

В цепи обратного тока на генераторах ХР и MAGPIE использовались 1-2 Х-пинча, а на генераторе COBRA до 5 пяти Х-пинчей (Рис. 3). В основном Х-пинчи ставились в цепь обратного тока вместо одного или двух стержней обратного тока. При этом через Х-пинчи текла только часть тока. В 5-ти кадровой системе STAR [59, 84], как видно из рисунка  3в, сами Х-пинчи являются цепью обратного тока для основной нагрузки, т. е. в данной конфигурации весь ток нагрузки делится между пятью Х-пинчами.

Рис. 3 Схема двухкадровой рентгенографии с двумя Х-пинчами включенными параллельно в диоде (a); рентгенограммы параллельных симметричных Х-пинчей в конфигурации (1x25 мкм NiCr+6х23 мкм Мо+12х18 мкм W), зарегистрированне на генераторе COBRA (б); cистема рентгенографии STAR с пятью Х-пинчами в цепи обратного тока на установке CODRA (в).

В схеме с двумя параллельными Х-пинчами можно было получать два изображения любого объекта в два разных момента времени. Время срабатывания Х-пинчей относительно тока генератора и тока через нагрузку определялось по сигналам с алмазных детекторов с фотопроводимостью (ФПД) с точностью, доступной данным детекторам и измерительной цепи. Схемы с двумя или большим количеством Х-пинчей позволяли исследовать динамику исследуемых объектов, а также позволяли производить измерения плотности короны и керна исследуемых объектов, и исследовать изменение их плотности во времени. О результатах данных исследований будет сказано в главах  5 и 6.

В главе 3 было сказано несколько слов об исследовании самих Х-пинчей, поскольку в главах 5 и 6 данные исследования не представлены. Главной особенностью схемы с двумя (иногда и тремя) параллельными Х-пинчами явилась уникальная возможность получать рентгеновские изображения самих Х-пинчей с очень высоким пространственным и временным разрешением [4, 7, 13, 19, 27, 29, 30] (Рис. 3б).  Для исследования пространственно-временных характеристик Х-пинчей требуются диагностики, по крайней мере, с микронным пространственным и субмикронным временным разрешением, но любые диагностики, обеспечивающие такие параметры, сложны и дороги. Поэтому, простой способ получения рентгенограмм Х-пинчей, а также взрывающихся проволочек и проволочных сборок с большим увеличением, очень высоким пространственным и временным разрешением продвинул понимание физики данных физических объектов, далеко вперед [60-62].

Четвертая глава посвящена оптимизации конфигураций Х-пинчей для использования их в условиях МА уровня тока и в условиях миниатюрного генератора с длинным фронтом тока и значительно меньшим уровнем напряжения, чем в генераторах со стандартной схемой формирования импульса тока [5-7, 30, 56, 65].

За последние 6 лет в нашем распоряжении появились два новых генератора, отражающих два направления в развитии сильноточных генераторов. Первое направление характеризуется усложнением конструкции генератора для увеличения тока и достижения заданных параметров его нарастания. Это направление представлено генератором COBRA с током от 800 до 1200 кА и переменным фронтом импульса тока от 95 до 200 нс [4-6, 30, 63, 64].

Второе направление  ориентировано на создание малогабаритного  сильноточного генератора, который при его нагрузке Х-пинчем может служить мобильным источником мягкого рентгеновского излучения.  В данном случае уменьшение размера генератора происходит за счет использования новейших быстрых малоиндуктивных конденсаторов и разрядников. Прототипом мобильного источника МРИ является МИНИ генератор (см. Таблицу 1). МИНИ генератор обладает простейшей конструкцией, не включающей специальные обострители тока, и с очень небольшими размерами [56]

Оба направления требовали модификации Х-пинчей для использования их в заданных условиях и исследования связи основных параметров импульса генераторов и Х-пинчей для их оптимизации. К тому же после создания малогабаритного генератора перед нами встала задача создания системы для замены нагрузки в вакууме, что увеличит скорость работы источника МРИ от 4-6 выстрелов в день до десятков выстрелов, даже при работе в однократном режиме работы генератора. Данная глава состоит из нескольких параграфов, в каждом из которых рассмотрены направления модификации Х-пинчей для генераторов с  параметрами, отличающимися в очень широком диапазоне тока, напряжения и длительности импульса.

Одним из направлений работы по созданию перезарядной системы были эксперименты с Х-пинчами в диэлектрических рамках, которые  были начаты несколько лет тому назад на установке ХР из Корнельского университета. Х-пинчи помещались в рамочку из диэлектрика для того, чтобы найти решение сразу нескольких проблем, которые и были успешно решены [65]. Главной задачей в данных экспериментах было создание устройства для автоматической зарядки Х-пинчей при их использовании как источника для точечной рентгенографии. В настоящее время зарядка Х-пинча из проволочек с диаметром 10-50 микрон представляет достаточно трудоемкую задачу, требующую, во-первых, определенной квалификации, а во-вторых, открывания вакуумной камеры после каждого выстрела. Х-пинч в рамочке является кассетой, которые можно приготовить заранее и автоматически перезаряжать сильноточный диод после каждого выстрела, не открывая камеры, что значительно упростит и сделает процесс рентгенографии более быстрым. На рисунке 4 представлены схема и типичные результаты, полученные при исследовании Мо Х-пинча в кассете из стеклотекстолита. Из рисунка видно, что в Х-пинче образована единственная ГТ очень малого размера.

Второй задачей данных экспериментов было создание многокадровой системы проекционной рентгенографии с Х-пинчами, включенными в цепь тока не параллельно, как это было представлено в главе 3, а последовательно. Такая схема включения Х-пинчей ограничена не током установки, который в данном случае не делится на несколько Х-пинчей, а размером минимально возможного диодного зазора (Рис. 4д-ж).

Рис. 4 Схема 2-х проволочного Х-пинча в кассете в сильноточном диоде (а); сигналы алмазного полупроводникового детектора (ФПД) и кремниевого диода (ППД) тносительно тока генератора (б); изображение щели ЩСО камеры (в); денситорамма изображения щели, полученная через медный фильтр толщиной 30 мкм (г); обскурограмма Х-пинча в излучении с энергией выше 0.2 кэВ (д). Результаты получены  в излучении одиночнoго  двухпроволочнoго Мо Х-пинча в кассете из стеклотекстолита с диаметром проволочек 15 мкм.  Схема размещения четырех Х-пичнчей в кассете (д); обскурограмма (диаметр обскуры 50 мкм, энергия отсечки 0.2 кэВ) (е) 4-х Х-пинчей из Al проволочек диаметром 12.7 микрона в кассете из стеклопластика.

В данном параграфе также показано, что использование Х-пинчей в  кассетах позволило резко уменьшить жесткое излучение электронного пучка и количество ГТ [65].

В большинстве экспериментов на установке БИН с более длинным фронтом импульса тока пробой кассеты происходил до образования ГТ, поэтому в месте перекрестия проволочек генерировался импульс сверхмягкого излучения с энергией 0.2<E<0.8 кэв, длительностью 1-2 нс и размером ~ 1мм. ГТ на установке БИН была получена только в Х-пинче из двух Al проволочек в кассете из стеклотекстолита.

  В конце первого параграфа четвертой главы были сделаны выводы, что в результате экспериментов с Х-пинчами в диэлектрических рамках:

- создать схему многокадровой рентгенографии с последовательным включением Х-пинчей в сильноточном диоде.

- более чем на порядок уменьшить выход жесткого излучения электронного пучка в кассетных Х-пинчах при незначительном уменьшении энерговыхода МРИ;

- увеличить вероятность  образования единичной ГТ в кассетных Х-пинчах;

- создать источник сверхмягкого рентгеновского излучения, в котором не зафиксировано излучения с энергией выше 0.8 кэВ, при вполне приемлемых для источников сверхмягкого рентгеновского излучения размерах, длительности вспышки излучения и энерговыходе.

Во втором параграфе четвертой главы были рассмотрены симметричные многослойные Х-пинчи, предложенные  в качестве альтернативы стандартным многопроволочным Х-пинчам для использования  с  генераторами с МА уровнем тока. Стандартные Х-пинчи на установках с токами мегаамперного уровня работают весьма неустойчиво, что выражается в генерации большого количества источников  излучения, возрастании интенсивности жесткого рентгеновского излучения (Е>10 кэВ) и нестабильном интегральном энерговыходе [4, 11, 66]. Увеличение тока через Х-пинч требует в свою очередь увеличения начальной (погонной) массы нагрузки. На практике требуемое увеличение погонной массы Х-пинча может быть достигнуто либо увеличением начального диаметра проволочек при сохранении их числа, либо увеличением их числа при сохранении диаметра используемых проволочек. В обоих случаях это ведет к увеличению геометрического размера области перекрестия Х-пинча и возрастанию ее топологической сложности (Рис.5а).

       Чтобы сделать структуру области перекрестия наиболее компактной и симметричной, была предложена схема Х-пинча с регулярным расположением проводников, показанная на рисунке 5б, а лазерные тенеграммы на рисунке 5в  [5, 6]. Такая конфигурация Х-пинча, основанная на естественной гексагональной симметрии перекрестия проволочек, позволяет сконструировать многослойные Х-пинчи.

       

Рис. 5 Лазерные тенеграммы, зарегистрированные до выстрела и за несколько нс до первой вспышки рентгеновского излучения; для стандартного Х пинча из 12 Мо проволочек диаметром 40 мкм (а); схема Х-пинча с регулярным расположением проводников (б); лазерные тенеграммы для трехслойного Х пинча из 19 проволочек диаметром 25 мкм в конфигурации 1–NiCr проволочка в центре, 6 проволочек из Mo во второй оболочке и 12 проволочек W в третьей, диаметр проволочек 25 мкм (в); осциллограмма тока через Х пинч  и сигналов с алмазного датчика (ФПД) (г).        

       Эксперименты проводились на установке COBRA при токах 0.9 - 1.1 МА c временем нарастания 90-110 нс. Исследования с использованием рентгеновских диагностик позволили выяснить некоторые важные закономерности формирования ГТ в симметричных Х-пинчах.. Наилучшее качество пинча было получено в симметричных трехоболочечных Х-пинчах из проволочек с возрастающим атомным весом от центра к периферии Х-пинча.

В качестве критерия качества Х-пинчей как источников МРИ с Е = 1 – 10 кэВ рассматривались следующие их характеристики: пространственная структура излучающей области Х-пинчей и наличие горячих точек, временная структура импульса рентгеновского излучения, мощность излучения и стабильность энерговыхода. В данной конфигурации получен размер ГТ ~1.4 микрона при стабильной мощности излучения равной ~ 3 ГВт для энергии квантов выше 1 кэВ. Схема с двумя параллельными симметричными Х-пинчами в диоде (Рис. 3б) также дала стабильно хорошее качество Х-пинчей.

Проведенные эксперименты показали, что использование на установках с мегаамперным уровнем тока в нагрузке симметричных многослойных конфигураций Х-пинча позволяет:

- получить устойчивое сжатие Х-пинча и существенно уменьшить разброс в энерговыходе мягкого рентгеновского излучения;

- использовать многослойные конфигурации из различных материалов, что открывает новые возможности по оптимизации Х-пинча;

- уменьшить долю жесткого излучения, которое является вредным при использовании Х-пинча как источника для проекционной рентгенографии.

- параллельные многослойные Х-пинчи на мегаамперной установке работают стабильно.

Нами впервые показана возможность создания источника мягкого рентгеновского излучения микронного размера с рекордной яркостью и высокой степенью воспроизводимости на установках МА уровня, что делает такой источник особенно интересным для рентгенографии и физики экстремальных состояний вещества.

В третьем параграфе четвертой главы рассматривалась принципиально новая конфигурация нагрузки, сочетающая в себе черты Z и Х – пинчей, названная гибридным Х-пинчем, поскольку конечным результатом в такой нагрузке было формирование единичной ГТ микронного размера.

Наши эксперименты показали, что в образовании ГТ стандартного Х-пинча принимает непосредственное участие только центральная часть Х-пинча, образующая мини Z-пинч длиной 200 – 400 мкм, который мы называем перетяжкой. Остальные части проволочек служат для подведения тока к Х-пинчу. Исходя из этого, для создания более простой конфигурации Х-пинча, было предложено поместить между высоковольтными электродами проводящий диод, имитирующий минидиод, как показано на Рис.6б, в,  соединив его электроды тонкой проволочкой подходящей линейной массы.

Основной задачей в подобных экспериментах был правильный выбор линейной массы и длины проволочки для того, чтобы получить единичную ГТ, до закорачивания минидиода приэлектродной плазмой. Поскольку при взрыве проволочек образуется очень интенсивное ультрафиолетовое излучение, вызывая  образование приэлектродной плазмы, которая, расширяясь, может закоротить диод, то электроды минидиода должны быть минимального размера и из тугоплавкого материала, например, вольфрама.

Работа Х-пинчей подобной конфигурации была исследована на установках ХР, COBRA, МИНИ и БИН с разными параметрами импульса тока [7, 30]. На установке ХР с коротким импульсом тока гибридные Х-пинчи формировали  ГТ малого размера и большой яркости как при использовании в качестве основной нагрузки, так и в схемах с двумя параллельными Х-пинчами или в схеме Х-пинча с шунтом при очень широком наборе материала и диаметра проволочки. Мощность излучения при этом превосходила мощность излучения в лучших стандартных Х-пинчах на установке ХР [7].

При токах МА уровня на установке COBRA гибридные Х-пинчи позволили расширить диапазон используемых материалов и нагрузок. В некоторых выстрелах вместо проволочки использовались тонкие трубки из Ni и Al, трубки с проволочкой в центре, а также диэлектрические трубки, заполненные расплавленным порошком серы или фосфора.

Рис. 6 Схема Х-пинча из двух проволочек (а); конического минидиода с проволочкой – гибридного Х-пинча (б); поперечный разрез гибридного Х-пинча (в). Результаты, полученные в гибридном Х-пинче с Мо проволочкой толщиной 25 мкм длиной 1.76 мм на установке БИН:  схема фильтров щелевой камеры и изображение щели в излучении единичной ГТ (г), рентгенограмма сетки и биологического объекта (д), демонстрирующая высокое пространственное разрешение.

В гибридных Х-пинчах на установке БИН стабильно формировалась одна (редко две) ГТ при использовании Мо проволочки диаметром 25 микрон и W диаметром 20 микрон (Рис. 6г, д). Расчеты с учетом волновых свойств излучения показали размер источника излучения в радиальном направлении равный 1.1 микрона [7, 30].

Важным результатом применения гибридных Х-пинчей для проекционной рентгенографии является отсутствие генерации длинных электронных пучков в минидиоде [67], поскольку в гибридных Х-пинчах после вспышки МРИ происходит закорачивание минидиода приэлектродной плазмой.

Исходя из полученных экспериментальных результатов, в конце третьего параграфа четвертой главы были сделаны следующие выводы:

- гибридные Х-пинчи позволяют упростить конструкцию Х-пинчей, что открывает большие возможности как в их исследовании, применении в качестве источника МРИ, так и расчетах.

- гибридные Х-пинчи на установках с коротким фронтом (~50-100 нс) превосходят обычные Х-пинчи по мощности МРИ и стабильности формирования единичной ГТ.

- в гибридных Х-пинчх не генерируются длинные электронные пучки - основные источники жесткого излучения в обычных Х-пинчах.

- идентичность конструкции гибридных Х-пичней на разных установках и при разных параметрах тока нагрузки позволяет найти более точное соотношение между токами, массой и материалом проволочек.

- простота конструкции позволяет надеяться, что на основе гибридных Х-пинчей будет возможно сконструировать систему для их перезарядки в вакууме, что в дальнейшем может привести к частотному режиму работы сильноточных установок для проекционной рентгенографии.

В четвертом параграфе четвертой главы исследовался источник субнаносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения на основе Х-пинча и малогабаритного низкоиндуктивного генератора тока. До настоящего времени генераторы Х-пинчей представляли собой сложные и громоздкие экспериментальные установки [53]. Это определялось необходимостью обеспечения тока через нагрузку более 50 кА со скоростью нарастания не менее 1 кА/нс.

В данном параграфе представлены результаты первых исследований работы Х-пинча с малогабаритным  генератором тока в качестве источника мягкого рентгеновского излучения (установка МИНИ – Малогабаритный Импульсно-Накопительный Источник) (см. Рис. 7). На первом этапе исследований целью работы было измерение основных энергетических и пространственно-временных характеристик источника, а также оценка его пригодности для проекционной рентгенографии.

На рисунке 7 приведен внешний вид генератора МИНИ и экспериментальные результаты, полученные в Мо Х-пинче, демонстрирующие обоазование единичной ГТ микронного размера. Эксперименты показали, что энерговыход МРИ, зарегистрированный на генераторе МИНИ при помощи калиброванных алмазных детекторов, сопоставим с энерговыходом МРИ, зарегистрированным на генераторе ХР, а эффективность генерации МРИ на 1-2 порядка выше, чем в высоковольтных генераторах. На генераторе МИНИ был получен наименьший для  стандартных 4-х проволочных Х-пинчей размер ГТ  равный 0.8 микрона [56].

Рис. 7 Внешний вид генератора МИНИ с диагностическими патрубками (а); ток нагрузки и характерные сигналы ФПД для Х-пинча из 4-х Мо проволочек диаметром 25 мкм (б); изображение сетки, полученное в излучении данного Х-пинча на второй плёнке KODAK DEF (Е>5 кэВ) (в); денситограмма изображения сетки в радиальном направлении, демонстрирующая микронный размер ГТ  (г). 

В четвертой главе также рассматривается применение гибридных Х-пинчей на установке с длинным фронтом, поскольку фронт тока на МИНИ генераторе около 200 нс, что в два раза длиннее, чем на генераторах БИН и COBRA. Гибридные Х-пинчи на генераторе МИНИ формировали ГТ только при использовании проволочек из материалов с высокой скоростью расширения керна, таких как Al, Cu и Ag. При этом размер ГТ равен ~ 1 микрона, но энерговыход МРИ в несколько раз меньше по сравнению со стандартными Х-пинчами.

В данных экспериментах:

- впервые реализован режим образования горячей точки микронных размеров при питании Х-пинча от генератора тока на основе низкоиндуктивных конденсаторов и быстрых коммутаторов тока;

-создан прототип малогабаритного источника излучения МИНИ для высокоразрешающей точечной проекционной рентгенографии;

-найдены конфигурации Х-пинчей, эффективно работающие в качестве точечного источника мягкого рентгеновского излучения на низковольтном генераторе;

-исследованы основные параметры Х-пинча как источника излучения и проведено их сравнение с параметрами Х-пинчей на высоковольтных установках с формирующими линиями;

Таким образом, в четвертой главе диссертации приведены основные направления развития Х-пинчей в качестве источников МРИ для проекционной рентгенографии.

В пятой и шестой главах представлены результаты применения метода проекционной рентгенографии с источником излучения на основе Х-пинчей для исследования различных плазменных объектов.

В пятой главе проекционная рентгенография использовалась для исследования динамики взрыва одиночных проволочек микронного размера взорванных током ~ 80-100 кА и 2-10 кА на проволочку. В первом случае проволочки или линейные проволочные сборки помещались в диод параллельно Х-пинчу (Рис. 8а) или в цепь обратного тока.

Проекционная рентгенография впервые позволила с высоким пространственным и временным разрешением зарегистрировать структуру керна и короны взрываемых проволочек, а также исследовать их эволюцию в пространстве и времени. Было показано, что керн, как отдельная структура с четко выраженной границей, существует большую часть импульса тока установки, а переход его материала в плазму осуществляется путем испарения материала с его поверхности постепенно в течение всего времени существования керна (Рис. 8б, в). Было показано, что керны проволочек имеют четкую границу и мелкоячеистую структуру [26, 28, 71]. С течением времени в керне проволочки развиваются крупномасштабные неустойчивости с шагом, определяемым материалом проволочки, а также распространяются ударные волны, разрушающие его структуру [61, 71] (Рис. 8г, д).

Рис. 8 Схема рентгенографии отдельных проволочек или линейных проволочных сборок, помещенных в диоде параллельно Х-пинчу (а); рентгенограммы проволочек из вольфрама с предварительным прогревом (8б) и без него (8в); рентгенограммы взорванной Ni проволочки (г, д) и увеличенные фрагменты рентгенограмм. Все рентгенограммы  получены в излучении 2-х параллельных Х-пинчей из 2-х Мо проволочек диаметром 25 мкм.

В данной главе было также показано, что состояние поверхности проволочки влияет на  процесс взрыва проволочек. При нагревании поверхности проволочки происходит ее очистка и более равномерный пробой по ее поверхности, а также - более равномерное расширение керна и короны (Рис. 8 б, в) [15].

Во втором параграфе пятой главы представлен, предложенный автором с коллегами, метод измерения плотности просвечиваемого объекта (не обязательно плазменного). Данный метод основан на сравнении ослабления рентгеновского излучения в исследуемом объекте и в ступенчатом фильтре известной толщины, изготовленном из того же материала, что и исследуемый объект. Единственным допущением является тот факт, что поглощение в холодном материале фильтра и слабоионизованной плазме короны полагается одинаковым. Расчеты показали правомочность такого допущения. Применение метода фильтров позволило не только качественно, но и количественно исследовать процесс образования и разлета короны и керна, как в случае отдельных проволочек, так и в линейных и цилиндрических сборках и Х-пинчах [13, 15, 72, 73].

Детальное описание метода для определения плотности плазмы  короны (и керна на поздней стадии расширения) и ее изменение во времени и пространстве для взрывающейся одиночной вольфрамовой проволочки и линейной проволочной сборки из 2, 4 и 8 проволочек приведено в работе [15].

Процедуру, используемую для конвертирования поверхностной плотности материала в массу на единицу длины короны, иллюстрирует рисунок 9ж. Площадь интегрирования выбиралась там, где не было изображения ослабителя и одной стороной как можно ближе к керну взорванной проволочки. На рисунке 9е приведены кривые средней линейной массы для двух изображений взорванной проволочки, приведённых на рисунках 9б-д. Для удобства рентгенограммы контрастировались с использованием программы Adobe Photoshop для лучшего выделения различных ступеней фильтра (Рис. 9в, г)

Метод определения плотности плазмы и ее распределения во времени и пространстве, основанный на сравнении поглощения излучения источника исследуемым объектом и ступенчатым ослабителем широко использовался как в наших экспериментах по исследованию различных нагрузок [13, 15, 72], так и другими экспериментальными группами [73, 75].

В пятой главе приведены результаты измерения плотности плазмы короны для отдельных проволочек и линейных малопроволочных сборок с током выше 50 кА на проволочку.

Рис. 9 Рентгенограммы взорванной проволочки, зарегистрированные на 53 и 61 нс (а-г); зависимость интегральной линейной плотности плазмы короны от радиуса,  показанного на рисунке 9е, с двух сторон проволочки (д);площадь интегрирования (е).

В данном параграфе также подробно проанализированы ошибки измерения плотности исследуемого объекта и факторы, влияющие на рост ошибки измерений.

В пятой главе приводятся также результаты исследования процесса образования керна и короны, их структуры и разлёта при взрыве одиночных проволочек и малопроволочных (2-4 проволочки) линейных сборок в установках с токами от 1 до 10 кА на проволочку. Данный режим имитировал процесс взрыва проволочек при параметрах предымпульса больших установок, чтобы понимать его влияние на процесс взрыва проволочек в цилиндрических сборках.

Для взрыва одиночных проволочек с малыми токами были сконструированы и построены установки LC1 из Корнельского Университета [68, 69] и ГВП [70, 79] из Института им. П. Н. Лебедева РАН. При этом большие установки ХР и БИН служили для питания диагностических Х-пинчей и были синхронизованы с малыми генераторами. В экспериментах исследовалось образование и расширения керна в единичной проволочке, образование неустойчивостей в керне, а также рассматривалась и исследовалась структура керна в различные моменты времени и факторы, влияющие на образование керна и скорость его расширения. В экспериментах на слаботочных генераторах измерялись токи и напряжения, приложенные к взрываемым проволочкам, что давало возможность исследовать их изменения при взрыве проволочек и рассчитать энергию, вложенную в проволочку, а также связать скорости расширения кернов с электрическими и тепловыми свойствами материалов проволочек и свойствами их поверхности. Проведенные эксперименты показали, что разные проволочки имеют разную структуру и скорость расширения керна  [68-70, 79].

Рис. 10 Рентгенограммы взорванных на установке LC1 проволочек из серебра диаметром 25 мкм: чистая (а), покрытая слоем полиэстера и вакуумного масла (б) и (в) соответственно.  Рентгенограммы получены в излучении Мо Х-пинча из 2-х проволочек диаметром 20 мкм. Расчет вложенной энергии в данные проволочки, проведенный  исходя из сигналов тока и напряжения (г).

       

       Предположение, что пробой в вакууме происходит именно по поверхности проволочки, было проверено в экспериментах, в которых исследовалось влияние состояния поверхности проволочки на процесс ввода в нее энергии и расширения керна. В данном параграфе также отмечено, что особенно заметно влияние состояния поверхности на процесс вложения энергии в проволочку при нанесении на ее поверхность какого-либо диэлектрического покрытия, например, масляной или полимерной пленки (см. Рис. 10) [69].

Наши эксперименты по рентгенографии взрыва проволочек позволили отметить как общие черты, так и различия при взрыве проволочек из различных материалов и в разных условиях, а также дать объяснение многим известным фактам.

В пятой главе представлены результаты экспериментов по реализации новой схемы рентгеновской абсорбционной спектроскопии (РАС), основанной на использовании непрерывного излучения ГТ Х-пинча в качестве точечного источника зондирующего излучения и сферического кристалла кварца (Рис. 11) [76, 77]. В данных экспериментах РАС впервые была реализована с микронным пространственным, субнаносекундным временным и сверхвысоким спектральным разрешением (λ/δλ~ 5000) при большом поле зрения.

Рис. 11. Схема эксперимента по проекционной рентгенографии и рентгеновской абсорбционной спектроскопии со сферическим кристаллом кварца (а); рентгенограмма взорванных Al проволочек (б); спектр поглощения системой из двух взорванных Al проволочек диаметром 17 микрон, расположенных на расстоянии 1 мм, при использовании непрерывного излучения ГТ Мо Х-пинча на установке ХР (в); спектр поглощения Al, зарегистрированный в лазерной плазме с использованием конического кристалла PHG. (спектр взят из работы [78]) (г).

Вторая схема РАС с плоским кристаллом КАР давала в десятки раз большее поле зрения при меньшем спектральном разрешении. В данных экспериментах впервые были измерены параметры плазмы керна и короны взорванных Al проволочек при токах через проволочку ~ 70-90 кА, что примерно соответствует току через единичную проволочку в многопроволочных цилиндрических сборках. Значения электронной температуры, рассчитанные при помощи программы PrismSpect [89], изменялись от 5 до 30 эВ в зависимости от места, в котором регистрировались линии поглощения. Измерение параметров системы керн-корона недоступно другим диагностическим методам.

В шестой главе приведены результаты использования проекционной рентгенографии для исследования процессов, происходящих в цилиндрических проволочных сборках.

В шестой главе представлены результаты наших ранних экспериментов с цилиндрическими сборками на установке MAGPIE (1.2 MA, 240 нс). В первых же экспериментах на установке MAGPIE было зарегистрировано существование долгоживущих кернов взорванных проволочек. В керне развивается мелкая внутренняя структура, из которой видно, что керн представляет собой такую же паро-капельную смесь, как при взрыве единичных проволочек [29,  73, 82].

В экспериментах на установке MAGPIE впервые было показано, что в кернах проволочек кроме универсальных для взрываемых проволочек мелкомасштабных структур  размером от 10 до 100 микрон развиваются крупномасштабные неустойчивости с шагом, в основном определяемым материалом проволочек (Рис. 12а, б). Для Al проволочек длина волны неустойчивости равна примерно 0.5 мм. Для Ti проволочек шаг равен ~0.4 мм, а для проволочек из W  ~ 0.3 мм (Рис. 12в).  В данных экспериментах было  показано [29, 82], что длина волны данной неустойчивости не зависит от количества проволочек в сборке, диаметров сборки и проволочек, тока на проволочку и расстояния между ними. В последующих экспериментах на установке COBRA эти данные  были уточнены (Рис. 12 в).

Рис. 12 Рентгенограмма сборки из 16  Al проволочек толщиной 50 мкм на момент времени 220 нс, зарегистрированная на установке MAGPIE (а); увеличенная часть изображения (б); денситограмма керна проволочки, демонстрирующая его поперечную структуру (1). Рентгенограмма одной из проволочек сборки из  8 W проволочек диаметром 10.2 микрона, полученная на установке COBRA в излучении Х-пинча из 4-х Мо проволочек, и денситораммы изображения струй плазмы (1), керна (2) и локальной короны (3).

Уже в первых экспериментах было доказано образование кернов взорванных проволочек в цилиндрических сборках. Исследовано их расширение и испарение, но при этом длительное существование как отдельного физического объекта в течение 80% времени до максимума рентгеновского излучения сборки. 

Во втором параграфе шестой главы представлены результаты рентгенографических исследований цилиндрических проволочных сборок на установках ХР (500 кА, 45 нс) и COBRA (1000 кА, 100-200 нс). Отметим, что исследования физики взрыва и пинчевания проволочных сборок с малым числом проволочек (4 – 64 проволочки) на таких установках как ХР, COBRA и MAGPIE, с относительно небольшим для подобных экспериментов током, полезны тем, что позволяют найти параметры, общие для всех проволочных сборок, независимо от параметров сборок и сильноточных генераторов. Сравнивая результаты, полученные на данных установках, с результатами, полученными на установках АНГАРА (3-5МА) [62, 75], SATURN(6.5 МА) [80] и Z (20 – 22 МА) [81, 83], можно найти общие черты, присущие всем проволочным сборкам. Первые же эксперименты показали, что в общих чертах взрыв проволочек и пинчевание проволочных сборок повторяет те же процессы на установке MAGPIE.

За ~ 80% времени от начала импульса тока до максимума излучения сборки керны проволочек образуются, существуют и остаются на месте проволочек. Керны проволочек имеют ярко выраженную гетерогенную структуру, Период мелкомасштабной неустойчивости кернов ~ 10 мкм. К  моменту времени, зафиксированному на рентгенограммах, в кернах развиваются крупномасштабные неустойчивости (Рис. 12в). Керны проволочек расширены в 4-6 раз в зависимости от фазы крупномасштабной неустойчивости.        

Во втором параграфе шестой главы  показано существование вокруг каждого керна локальной короны, существование которой обусловлено локальным током, а значит локальным магнитным полем проволочки. На установке COBRA напряжение на проволочках сборки измеряется индуктивным монитором и поднимается до 30-40 кВ  за 15-20 нс [63]. В течение этой фазы происходит вложение энергии в проволочки и их резистивный нагрев, а затем пробой по поверхности проволочки с образованием керна и короны на которую переключается ток, текущий по проволочке [68-70]. Образующаяся таким образом корона проволочки в сборке аналогична короне единичной проволочки, поэтому ее можно считать локальной короной.  В более позднее время под действием глобального магнитного поля происходит образование струй испаренного вещества проволочки и снос вещества в центр сборки с образованием предвестника (Рис. 13 б) [73, 84-87]. Рентгенограммы взрыва отдельных проволочек сборки показали, что локальная корона расширяется симметрично относительно керна проволочки (Рис. 13а, в).

В данном параграфе шестой главы подробно исследовалась также динамика расширения кернов проволочек, для чего приведено подробное описание процедуры усреднения и измерения кернов проволочек на примере одной проволочки из сборки из 8-ми вольфрамовых проволочек диаметром 12.7 мкм. В данных экспериментах были подтверждены данные, полученные ранее в экспериментах с одиночными проволочками и с цилиндрическими сборками на установке MAGPIE о том, что скорость расширения кернов проволочек зависит от материала проволочек, причем эта зависимость очень сильно выражена (Рис. 14 а) [82, 86, 87].

Рис. 13 Рентгенограмма сборки из 8 W проволочек диаметром 10.2 микрона, полученная на установке COBRA в излучении Х-пинча из 4-х Мо проволочек. 1–увеличенный фрагмент рентгенограммы сборки, демонстрирующий взаимное расположение струй плазмы глобальной короны и разрывов в кернах проволочек.

Рис. 14 Изменение диаметра кернов проволочек в сборке из 4-х W и Cu (а) проволочек диаметром 12.7 и 10 мкм соответственно, зарегистрированное на установке ХР. Изменение диаметра кернов проволочек в сборке из 8-ми W проволочек диаметром 12.7 мкм (б); зависимости диаметра кернов проволочек в сборках из 8-ми  и 16-ти W проволочек диаметрами 7.4, 10.1 и 5.1, 7.4 (в) соответственно, зарегистрированные на установке COBRA.

Подробное исследование динамики расширения керна W проволочки диаметром 12.7 мкм (Рис. 14б) показало, что первые 20-30 нс керн практически не расширяется (в пределах ошибки измерений, равной ~10 мкм), после этого линейно расширяется примерно до максимума тока, а затем расширяется очень медленно или не расширяется совсем. В пинчующихся сборках керн вольфрамовых проволочек расширяется примерно в 3 раза, а в тяжелых – в 4 раза [75,83, 85,86]. Рентгенографические исследования показали, что скорость расширения кернов W проволочек зависит от первоначального диаметра проволочки и не зависит от количества проволочек в сборке (Рис. 14в). Это значит, что скорость расширения кернов проволочек не зависит от тока через проволочку и межпроволочного расстояния, по крайней мере, в случае малопроволочных сборок, где расстояние между проволочками много больше диаметра керна даже при его максимальном расширении.

В третьем параграфе шестой главы исследовалась образование глобальной короны и предвестника, образующегося во всех исследуемых сборках в центре сборки в процессе образования глобальной короны до пинчевания кернов проволочек. Эксперименты проводились на установках MAGPIE и COBRA.

На установке COBRA лазерные и рентгеновские тенеграммы дополняют друг друга, поэтому вместе с изображениями сборки в ультрафиолетовом диапазоне излучения [63, 87] дают достаточно полную картину плазмообразования и динамики глобальной короны в проволочных сборках. Но только рентгенография напрямую чувствительна к ионной плотности плазмы, поэтому только эта диагностика может быть использована для исследования распределения плотности плазмы и ее изменения во времени.

На рисунках 13б и в показана часть сборки из 8 W проволочек незадолго до ее схлопывания. Данная рентгенограмма вполне типична для таких сборок и на ее примере мы рассмотрим некоторые особенности взрыва проволочек в W сборках. Во-первых, на рисунке  13в (контрастирован при помощи программы Adobe Photoshop) все еще видна локальная корона, что свидетельствует о том, что достаточно большая часть тока все еще течет вблизи каждой проволочки. В кернах проволочек отчетливо видны разрывы (фрагмент 1), что свидетельствует о том, что как и в случае одиночных проволочек (см. выше) большая часть материала керна уже испарилась и находится в короне. Об этом свидетельствуют и длинные и плотные струи плазмы, хорошо различимые на рисунке 13б. При этом разрывы кернов проволочек и струи не совпадают в пространстве. Струи плазмы формируются в наиболее расширенных участках керна. Из этого факта следует, что происходит не только расширение керна в радиальном направлении, но и перемещение материала керна в осевом направлении. Струи и разрывы отдельных проволочек синхронизованы в пространстве.  При этом формирование разрывов в разных проволочках происходит примерно в одинаковое время (см. фрагмент 1 Рис. 13).

В шестой главе приведено описание измерения плотности плазмы, ее распределения  и динамики в цилиндрических проволочных сборках, рентгенограммы которых получены при помощи  пятикадровой системы STAR [59, 84] (Рис. 3в). Измерение плотности плазмы производилось методом фильтров (см. выше) [15]

Рис. 15 Рентгенограммы сборки из 10 W проволочек диаметром 19.8 микрон. Погонная масса короны, определенная при помощи двух ступенчатых фильтров  для сборки, приведенной на рисунках 15а-г. (Черные квадраты - левая часть пленки,  кружки – правая).

Для сборки из 10 W проволочек (Рис.15д), рентгенограммы которой приведены на рисунке 15а-г, видно, что половина массы сборки находится в короне еще до образования предвестника (Рис. 15д)        

Измерения плотности плазмы проводились также с использованием рентгенограмм сборок, зарегистрированных с торца сборки, как показано  в схеме, приведенной на рисунке 16а [72]. Такая схема позволяет исследовать динамику плазменных струй и образование предвестника более наглядно, поскольку в данном случае изображения отдельных проволочек не перекрываются. Это особенно важно в сборках с большим количеством проволочек.

Таким образом, проекционная рентгенография позволила получить много новых данных о динамике плазмообразования и пинчевания в цилиндрических проволочных сборках, которые было невозможно получить при использовании других диагностик.

Рис. 16 Схема рентгенографии проволочных сборок с торца сборки (а); рентгенограмма сборки из W проволочек диаметром 10.2 микрона, зарегистрированная с торца сборки (б); ступенчатые фильтры и соответствующие поверхностная плотность плазмы (в); плотность короны двух проволочек, струй плазмы и предвестника (д), на диаметре сборки, показанном прерывистой линией на рисунке  (б).

Данные, полученные при помощи проекционной рентгенографии проволочных сборок, привели к новым взглядам на процесс перехода проволочек из твердого состояния в плазменное.  Это было положено в основу новых теорий схлопывания проволочных сборок [82, 88]. Метод проекционной рентгенографии плазменных объектов, основанный на использовании горячей точки Х-пинчей в качестве точечного источника МРИ, в настоящее время широко используется в различных лабораториях  мира [62, 73, 75, 90]

В Заключении перечислены основные результаты проведенных исследований.

1.Реализованы и исследованы новые источники мягкого рентгеновского излучения уникальными параметрами для проекционной рентгенографии и рентгеновской абсорбционной спектроскопии на основе Х-пинчей различных конфигураций:

а) экспериментально исследованы и измерены основные параметры источника излучения: пространственная структура источника излучения, энергия квантов, размер источника в различных энергетических диапазонах, длительность вспышки излучения и ее зависимость от энергии излучения, излучаемая энергия и её пространственное распределение,

б) установлены критерии работы источника и параметры масштабирования,

в) разработаны однокадровые и многокадровые схемы и исследованы условия их применения.

2. Разработаны и реализованы бесконтактные методы диагностики вещества с высокой плотностью энергии, основанные на проекционной рентгенографии и рентгеновской абсорбционной спектроскопии:

а) разработан и экспериментально реализован в различных условиях метод исследования  пространственного распределения вещества и его изменения во времени в разрядном канале взрывающихся проволочек и проволочных сборок с пространственным разрешением ~ 1 мкм, временным разрешением лучше 100 пс, и полем зрения, ограниченным только размером детектора,

б) экспериментально реализован метод абсолютных измерений количественных характеристик вещества в разрядном канале взрывающихся проволочек и проволочных сборок с  динамическим диапазоном по плотности 3-4 порядка, основанный на сравнении поглощения излучения источника исследуемым объектом и ступенчатым ослабителем из того же материала,

3. Впервые проведены исследования процессов формирования структуры (керн – корона) разрядного канала при наносекундном взрыве тонких проводников в нагрузках различных конфигураций.

а) экспериментально доказано формирование структуры керн-корона

б) обнаружена гетерогенная структура керна проволочек

в) исследованы факторы, определяющие их образование и динамику для всех исследуемых проволочных нагрузок.

4. При помощи метода проекционной рентгенографии впервые проведены исследования динамики взрыва и процесса абляции одиночных проволочек и проволочных сборок. Исследовано образование и изучена динамика локальной и глобальной короны.

5. Разработан и экспериментально реализован метод проекционной рентгеновской спектроскопии, позволяющий проводить измерения параметров плазмы взрывающихся проволочек в недоступном ранее диапазоне температур 1-100 эВ с микронным пространственным, субнаносекундным временным разрешением и сверхвысоким (λ/δλ~5000) спектральным разрешением:

а) впервые измерены температура, плотность и зарядовое состояние абляционной плазмы в проволочных сборках с высоким пространственным, спектральным и временным разрешением.

б) впервые измерены параметры вещества керна.

Цитируемая литература.

1. С. М. Захаров, Г. В. Иваненков, А. А. Коломенский, С. А. Пикуз, А. И. Самохин, И. Улшмид, "Проволочный Х-пинч в сильноточном диоде", Письма в ЖТФ, 8, 1060-1063, 1982.

2. С. А. Пикуз, «Х-пинч, экспериментальные исследования», Докторская диссертация, ФИАН, 2007

3. «Рентгеновские лучи», редакция М. А. Блохина, Издательство Иностранной Литературы, Москва, 1960

4.T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, J. D. Douglass, J. B. Greenly, D. A. Hammer, “Multiwire X Pinches at 1-MA current on the COBRA Pulsed Power GeneratorIEEE , Trans. Plasma Sci., 34, 2336-2341, 2006

5.T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, R. D. McBride, P. F. Knapp, H. Wilhelm, D. A. Hammer, and D. B. Sinars, “Nested multilayered X pinches for generators with mega-ampere current level”, Phys. Plasmas, 16, 050702, 2009

6.Т. А. Шелковенко, С. А. Пикуз, Р. Д. МкБрайд, П. Ф. Кнапп, Г. Вилгелм, Д. В. Синарс, Д. А. Хаммер, Н. Ю. Орлов, «Симметричный многооболочечный Мегаамперный Х-пинч», Физика плазмы, 36, 53-70, 2010

7.T.A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, A. D. Cahill, P. F. Knapp, D. A. Hammer, D. B. Sinars, I. N. Tilikin, and S. N. Mishin, “Hybrid X-pinches with conical electrodes”, Phys. Plasmas, 17, 112707, 2010

8.W. Lochte-Holtgreven, Plasma Diagnostics, New York, 70 (1995)

9.М. Янг «Оптика и лазеры, включая волоконную оптику и оптические волноводы», Издательство «Мир», Москва, 2005

10. “Оптика”, Г. С. Ландсберг, Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1952.

11. D. B. Sinars, S. A. Pikuz, J. D. Douglass, R. D. McBride, D. J. Ampleford, P. Knapp, K. Bell, D. Chalenksi, M. E. Cuneo, J. B. Greenly, D. A. Hammer, B. R. Kusse, A. Mingaleev, T. A. Shelkovenko, and D. F. Wenger,. “Bright spots in 1 MA X pinches as a function of wire number and material”, Phys. of Plasmas, 15, 092703, 2008

12.Г. В. Иваненков, А. Р. Мингалеев, С. А. Пикуз, В. М. Романова, Т. А. Шелковенко, "Экспериментальное изучение динамики Х-пинча", Физика плазмы, 22, 403-418, 1996.

13.T. A. Shelkovenko, D. B. Sinars, S. A. Pikuz, D .A. Hammer "Radiographic and spectroscopic studies of X pinch plasma implosion dynamics and x-ray burst emission characteristics" Phys. Plasmas, 8,1305-1318, 2001

14.С. А. Пикуз, Д. Б. Синарс, Т. А. Шелковенко, К. М. Чандлер, Д. А. Хаммер, И. Ю. Скобелев, Г. В. Иваненков, «Времяразрешенная спектроскопия горячей точки Х-пинча», Письма в ЖЭТФ, 76, 571-575, 2002.

15. С. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, A. R. Mingaleev, and D.A.Hammer, H.P.Neves, “Density measurements in exploding wire-initiated plasmas using tungsten wires", Phys. Plasmas, 6, 4272-4283, 1999

16.S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, D. B. Sinars, I. Yu. Skobelev, K. M. Chandler, M. D. Mitchell, D. A. Hammer, "X-ray Spectroscopic Investigations of X-pinch Plasma Micropinches with ~10 ps Time Resolution", Proc. of 5-th International Conference on Dense Z pinches, Albuquerque, USA, AIP New York, 173-176, 2002.

17.T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, I. Yu. Skobelev, D. B. Sinars, K. M. Chandler, M. D. Mitchel and D. A. Hammer “X-pinch plasma condition from time resolved x-ray spectroscopy” Rev. Sci. Instr., 74, 1958-1961, 2003

18.T. A. Shelkovenko,  S. A. Pikuz, D. B. Sinars, K. M. Chandler and D. A. Hammer "Time resolved spectroscopic measurements of ~ 1 keV, dense, subnanosecond X pinch plasma bright spots", Phys. Plasmas, 9, 2165-2172, 2002.

19.T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, D. B. Sinars, K. M. Chandler and D. A. Hammer"X-pinch Plasma Development as a Function of Wire Material and Current Pulse Parameters", IEEE, Trans. Plasma Sci., 30, 567-576, 2002

20.B. M. Song, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, K. M. Chandler, M. D. Mitchel, D. A. Hammer, “Determination of the size and structure of the X pinch x-ray source from the diffraction pattern produced by microfabricated slits“, APPL. OPTICS, 44, 2349-2358, 2005

21.S.A. Pikuz, T.A. Shelkovenko, D.B. Sinars, K.M. Chandler, D.A. Hammer "Phase contrast x-ray radiography using X pinch radiation", Proceed. of SPIE, 4501, 234 -238. 2001, G.A. Kyrala, J-C Gauthier editors.

22.A. Pikuz, T.A. Shelkovenko,  A.R. Mingaleev, V.M. Romanova, B.M. Song, K.M. Chandler, M.D. Mitchell and D.A. Hammer, “The X pinch as an x-ray source for point-projection radiography”, Proceed. of SPIE, 5974, 5974L1-7, 2005

23.С. А. Пикуз, Т. А. Шелковенко, Д. Б. Синарс, Д. А. Хаммер “Временные характеристики рентгеновского излучения Х-пинча”, Физика Плазмы, 32, 1106-1120, 2006

24.T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, A. R. Mingaleev, D. A. Hammer, "Studies of plasma formation from exploding wires and multiwire arrays using x-ray backlighting "Rev. Sci. Instr., 70, 667-670, 1999

25.Г. В. Иваненков, А. Р. Мингалеев, С .А. Пикуз Д. А. Хаммер, Т. А. Шелковенко «Рентгеновская радиография сильноточного разряда через могопроволочный лайнер», Физика плазмы, 25, 851 - 861, 1999.

26.S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, J. B. Greenly, Y. S Dimant, D. A Hammer, “Multiphase foamlike structure of exploding wire cores”, Phys. Rev. Lett. 83, 4313-4316 1999

27. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, D. A. Hammer, Y. S. Dimant, A. R. Mingaleev , "Evolution of the structure of the dense plasma near the cross point in exploding wire X pinches", Phys. Plasmas, 6, 2840-2846, 1999

28.С. А. Пикуз Г. В. Иваненков, Т. А. Шелковенко, Д. А. Хаммер, «О фазовом состоянии вещества керна в мощном разряде через проволочки», Письма в ЖЭТФ, 69, 349-354, 1999.

29.S. V. Lebedev, S. N. Bland, F. N. Beg, J. P. Cittenden, A. E. Dangor, M. G. Haines, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, "X-ray backlighting of wire array Z-pinch implosions using X pinch " Rev. Sci. Instr., 72, 671-673, 2001

30 Т. А. Шелковенко, С. А. Пикуз, С. А. Мишин, А. Р. Мингалеев, И. Н. Тиликин, П. Ф. Кнапп, А. Д. Кахилл, К. Л. Хойт, Д. А. Хаммер,  “Гибридные Х-пинчи”, Физика Плазмы, 38, 395–418, 2012

31.P. Goby, Journ. Roy. Microsc. Soc., 4, 373, 1913

32.P. Lamarque, J. Turchini, P. Castel, Arch. Soc. Sci. med. et boil., Montpellier, 18, 27, 1937

33.J. Baldacchini, A. Bollanti, F. Bonfigli et al.,” Point Defects in Lithium Fluoride by EUV and Soft X-Rays Exposure for X-Ray Microscopy and Optical Applications", IEEE Jorn. Select. Topic Quant. Electr., 10, 1435-1444, 2004

34.C. S. Wong, S. Lee, “Vacuum spark as a reproducible x-ray source” Rev. Sci. Instr. 55, 1125-1128, 1984.

35.K. N. Koshelev, N. R. Pereira,”Plasma points and radiative collapse in vacuum sparcs”, J. Appl. Phys. 69, 21- 44, 1991.

36.H. Chuaqui, M. Favre, L. Soto, and E. Wyndham, “Observations of a vacuum spark under different driver conditions of the applied voltage”, Phys. Fluids B, 5, 4244 – 4249, 1993.

37.M. Hebacht, D Simanovskii, S Bobasnev, H.I Kunzei, A. F. Loffe, “Absolute measurements of the soft x-ray emission from vacuum spark discharges”, Plasma Sources Sci. Technol., 2, 296-300, 1993

38. W. D. Coolidge, “A powerful Rontgen tube with a pure electron discarge”, General Electric  Rev. Feb, 1914

39.С. M. Slack, L. F. Ehrke, Journ. “Field emission X-ray tube”, Appl. Phys., 12, 165-168, 1941

40. В. А. Цукерманн М. А. Манакова, «Источники коротких рентгеновских вспышек для исследования быстропротекающих процессов», ЖТФ, 27, 391-403, 1957

41.В. Н. Зюзин, М. А. Манакова, В. А. Цукерманн., «Запаянные острофокусные импульсные рентгеновские трубки», Приборы и техника эксперимента, 1, 84-87, 1958

42.Э. Е. Вайнштейн, Светосильная аппаратура для рентгеноструктурного анализа, Москва, 1957

43.A. G. Michette « X-Ray Microscopy » Reports on progress in Physics , 51, 1988

44. K.Yada «Resent trends of projection X-ray microscopy in Japan», Spectrochimica Acta Part B 64, 729-735, 2009

45.G. Schroer, B. Benner, T. F. Gunzler et al., ‘High resolution imaging and lithography with hard x rays using parabolic compound refractive lenses” Rev. Sci. Instr., 73, 1640, 2002

46.А. Snigirev, I. Snigireva, V. Kohn, S. Kuznetsov , I. Schelokov, “On the possibilities of x-ray phase contrast microimaging by coherent high-energy synchrotron radiation.” Rev Sci Instr, 66, 5486–5492. 1995

47.P. Cloetens, R. Barrett, J. Baruchel, J-P. Guigay, M. Schlenker, “Phase objects in synchrotron radiation hard X-ray imaging.” J Phys D Appl Phys; 29,133–146, 1996

48.B. E. Blue, H. F. Robey, S. G. Glendinning et. al., « Three-dimensional hydrodynamic experiments on the National Ignition Facility », Phys. Plasmas 12, 056313 2005.

49.J. Workman, J. R. Fincke, G. A. Kyrala, T. Pierce, "Uniform large-area x-ray imaging at 9 keV using a backlit pinhole," Appl. Opt. 44, 859-865, 2005

50.A. B. Bullock, O. L. Landen, B. E. Blue, J. Edwards, D. K. Bradley, “X-ray induced pinhole closure in point-projection x-ray radiography”, J. Appl. Phys. 100, 043301, 2006

51.C. A. Pikuz, T.A. Shelkovenko,  A.R. Mingaleev, V.M. Romanova, B.M. Song, K.M. Chandler, M.D. Mitchell and D.A. Hammer, “The X pinch as an x-ray source for point-projection radiography”, Proceed. of SPIE, 5974, 5974L1-7, 2005

52.N. Heinz-Dieter “From storage rings to free electron lasers for hard x-rays”, J. Phys.: Condens. Matter, 16, 3413-3442, 2004

53.Г. В. Месяц, “Импульсная энергетика и электроника”, Издательство «Наука», Москва, 2004.

54. C. K. Gary, S. A. Pikuz, M. D. Mitchell, K. M. Chandler, T. A. Shelkovenko, D. A. Hammer, Yu. I. Dudchik, “X-ray imaging of an X-pinch plasma with a bubble compound refractive lens”, Rev. Sci. Instr., 75, 3950-3952, 2004

55. A. Y. Faenov, Y. A. Agafonov, B. A. Bryunetkin, A. I. Erko, G. V. Ivanenkov, A. R. Mingaleev, S. A. Pikuz, V. M. Romanova, T. A. Shelkovenko, I. Y. Skobelev, “High-performance x-ray spectroscopy of plasma microsources”, Proc. of SPIE 2015, 64 – 76, 1994.

56. Г. А. Месяц, Т. А. Шелковенко, Г. В. Иваненков, А. В. Агафонов, С. Ю. Савинов, С. А. Пикуз, И. Н. Тиликин, С. И. Ткаченко, С. А. Чайковский, Н. А. Ратахин, В. Ф. Федущак, В. И. Орешкин, А. В. Русских, Н. А. Любецкая, А. П. Артемов, Д. А. Хаммер,  Д. В. Синарс, «Источник субнаносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения на основе Х-пинча и малогабаритного низкоиндуктивного генератора тока», ЖЭТФ, 138, 411-420, 2010.

57.R. B. Spielman, L. E. Ruggles, R. E. Pepping, S. P. Breeze, J. S. McGurn, K. W. Struve, “Fielding and calibration issues for diamond photoconducting detectors”, Rev. Sci. Instr. 68, 782-786, 1997.

58. D .B. Sinars, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, K.M.Chandler, D.A. Hammer "Temporal parameters of the X-pinch x-ray source", Rev. Sci. Instr., 73, 2948-2956, 2001

59.J. D. Douglass, D. A. Hammer, “COBRA-STAR, a five frame point-projection x-ray imaging system for 1 MA scale wire-array Z pinches”, Rev. Sci. Instr, 79, 033503, 2008

60.Г. В. Иваненков, С. А. Пикуз, Т. А. Шелковенко, Д. Гринли, Д. Б. Синарс, Д. А. Хаммер «Образование, каскадирование и обрыв перетяжки Х-пинча», ЖЭТФ, 118, 539-549. 2000.

61.V. Lebedev, S .N. Bland, F. N. Beg, J. P. Chittenden, A.  E. Dangor, M. G. Haines, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko "Effect of core-corona plasma structure on seeding of instabilities in wire array Z pinches", Phys. Rev. Lett  . 85, 98-101, 2000

62.Г. С. Волков, Е.В. Грабовский, К. Н. Митрофанов, Г. М. Олейник, «Рентгеновское зондирование приосевой области плазмы многопроволочного лайнера на установке Ангара-5», Физика плазмы, 30, 115-128, 2004

63.T. A. Shelkovenko, D. A. Chalenski, K. M. Chandler, J. D. Douglass, J. B. Greenly, D. A. Hammer, B. R. Kusse, R. D. McBride, S. A. Pikuz, “Diagnostics on the COBRA pulsed power generator“, Rev. Sci. Instr., 77, 10F521, 2006

64.J. B. Greenly, J. D. Douglas, D. A. Hammer, B. R. Kusse, S. C. Glidden, H. D. Sanders, "A 1 MA, variable risetime pulse generator for high energy density plasma research", Rev. Sci. Instr., 79, 073501, 2008

65.M. D. Mitchell, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko ,  and D. A. Hammer, “X-pinches in Dielectric Frames”, IEEE , Trans. Plasma Sci., 34, 2342-2348, 2006

66. V. L. Kantsyrev,  D. A. Fedin, A. S. Shlyaptseva M. D. Mitchell,  B. M. Song, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, K. M. Chandler, D. A. Hammer, and L. M. Maxson,  ‘Studies of energetic electrons with space and time resolution in Mo and W X-pinches from measurements of x rays >9 keV”, Rev. Sci. Instr, 75, 3708-3709, 2004

67.Т. А. Шелковенко С.А.Пикуз, А.Р.Мингалеев, А. В. Агафонов, В.М.Романова, А. Е. Тер-Оганесьян, С. И. Ткаченко, И. С. Блеснер, М. Д. Митчел, К. М. Чандлер, З. Б. Кaсси,  Д. А. Хаммер «Ускоренные электроны и жеcткое излучение в Х-пинче», Физика Плазмы, 34, 1-18, 2008

68.D .B. Sinars, Min Hu, K. M. Chandler, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, J. B. Greenly, D. A. Hammer, B. R. Kusse "Experiments  measuring the initial energy deposition, expansion rates and morphology of exploding wires with about 1 kA/wire", Phys. Plasmas, 8, 216-230 2001

69.D .B. Sinars, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, Min Hu, V. M. Romanova, K. M. Chandler, J. B. Greenly, D. A. Hammer, B. R. Kusse "The effect of insulating coatings on exploding wire plasma formation", Phys. Plasmas, 7, 429-432, 2000

70.S. I. Tkachenko, D. V. Barishpoltsev, G. V. Ivanenkov, V. M. Romanova, A.E. Ter-Oganesyan, A. R. Mingaleev, T. A. Shelkovenko, and S. A. Pikuz, “Analysis of the discharge channel structure upon nanosecond electrical explosion of wires”, Phys. Plasmas, 14, 123502, 2007

71. С. Ю. Гуськов, Г. В. Иваненков, А. Р. Мингалеев, С. А Пикуз, Д. A.Хаммер, Т. А. Шелковенко, "Временная эволюция гидродинамической неустойчивости границы плотный керн --- плазменная корона при наносекундном взрыве проволочек" Письма в ЖЭТФ,  67, 531-536, 1998.

72.I. C. Blesener, J. B. Greenly, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, S. Vishniakou, D. A. Hammer,  B. R. Kusse «Axial x-ray backlighting of wire-array Z-pinches using X pinches» Rev. Sci. Instr, 80, 123505, 2009

73.S. C. Bott, D. M. Haas, Y. Eshaq, U. Ueda, F. N. Beg, D. A. Hammer, B. Kusse, J. Greenly, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, I. C. Blesener, R. D. McBride, J. D. Douglass, K. Bell, P. Knapp, J. P. Chittenden, S. V. Lebedev, S. N. Bland, G. N. Hall, F. A. Suzuki Vidal, A. Marocchino, A. Harvey-Thomson, M. G. Haines, J. B. A. Palmer, A. Esaulov, D. J. Ampleford,Study of the effect of current rise time on the formation of the precursor column in cylindrical wire array Z pinches at 1 MA”, Phys. Plasmas 16, 072701, 2009

74.4NIH-IMAGE (National Institutes of Health, Research Services Branch Bethesda, MD, 1999

75. В. Александров, А. В. Браницкий, Г. С. Волков, Е. В. Грабовский,  и др. «Динамика гетерогенного лайнера с затянутым плазмообразованием», Физика Плазмы, 27, 99-120, 2001

76. P. F. Knapp, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, D. A. Hammer, and S. B. Hansen, "High resolution absorption spectroscopy of exploding wire plasmas using an x-pinch x-ray source and spherically bent crystal", Rev. Sci. Instr., 82, 063501, 2011.

77. P. F. Knapp, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, D. A. Hammer, and S. B. Hansen, “Time and space resolved measurement of the electron temperature, mass density and ionization state in the ablation plasma between two exploding Al wires”, Phys. Plasmas, 19, 056302, 2012

78. P. Audebert, P. Renaudin, S. Bastiani-Ceccotti, J.-P. Geindre, C. Chenais-Popovics, S. Tzortzakis, V. Nagels-Silvert, R. Shepherd, I. Matsushima, S. Gary, F. Girard, O. Peyrusse, and J.-C. Gauthier, Phys. Rev. Lett. 94, 025004 (2005)

79. А. Е. Тер-Оганесьян, С. И. Ткаченко, В. М. Романова, А.Р. Мингалеев, Т. А. Шелковенко, С. А. Пикуз «Наносекундный электрический взрыв вольфрамовых проволочек в различных средах», Физика плазмы, 31, 989-996, 2005

80. T. W. L. Sanford, G. O. Allshouse, B. M. Marder, T. J. Nash, R. C. Mock,R. B. Spielman, J. F. Seamen, J. S. McGurn, D. O. Jobe, T. L. Gilliland et al., Phys. Rev. Lett. 77, 5063, 1996. 81.E. P. Yu, B. V. Oliver, D. B. Sinars, T. A. Melhlhorn, M. E. Cuneo, P. V. Sasorov, M. G. Haines, S. V. Lebedev, “Steady-state radiation ablation in the wire-array Z pinch”, Phys. Plasmas, 14, 022705, 2007.

82.S. V. Lebedev, F. N. Beg, S. N. Bland, J. P. Chittenden, A. E. Dangor, M. G. Haines, K. H. Kwek,  S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko “Effect of discrete wires on the implosion dynamics of wire array Z pinches”, Phys. Plasmas, 8, 3734-3747, 2001

83. B. Sinars, M. E. Cuneo, E. P. Yu, S. V. Lebedev, K. R. Cochrane, B. Jones, J. J. MacFarlane, T. A. Mehlhorn, J. L. Porter, and D. F. Wenger, “Measurements and simulations of the ablation stage of wire arrays with different initial wire sizes”, Phys. Plasmas, 12, 042704, 2006

84 J. D. Douglass, S. A. Pikuz, T. A.Shelkovenko, K. S.Bell, P. F.Knapp, R. D. McBride, D. A. Hammer, “Density measurements in the ablation plasma of tungsten wire array z-pinches” 2007 IEEE Pulsed Power Plasma Science Conference, 64, 2007

85.J. D. Douglass, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, D. A. Hammer, S. N. Bland,S. C. Bott, and R. D. McBride, Structure of the Dense Cores and Ablation Plasmas in the Initiation phase of Tungsten Wire-Array Z-Pinches”, Phys. Plasmas, 14, 012704, 2007

86. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, J. D. Douglass, I. C. Blesener, J. B. Greenly, R. D. McBride, D. A. Hammer, and B. R. Kusse, “Wire core and coronal plasma expansion in wire-array Z pinches with small numbers of  wires”, Phys. Plasmas, 14, 102702, 2007

87. D. McBride, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, D. A. Hammer, J. B. Greenly,B. R. Kusse, J. D. Douglass, P. F. Knapp, K. S. Bell, I. C. Blesener, and D. A. Chalenski, “Implosion dynamics and radiation characteristics of wire-array Z pinches on the Cornell Beam Research Accelerator”, Phys. Plasmas 16, 012706, 2009

88.S. V. Lebedev, F. N. Beg, S. N. Bland, J. P. Chittenden, A. E. Dangor,M. G. Haines, “Snowplow-like behavior in the implosion phase of wire array Z pinches”, Phys. of Plasmas, 9, 2293-2301, 2002

89. www.prism-cs.com/software

90. Tong Zhao, Xiaobing Zou, Xinxin Wang, Yongchao Zhao, Yanqiang Du, Ran Zhang, and Rui Liu, “X-Ray Backlighting of Developments of X-pinches and Wire-Array Z-pinches Using an X-pinch” IEEE Transactions on Plasma Science, 38, 2345, 2010

Основные результаты диссертации опубликованы в 71 статье в журналах и трудах международных конференций:

  1. С. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, A. R. Mingaleev, and D. A.Hammer, H. P. Neves, “Density measurements in exploding wire-initiated plasmas using tungsten wires", Phys. Plasmas, 6, 4272-4283, 1999
  2. T. A. Shelkovenko, D. B. Sinars, S. A. Pikuz, D .A. Hammer "Radiographic and spectroscopic studies of X pinch plasma implosion dynamics and x-ray burst emission characteristics" Phys. Plasmas, 8,1305-1318, 2001
  3. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, J. D. Douglass, J. B. Greenly, D. A. Hammer, “Multiwire X Pinches at 1-MA current on the COBRA Pulsed Power GeneratorIEEE , Trans. Plasma Sci., 34, 2336-2341, 2006
  4. Т. А. Шелковенко, С. А. Пикуз, Р. Д. МкБрайд, П. Ф. Кнапп, Г. Вилгелм, Д. В. Синарс, Д. А. Хаммер, Н. Ю. Орлов, «Симметричный многооболочечный Мегаамперный Х-пинч», Физика плазмы, 36, 53-70, 2010
  5. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, A. R. Mingaleev, D. A. Hammer, "Studies of plasma formation from exploding wires and multiwire arrays using x-ray backlighting "Rev. Sci. Instr., 70, 667-670, 1999
  6. Г. В. Иваненков, А. Р. Мингалеев, С .А. Пикуз Д. А. Хаммер, Т. А. Шелковенко «Рентгеновская радиография сильноточного разряда через могопроволочный лайнер», Физика плазмы, 25, 851 - 861, 1999.
  7. S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, J. B. Greenly, Y. S Dimant, D. A Hammer, “Multiphase foamlike structure of exploding wire cores”, Phys. Rev. Lett. 83, 4313-4316 1999
  8. S. V. Lebedev, S. N. Bland, F. N. Beg, J. P. Cittenden, A. E. Dangor, M. G. Haines, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, "X-ray backlighting of wire array Z-pinch implosions using X pinch " Rev. Sci. Instr., 72, 671-673, 2001
  9. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, J. D. Douglass, I. C. Blesener, J. B. Greenly,  R. D. McBride, D. A. Hammer, and B. R. Kusse, “Wire core and coronal plasma expansion in wire-array Z pinches with small numbers of  wires”, Phys. Plasmas, 14, 102702, 2007
  10. B. M. Song, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, K. M. Chandler, D. A. Hammer, “Small size X pinch radiation source for application to phase-contrast x-ray radiography of biological speciments“ IEEE Medical Imaging Conference (NSS/MIC) Record, Nov. 11-16, 2002, Norfolk, Virginia
  11. A. G. Taylor, M. C. Goffinet, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, M. D. Mitchell, K. M. Chandler, D. A. Hammer “Physico-chemical factors influence Beet (Beta vulgaris L.) Seed germination”, 2003 CAB international. The Biology of Seeds; recent Research Advances (eds. G.Nicolas, K.J.Bradford, D.Come and H.W.Pritchard
  12. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, I. Yu. Skobelev, D. B. Sinars, K. M. Chandler, M. D. Mitchel and D. A. Hammer “X-pinch plasma condition from time resolved x-ray spectroscopy” Rev. Sci. Instr., 74, 1958-1961, 2003
  13. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, D. B. Sinars, K. M. Chandler and D. A. Hammer"X-pinch Plasma Development as a Function of Wire Material and Current Pulse Parameters", IEEE , Trans. Plasma Sci., 30, 567-576, 2002
  14. K. M. Chandler, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, M. D. Mitchell, and D. A. Hammer, J. P. Knauer, “Cross calibration of new x-ray films against direct exposure film from 1 to 8 keV using the X-pinch x-ray source" Rev. Sci. Instr. 76, 113111, 2005
  15. J. P. Knauer,F. J. Marshall, B. Yaakobi, D. Anderson, and B. A. Schmitt, K. M. Chandler, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, M. D. Mitchell, D. A. Hammer “Response model for Kodak Biomax-MS film to x rays”, Rev. Sci. Instr., 77, 10F331, 2006
  16. T. A. Shelkovenko, D .B. Sinars, S. A. Pikuz, K. M. Chandler, D. A. Hammer, "Point-projection x-ray radiography using an X pinch as the radiation source", Rev. Sci. Instr. 72, 667-670, 2001
  17. B. M. Song, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, K. M. Chandler, M. D. Mitchel, D. A. Hammer, “Determination of the size and structure of the X pinch x-ray source from the diffraction pattern produced by microfabricated slits“, APPL. OPTICS, 44, 2349-2358, 2005
  18. S. N. Bland, S. V. Lebedev, J. P. Chittenden, G. N. Hall, and F. Suzuki-Vidal, D. J. Ampleford, S. C. Bott , J. B. A. Palmer, S. A. Pikuz and T. A. Shelkovenko , “Implosion and stagnation of wire array Z pinches” Phys. Plasmas 14, 056315, 2007
  19. S.A. Pikuz, T.A. Shelkovenko, D.B. Sinars, K.M. Chandler, D.A. Hammer "Phase contrast x-ray radiography using X pinch radiation", Proceed. of SPIE, 4501, 234 -238. 2001, G.A. Kyrala, J-C Gauthier editors.
  20. S. A. Pikuz, T.A. Shelkovenko,  A.R. Mingaleev, V.M. Romanova, B.M. Song, K.M. Chandler, M.D. Mitchell and D.A. Hammer, “The X pinch as an x-ray source for point-projection radiography”, Proceed. of SPIE, 5974, 5974L1-7, 2005
  21. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, B. M. Song, K. M. Chandler, M. D. Mitchell, and D. A. Hammer, G. V. Ivanenkov, A. R. Mingaleev, and V.M. Romanova  “Electron-beam-generated x rays from X pinches’ Phys. Plasmas, 12, 033102, 2005
  22. Т. А. Шелковенко С.А.Пикуз, А.Р.Мингалеев, А. В. Агафонов, В.М.Романова, А. Е. Тер-Оганесьян, С. И. Ткаченко, И. С. Блеснер, М. Д. Митчел, К. М. Чандлер, З. Б. Кaсси,  Д. А. Хаммер «Ускоренные электроны и жеcткое излучение в Х-пинче», Физика Плазмы, 34, 1-18, 2008
  23. T. A. Shelkovenko, D. A. Chalenski, K. M. Chandler, J. D. Douglass, J. B. Greenly, D. A. Hammer, B. R. Kusse, R. D. McBride, S. A. Pikuz, “Diagnostics on the COBRA pulsed power generator“, Rev. Sci. Instr., 77, 10F521, 2006
  24. V. L. Kantsyrev,  D. A. Fedin, A. S. Shlyaptseva M. D. Mitchell,  B. M. Song, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, K. M. Chandler, D. A. Hammer, and L. M. Maxson,  ‘Studies of energetic electrons with space and time resolution in Mo and W X-pinches from measurements of x rays >9 keV”, Rev. Sci. Instr, 75, 3708-3709, 2004
  25. S. V. Lebedev,  D. J. Ampleford, S. N. Bland, S. C. Bott,  J. P. Chittenden, C. Jennings, M. G. Haines, G. N. Hall,  D. A. Hammer,  J. B. A. Palmer, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko,  and T. Christoudias “ Physics of wire array Z-pinch implosions: experiments at Imperial College”, Plasma Phys. Control. Fusion 47, A91-A108, 2005
  26. A. V. Agafonov, A. R. Mingaleev, V. M. Romanova, V. P. Tarakanov, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, I. C. Blesener, B. R. Kusse,  D. A. Hammer, “Transport and Measurements of High-Current Electron Beam from X pinches” , Proc. of 5-th Intern. Conf. on Dense Z-pinches, Oxford, UK, AIP New York, 147-150, 2009.
  27.  A. Y. Faenov, Y. A. Agafonov, B. A. Bryunetkin, A. I. Erko, G. V. Ivanenkov, A. R. Mingaleev, S. A. Pikuz, V. M. Romanova, T. A. Shelkovenko, I. Y. Skobelev, “High-performance x-ray spectroscopy of plasma microsources”, Proc. of SPIE 2015, 64 – 76, 1994.
  28. D. B. Sinars, T .A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, J. B. Greenly, D. A. Hammer, “Exploding aluminum wire expansion rate with 1-4.5 kA per wire”, Phys. Plasmas, 7, 1555-1563, 2000
  29. D .B. Sinars, Min Hu, K. M. Chandler, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, J. B. Greenly, D. A. Hammer, B. R. Kusse "Experiments  measuring the initial energy deposition, expansion rates and morphology of exploding wires with about 1 kA/wire", Phys. Plasmas, 8, 216-230 2001
  30. D .B. Sinars, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, Min Hu, V. M. Romanova, K. M. Chandler, J. B. Greenly, D. A. Hammer, B. R. Kusse "The effect of insulating coatings on exploding wire plasma formation", Phys. Plasmas, 7, 429-432, 2000
  31. K. M. Chandler, D. A. Hammer, D. B. Sinars, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko  "The Relationship Between Exploding Wire Expansion Rates and Wire Material Properties at High Temperature", IEEE Trans. Plasma Sci., 30, 577-587, 2002
  32. S. I. Tkachenko, S. A. Pikuz, V. M. Romanova, A.E. Ter-Oganesyan, A. R. Mingaleev, T. A. Shelkovenko, “Overvoltage pulse development upon electrical explosion of thin wires’, J. Phys. D. Appl. Phys. 40, 1742-1750, 2007
  33. S. I. Tkachenko, D. V. Barishpoltsev, G. V. Ivanenkov, V. M. Romanova, A.E. Ter-Oganesyan, A. R. Mingaleev, T. A. Shelkovenko, and S. A. Pikuz, “ Analysis of the discharge channel structure upon nanosecond electrical explosion of wires”, Phys. Plasmas, 14, 123502, 2007
  34. С. И. Ткаченко, А. Р. Мингалеев, В. М. Романова, А. Е. Тер-Оганесьян, Т. А. Шелковенко, С. А. Пикуз, Распределение вещества в токопроводящей плазме и плотном керне в канале разряда при взрыве проволочек, Физика плазмы, 35, 798–818, 2009
  35. S. V. Lebedev, S .N. Bland, F. N. Beg, J. P. Chittenden, A.  E. Dangor, M. G. Haines, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko "Effect of core-corona plasma structure on seeding of instabilities in wire array Z pinches", Phys. Rev. Lett  . 85, 98-101, 2000
  36. C. V. Lebedev, F. N. Beg, S. N. Bland, J. P. Chittenden, A. E. Dangor, M. G. Haines, K. H. Kwek, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko “Effect of discrete wires on the implosion dynamics of wire array Z pinches”, Phys. Plasmas, 8, 3734-3747, 2001
  37. J. D. Douglass, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, D. A. Hammer, S. N. Bland,S. C. Bott, and R. D. McBride, Structure of the Dense Cores and Ablation Plasmas in the Initiation phase of Tungsten Wire-Array Z-Pinches”, Phys. Plasmas, 14, 012704, 2007
  38. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, R. D. McBride, P. F. Knapp, H. Wilhelm, D. A. Hammer, and D. B. Sinars, “Nested multilayered X pinches for generators with mega-ampere current level”, Phys. Plasmas, 16, 050702, 2009
  39. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, A. D. Cahill, P. F. Knapp, D. A. Hammer, D. B. Sinars, I. N. Tilikin, and S. N. Mishin, “Hybrid X-pinches with conical electrodes”, Phys. Plasmas, 17, 112707, 2010
  40. Г. А. Месяц, Т. А. Шелковенко, Г. В. Иваненков, А. В. Агафонов, С. Ю. Савинов, С. А. Пикуз, И. Н. Тиликин, С. И. Ткаченко, С. А. Чайковский, Н. А. Ратахин, В. Ф. Федущак, В. И. Орешкин, А. В. Русских, Н. А. Любецкая, А. П. Артемов, Д. А. Хаммер,  Д. В. Синарс, «Источник субнаносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения на основе Х-пинча и малогабаритного низкоиндуктивного генератора тока», ЖЭТФ, 138, 411-420, 2010.
  41. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, I. C. Blesener, R. D. McBride, K. S. Bell, D. A. Hammer, A. V. Agafonov, V. M. Romanova, A. R. Mingaleev «Measurements of high-current electron beams from X pinches and wire array Z pinches», Rev. Sci. Instr., 79, 10E316, 2008
  42. G. V. Ivanenkov, W. Stepniewski, S .A. Pikuz, S. Yu.  Gus’kov, “Physical Aspects of High Intensity X-ray Emission from X-pinch”, Proceedings of 6th International Conference on Dense Z pinches, Oxford, UK, AIP, New York, 133-136, 2006.
  43. K. M. Chandler, M. D. Mitchell, T. A. Shelkovenko ,S. A. Pikuz, and D. A. Hammer “Time- resolved spectra from four wire Manganin X pinches”, 6th International Conference on Dense Z pinches, Oxford, UK, AIP, New York, PS2-24, 2006
  44. M. D. Mitchell, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko ,  and D. A. Hammer, “X-pinches in Dielectric Frames”, IEEE , Trans. Plasma Sci., 34, 2342-2348, 2006
  45. С. А. Пикуз, Т. А. Шелковенко, Д. Б. Синарс, Д. А. Хаммер “Временные характеристики рентгеновского излучения Х-пинча”, Физика Плазмы, 32, 1106-1120, 2006
  46. N. Yu. Orlov, S. Yu. Gus’kov, S. A. Pikuz, V. B. Rozanov, T. A. Shelkovenko, N. V. Zmitrenko, D. A. Hammer , “Theoretical and experimental studies of the radiative properties of hot dense matter for optimizing soft X-ray sources”, Laser and Particle Beams, 25, 1–9,  2007
  47. D. B. Sinars, S. A. Pikuz, J. D. Douglass, R. D. McBride, D. J. Ampleford, P. Knapp, K. Bell, D. Chalenksi, M. E. Cuneo, J. B. Greenly, D. A. Hammer, B. R. Kusse, A. Mingaleev, T. A. Shelkovenko, and D. F. Wenger, “Bright spots in 1 MA X pinches as a function of wire number and material”, Phys. of Plasmas, 15, 092703, 2008
  48. T.A. Shelkovenko, S.A. Pikuz, D.B. Sinars, K.M. Chandler, D.A. Hammer "X pinch: a source of 1 - 10 keV x-rays" Proceed. of SPIE, 4501,180 - 187, 2001
  49. T.A.Shelkovenko, D.B.Sinars, S.A.Pikuz, K.M.Chandler, G.V.Ivanenkov, W.Stepniewski, and D.A.Hammer, «X-pinch dynamics: experiment and simulation», IEEE International Conference on Plasma Science, p. 195. 2001.
  50. S. I. Tkachenko, V. M. Romanova, A. R. Mingaleev, A. E. Ter-Oganesyan, T. A. Shelkovenko, S.A. Pikuz, “Study of plasma parameter’s distribution upon electrical wire explosion” Eur. Phys. J. D 54, 335–341, 2009.
  51. А. Е. Тер-Оганесьян, С. И. Ткаченко, В. М. Романова, А.Р. Мингалеев, Т. А. Шелковенко, С. А. Пикуз «Наносекундный электрический взрыв вольфрамовых проволочек в различных средах», Физика плазмы, 31, 989-996, 2005
  52. S. A. Pikuz, J. D. Douglass, T. A. Shelkovenko, D. B. Sinars, and D. A. Hammer, “Wide band focusing x-ray spectrograph with spatial resolution” Rev. Sci. Instr., 79, 013106, 2008
  53. С.Ю.Гуськов, Г.В.Иваненков, С.А.Пикуз, Хаммер, Т.А.Шелковенко, «О возможности создания высокотемпературной плазмы при воздействии лазерного импульса на объемно-структурированную среду, образованную при взрыве тонкого проводника», Квантовая электроника, 33(11), 958 - 966, 2003.
  54. J. D. Douglass, J. B. Greenly, D. A. Hammer, R. D. McBride, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, "The Imaging of Z-Pinches Using X-Pinch Backlighting," DZP2005, AIP Conference Proceedings 808, 129-132, 2006
  55. I. C. Blesener, J. B. Greenly, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, S. Vishniakou, D. A. Hammer, B. R. Kusse «Axial x-ray backlighting of wire-array Z-pinches using X pinches» Rev. Sci. Instr, 80, 123505, 2009
  56. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, V. M. Romanova, G. V. Ivanenkov, B. M. Romanova, B. M. Song, K. M. Chandler, M. D. Mitchell, D. A. Hammer, “X pinch characteristics for x-rays above 10 keV”, Proceed. of SPIE, 5196, 36-44, 2004
  57. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, J. D. Douglass, R. D. McBride, D. A. Hammer, “Multiwire X Pinches on the COBRA Pulsed Power Generator”, Proc. of the 6-th International Conference on Dense Z pinches, Oxford, UK, AIP, New York, 153-156, 2006.
  58. T. A Shelkovenko, S. A Pikuz., G. V Ivanenkov, A. R. Mingaleev, V. M. Romanova, A. E. Ter-Oganesyan,  K. M. Chandler, M. D. Mitchell, D. A. Hammer,.”Electron Beams in X-pinches”, Proc. 15-th Int. Conf. on High-Power Particle Beams, Saint-Petersburg. 806-809, 2004
  59. S. A Pikuz., T. A Shelkovenko., A. E. Ter-Oganesyan, A. R. Mingaleev, S. I. Tkachenko, , V. M. Romanova, A. B. Agafonov,  G.V Ivanenkov, ”Studying of the resistance stage of heating of thin wires by high-power current pulse in different external media”, Proc. 15-th Int. Conf. on High-Power Particle Beams, Saint-Petersburg,. 810-813, 2004
  60. D.B. Sinars, D.J. Amplefold, E.P. Yu, C.A. Jennings, M.E. Cuneo, D.F. Wenger, S.A. Pikuz, T.A. Shelkovenko, S.N. Bland, J.P. Chittenden, “Bright Spots in X-pinch Plasmas at 6 MA”, DPP.JO5, Bulletin of the American Physical Society DPP 50th Ann. Meet.  Vol. 53, N. 14, 2008.
  61. J. P. Chittenden, A. Ciardi, C. A. Jennings, S. V. Lebedev, D. A. Hammer, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, “Structural Evolution and Formation of High-Pressure Plasmas in X Pinches”, Phys. Rev. Lett. 98, 025003, 2007.
  62. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, R. D. McBride, P. F. Knapp, H. Wilhelm, D. A. Hammer, and D. B. Sinars,”Nested X Pinches on the COBRA Generator”, Proc. of the 7-th International Conference on Dense Z pinches, Alexandria, USA, AIP New York, 155-158, 2009. 
  63. Г. В. Иваненков, А. Р. Мингалеев, С. А. Пикуз, В. М. Романова, Т. А. Шелковенко, В. Степниевски, Д. А. Хаммер, «Динамика плазмы тонких взорванных проволочек с холодным керном», ЖЭТФ,  87, 663-671, 1998
  64. S. C. Bott, D. M. Haas, Y. Eshaq, U. Ueda, F. N. Beg, D. A. Hammer, B. Kusse, J. Greenly, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, I. C. Blesener, R. D. McBride, J. D. Douglass, K. Bell, P. Knapp, J. P. Chittenden, S. V. Lebedev, S. N. Bland, G. N. Hall, F. A. Suzuki Vidal, A. Marocchino, A. Harvey-Thomson, M. G. Haines, J. B. A. Palmer, A. Esaulov, D. J. Ampleford,Study of the effect of current rise time on the formation of the precursor column in cylindrical wire array Z pinches at 1 MA”, Phys. Plasmas 16, 072701, 2009
  65. J. P. Chittenden, S. V. Lebedev,  J. Ruiz-Camacho, F. N. Beg, S. N. Bland, C. A. Jennings, A. R. Bell, M. G. Haines, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, D. A. Hammer, "Plasma formation in metallic wire Z pinches" Phys. Rev. E, 61, 4370-4380, 2000
  66. N. Yu. Orlov, S. Yu. Gus’kov, S. A. Pikuz, V. B. Rozanov, T. A. Shelkovenko, N. V. Zmitrenko, and D. A. Hammer , “Theoretical and experimental studies of the radiative properties of hot dense matter for optimizing soft X-ray sources”, Laser and Particle Beams 25, 1–9, 2007
  67. P. F. Knapp, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, D. A. Hammer, and S. B. Hansen, "High resolution absorption spectroscopy of exploding wire plasmas using an x-pinch x-ray source and spherically bent crystal", Rev. Sci. Instr. 82, 063501, 2011
  68. P. F. Knapp, J. B. Greenly, P. A. Gourdain, C. L. Hoyt, S. A. Pikuz,  T. A. Shelkovenko, and D. A. Hammer, “Quasimonochromatic x-ray backlighting on the COrnell Beam Research Accelerator (COBRA) pulsed power generator” Rev. Sci. Instr. 81, 10E501 2010
  69. Т. А. Шелковенко, С. А. Пикуз, С. А. Мишин, А. Р. Мингалеев, И. Н. Тиликин, П. Ф. Кнапп, А. Д. Кахилл, К. Л. Хойт, Д. А. Хаммер,  “Гибридные Х-пинчи”, Физика Плазмы, 38, 395–418, 2012
  70. S. V. Lebedev, F. N. Beg, S. N. Bland, J. P. Chittenden , A. E. Dangor, M. G. Haines, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, “Plasma formation and the implosion phase of wire array z-pinch experiments”, Laser and Particle Beams, 19, 355–376, 2001.
  71. P. F. Knapp, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, D. A. Hammer, and S. B. Hansen, “Time and space resolved measurement of the electron temperature, mass density and ionization state in the ablation plasma between two exploding Al wires”, Phys. Plasmas, 19, 056302, 2012
 



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.