WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Баронова Елена Олеговна

Развитие методов  рентгеновской спектроскопии и их применение  в исследованиях плазмы сильноточных разрядов

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Автор:

Москва 2009

Работа выполнена в Институте ядерного синтеза Российского научного центра «Курчатовский институт».

Официальные оппоненты:

  доктор физико-математических наук, профессор Манагадзе Георгий Георгиевич,

  доктор физико-математических наук

  Гаврилов Валерий Васильевич, 

  доктор физико-математических наук,

профессор Ананьин Олег Борисович 

Ведущая организация:

  Физический Институт им.П.Н.Лебедева РАН        

Защита состоится «21» октября 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета  Д 212.130.05  в  аудитории К608 главного корпуса Московского инженерно-физического института (государственного университета) по адресу: 115409, г. Москва,  Каширское шоссе, дом 31, тел. 3248498, 3239167.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан « 17 » сентября 2009  г.

Ученый секретарь

диссертационного совета  И.В.Евсеев

I.  ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Работа посвящена развитию методов рентгеновской спектроскопии, их применению для исследования высокотемпературной плазмы сильноточных разрядов и содержит три составляющие:  i) создание и характеризацию принципиально новой измерительной аппаратуры - рентгеновского спектрографа с новой оптической схемой, однокристального рентгеновского спектрополяриметра, а также компактного источника ультрафиолетового излучения, применяемого для юстировки и калибровки аппаратуры и исследований в области литографии, ii) экспериментальные исследования излучения плазмы,  реализованные на установках с током 3 кА, 10 кА, 150 кА, 200 кА,  360 кА, 500 кА с помощью созданной аппаратуры, iii) создание численных моделей, описывающих  изменение излучательных характеристик  плазмы во времени с учетом изменения концентрации ионов (аргона, ксенона)  всех степеней ионизации и интерпретация полученных экспериментальных результатов с помощью созданных моделей.

Актуальность исследований. В сильноточных разрядах (Z – пинчах) образуется  плотная высокотемпературная плазма, сжимающаяся под действием протекающего по  ней тока. Исследования рентгеновского излучения таких разрядов  представляют интерес для понимания процессов, происходящих в плазме,  для предсказания ее поведения, для практических применений, важнейшим из которых является  термоядерный синтез. Одними из наиболее информативных методов диагностики пинчевой плазмы являются методы рентгеновской спектроскопии, основанные на анализе относительных интенсивностей рентгеновских линий.  Анализ интенсивностей, как правило, проводится в предположении максвелловского распределения электронов, изотропности плазмы и т.д. Исследуемая плазма, однако, является анизотропной, нестационарной,  оптически плотной. Известно также, что в плазме генерируются электронные пучки и быстрые ионы, турбулентные электрические и магнитные поля, а излучение плазмы может быть поляризовано.  Экспериментальные и аналитические исследования, проведенные в данной диссертации и указывающие на влияние перечисленных факторов на излучение плазмы, являются важными как с точки зрения уточнения существующих методов диагностики плазмы, так и для понимания физики явлений, имеющих место в плазме.  Регистрация рентгеновских спектров,  как правило, проводится с помощью высокоразрешающих рентгеновских спектрографов, создаваемых в лабораторных условиях.  Разработке и внедрению нового оборудования, открывшим широкие перспективы  создания новых видов диагностики импульсных источников излучения, посвящены первая, вторая и третья главы диссертации. 

В одной из глав настоящей диссертации приведены результаты исследования капиллярного разряда, который активно изучается  в лабораториях России, Европы, Америки, Японии и других  стран для применения в  EUV- литографии. Основное внимание уделяется  режимам работы с максимальным выходом излучения вблизи 135 при минимальном распылении  материала керамики и электродов. Важное значение имеют как разработка аналитических моделей, так и создание экспериментальных стендов по изучению излучения плазмы капиллярного разряда, одними из основных преимуществ которого  являются простота конструкции, стабильное положение источника излучения в пространстве, его малый размер.

Одна из глав диссертации посвящена численному моделированию динамики линейчатого рентгеновского излучения  и динамики параметров плазмы в процессе  инжекции  нейтрального газа в токамак. Инжекция большого количества нейтрального газа  является эффективным способом предотвращения последствий, возникающих  при срыве тока или быстром отключении тока в случае экстренной необходимости.  Для предотвращения опасных последствий, которые могут иметь значительные масштабы в ИТЭР, необходимо найти возможность  быстрой диссипации тепловой энергии плазмы во время срыва. Интерес представляют как численные модели, описывающие динамику плазмы во время инжекции, так и методы диагностики параметров плазмы во время инжекции. Предложенная автором диссертации модель может использоваться для  оптимизации эксперимента по инжекции газа в существующих установках и ИТЭР. Измерения динамики линейчатого рентгеновского излучения помогут диагностировать параметры плазмы во время инжекции. Данная тематика является предметом международного сотрудничества физиков РНЦ КИ, их коллег из Германии (установка АSDEX) и Франции (установка Tore Supra), которые проводят экспериментальную часть работы.

       

Цель диссертационной работы: исследование рентгеновского излучения, механизмов, ответственных за его генерацию, развитие методов рентгеновской спектроскопии, направленных на  определение параметров плазмы сильноточных разрядов и исследование процессов, происходящих в ней.

Для реализации поставленной цели решены следующие научные проблемы и задачи:

1. Создано современное оборудование для регистрации рентгеновских спектров, которое характеризовано и применено  для исследования  спектров, излучаемых плазмой сильноточных разрядов.

2. Исследовано влияние анизотропных факторов (пучки электронов, электрические поля) на излучательные  характеристики  плазмы сильноточных разрядов.

3. Проанализированы основные проблемы измерения поляризации в  рентгеновской области спектра. Создано  и характеризовано оборудование для поляризационного анализа рентгеновского спектра, проведен поляризационный анализ спектра гелиеподобных ионов в пинчевом разряде.

  1. Исследовано излучение капиллярного разряда, применяемого для литографии.
  2. Исследована динамика параметров плазмы, в том числе динамика рентгеновского излучения плазмы токамака в процессе инжекции большого количества нейтрального газа. Созданы коды для описания поведения плазмы, которые можно использовать для диагностики процесса инжекции и оптимизации условий эксперимента по предотвращению последствий срыва.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана новая оптическая схема работы рентгеновского спектрографа в диапазоне  энергий Е > 8 кэВ. Создан диспергирующий элемент, работающий одновременно по трем  оптическим схемам:  вновь предложенной схеме Кошуа-Иоганссона, схеме Иоганссона, схеме де Бройля.

2.  Разработан метод определения радиуса кривизны атомных плоскостей вогнутых кристаллов, и обнаружено различие радиуса кривизны атомных плоскостей изогнутого кристалла и радиуса подложки.

3. Обнаружена периодичность изменения локальной кривизны атомных плоскостей и локальной полуширины кривой отражения кристалла, соединенного методом оптического контакта с вогнутой подложкой.

4. Обнаружены свидетельства анизотропиии функции распределения электронов плазмы по скоростям при регистрации излучения многозарядных ионов на пинчевых установках с токами 150 кА, 200 кА, 360 кА, 500 кА.

5. Впервые проведена интерпретация результатов измерений  рентгеновских линий аргона, эмитированных плазмой пинча, на основе моделей, учитывающих динамику всех степеней ионизации аргона.

6. Впервые проведен поляризационный анализ линий  гелиеподобного иона аргона, эмитированных плазмой пинчевого разряда.

7. Сформулирован и запатентован принцип работы нового  рентгеновского спектрополяриметра, одновременно выделяющего из падающего излучения две взаимно-перпендикулярно поляризованные компоненты с помощью одного кристалла. Разработана оптическая схема четырехгранного однокристального спектрополяриметра.

8. С учетом концентрации атома и ионов ксенона всех степеней ионизации проведено моделирование временного хода интенсивностей линий с длинами волн 135 ± 1.4 , применяемых в литографии, впервые позволившее интерпретировать экспериментально измеренные спектры ксенона, излучаемые капиллярным разрядом.

9. При моделировании процессов, проходящих при инжекции нейтрального аргона в токамак для предотвращения срыва, впервые показано, что охлаждение горячей плазмы происходит не за счет излучения, а преимущественно за счет превалирующей роли столкновений.  Проведено  моделирование временного хода интенсивности рентгеновских линий и впервые предложено использовать измерения интенсивности линий во времени для диагностики плазмы в процессе инжекции.

Личный вклад автора. Основные результаты работы получены автором лично или при ее определяющем участии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Конструкция спектрографа для регистрации видимого, ВУФ и рентгеновского излучений плазмы с новой оптической схемой для регистрации в диапазоне энергий Е > 8 кэВ. Разработка и создание цилиндрического кристалла, работающего по схемам Иоганссона, Де-Бройля и вновь предложенной схеме Кошуа – Иоганссона. 

2.  Метод измерения радиуса кривизны атомных плоскостей изогнутых кристаллов и результаты этих измерений.

3. Эффект уширения кривой отражения (КО) кристаллов при их изгибе, эффект периодичности  изменения локальной кривизны атомных плоскостей и локальной полуширины КО вдоль кристалла, соединенного методом оптического контакта с вогнутой подложкой.

4. Результаты измерений рентгеновских  спектров z-пинчевых разрядов при  токах  150 кА, 200 кА, 360 кА, 500 кА,  свидетельствуют об уменьшении интенсивности свечения характеристических линий ионов низких кратностей ионизации с ростом тока разряда. Анализ полученных результатов, проведенный в рамках  существующих модельных представлений, позволяет оценить  параметры  плазмы  в момент максимального сжатия.

5. Впервые проведенный поляризационный анализ рентгеновских линий  гелиеподобного аргона на установке типа плазменный фокус.  Результаты экспериментов по исследованию поляризации  рентгеновских линий. Методология поляризационных измерений и механизмы, ответственные за возникновение поляризации.

6. Принцип работы однокристального рентгеновского спектрополяриметра,  позволяющего выделить из падающего излучения две взаимно перпендикулярно поляризованные компоненты. Оптическая схема четырехгранного однокристального спектрополяриметра.

  7.  Численная модель низкоточного (3-10кА) капиллярного разряда,  являющегося  источником излучения в области 135 ,  и ее верификация на созданном разрядном устройстве.

8. Механизм охлаждения  горячей плазмы токамака в процессе инжекции нейтрального газа для подавления последствий срыва, заключающийся в превалирующей роли столкновений.

9. Результаты численного моделирования динамики  интенсивности линий гелиеподобного аргона  в процессе инжекции в плазму токамака, указывающие на рост интенсивности линий ArXVII при падении температуры плазмы  и на возможность диагностики ее температуры во время инжекции.

Практическая значимость.

  1. Создан новый, удобный в обащении фокусирующий спектрограф для изучения спектров различных источников рентгеновского излучения, адаптированный для измерений  ультрафиолетового и видимого спектра. Разработанные методики характеризации прибора и его опробование на нескольких видах лабораторной плазмы позволяют рекомендовать прибор для широкого использования при исследованиях и  для обучения студентов в университетах.
  2. Создан первый отечественный рентгеновский спектрополяриметр, обеспечивающий  проведение поляризационного анализа нестационарных источников излучения. Применение спектрополяриметра снижает затраты при проведении поляризационного анализа  стационарных источников.
  3. Проведенный анализ методологии поляризационных измерений, реализованный поляризационный анализ спектров гелиеподобного аргона и железа плазмы  пинчевых разрядов в диапазоне токов 150-500 кА открывает новые возможности в диагностике плотной  высокотемпературной плазмы.
  4. Созданы коды, описывающие временную динамику распределения всех ионов данного элемента по степеням ионизации. Данные коды в сочетании с описанием временного хода параметров плазмы позволяют проводить интерпретацию экспериментальных данных,  продвинуться в понимании роли тех или иных физических явлений, имеющих место в сильноточных разрядах.
  5. Создан и охарактеризован в диапазоне 110-600 источник излучения на основе капиллярного разряда, выдерживающий десятки тысяч выстрелов без замены элементов конструкции. Разряд применен для юстировки элементов спектрографа скользящего падения, что позволило снизить цену прибора. Созданы коды, описывающие временной ход  параметров плазмы, которые могут быть применены для  дальнейшего усовершенствования работы капиллярного источника.
  6. Созданные двухтемпературные коды,  описывающие поведение плазмы при инжекции большого количества нейтрального газа в токамак,  имеют практическое применение  при изучении возможностей ослабления последствий срыва тока в этих установках.

Апробация работы. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на Общероссийских  конференциях по физике плазмы и УТС в Звенигороде, Конференциях по плотным Z – пинчам 1993,1997,2002, 2006 годов, Conference on UV and X-ray spectroscopy, Beams Conferences,  International Conference on High Temperature Plasma Diagnostics, US-Japan workshop on PPS, IAEA Fusion Energy Conference, а также опубликованы в журналах “Приборы и Техника Эксперимента“,“Nuclear Fusion“, “Plasma Physics and Controlled Fusion“, “Письма в ЖЭТФ“, “Физика Плазмы“, “Review of Scientific Instruments“, “Chechoslovak..Journal of Plasma Physics”, “Journal of Plasma Fusion Research“, “Nucleonika“, “Кристаллография“, “Прикладная физика“, “Journal of Technical Physics“, 2 главах монографии “Plasma Polarization Spectroscopy“  издательства Springer и т.д.

Публикации. Результаты работы изложены в 72 публикациях, в числе которых 30 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России,  2 главах монографии изд-ва Springer, получен 1 патент.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и 2 приложений. Она содержит 211 страниц, 139 рисунков и библиографию из  331 наименования.

II.  КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении изложены проблемы, возникающие как при  проведении рентгеноспектральных измерений, так  и в процессе интерпретации результатов таких измерений, поставлена цель исследования, определены его задачи, показана их актуальность.

Глава 1 посвящена универсальному фокусирующему спектрографу, созданному для регистрации эмитируемых плазмой спектров.  В разделе 1.1 описана новая оптическая схема  рентгеновского спектрографа (см. Рис.1),  которой присвоено название Кошуа-Иоганссона (ранее существовала схема Кошуа-Иоганна), приведено сравнение с оптическими схемами известных  фокусирующих спектрографов, анализируется  энергетический диапазон и спектральное  разрешение спектрографа  Кошуа-Иоганссона. Отмечено, что спектрограф может работать в схеме на прохождение как Кошуа-Иоганссон, в схеме на отражение как спектрограф Иоганссона и/или спектрограф Де Бройля. Показано, что в схеме на пропускание положение линии не зависит от положения источника и ширина линии не зависит от размера источника.

       В разделе 1.2  приведены результаты исследований вогнутых рентгеновских кристаллов  с помощью двухкристального рентгеновского дифрактометра. Показано, что локальная ширина кривой отражения и локальный радиус кривизны атомных плоскостей кристалла имеют периодический характер, найдена зависимость периода и амплитуды от радиуса подложки. Данные исследования важны для оценки дифракционной составляющей аппаратной функции прибора.

       В разделе 1.3 описан новый метод измерения радиуса кривизны атомных плоскостей вогнутого кристалла, и представлены результаты измерений  геометрической составляющей разрешения кристалла.  Измеренное угловое разрешение исследуемого кристалла кварца составило 2.6*10-4 рад. В разделе 1.4 показано, что пространственное разрешение вогнутых кристаллов может составлять 2 мк и менее, следовательно, изготавливаемые предложенным методом кристаллы могут быть использованы для исследования плазмы малых размеров. В разделе 1.5 описан режим работы прибора, при котором вместо кристаллов используются  дифракционные решетки. Приведены калибровочные кривые для спектрографа с решетками различных параметров. Использование дифракционных решеток расширяет диапазон регистрируемых  прибором длин волн от рентгеновского до видимого.

В разделе 1.6  приведены спектры различных диапазонов длин волн, зарегистрированные с помощью предлагаемого прибора на лазерной плазме, плазменном фокусе, капиллярном разряде.

Глава 2 посвящена  однокристальному  рентгеновскому спектрополяриметру. Поляриметры (приборы, выделяющие их падающего излучения две поляризованные компоненты)  широко применяются для проведения поляризационного анализа в видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра. В рентгеновском  же диапазоне длин волн были известны только поляризаторы - приборы, выделяюшие одну поляризованную компоненту. В рентгеновском поляризационном анализе излучения импульсных источников используются 2 кристалла-поляризатора, доказательство идентичности полей зрения которых часто является неразрешимой задачей. Описанный в разделе  2.1 однокристальный

рентгеновский спектрополяриметр лишен указанного недостатка. Принцип работы поляриметра заключается в том, что две серии идентичных атомных плоскостей А и В (см.Рис.2), расположенных внутри одного кристалла и наклоненных под углом 120 друг к другу, могут со 100% эффективностью выделять две взаимно перпендикулярно поляризованные компоненты из падающего рентгеновского излучения, одновременно разлагая его в спектр. Принцип действия данного прибора не был ранее описан в научной литературе.

В разделах 2.2. и 2.3 показано, как изготовить спектрополяриметр из гексагонального и кубического кристаллов, соответственно. В разделе 2.4 описана пространственная геометрия рентгеновского спектрополяриметра и даны основные соотношения, позволяющие определять координаты детекторов. В разделе 2.5 дано соотношение индексов Бравэ механических и поляризационных плоскостей поляриметра, изготовленного  из различных срезов кварца. Данное соотношение позволяет определять ориентацию плоскости, вдоль которой вырезается диспергирующий элемент поляриметра. В разделе 2.6 даны параметры четырехгранного однокристального кварцевого спектрополяриметра и кратко описан процесс его калибровки. С помощью представленного четырехгранного однокристального  спектрополяриметра можно анализировать поляризацию излучения вблизи следующих длин волн :  6 , 3.47 , 2.27 и 1.67 в первом порядке отражения, 3 , 1.74 , 1.13 во втором порядке отражения, 2 , 1.16 в третьем порядке отражения, 1.5 , 0.87 в четвертом порядке и 0.69 в пятом порядке. Применение поляриметра для исследования поляризации излучения импульсной плазмы открывает новые возможности рентгеноспектральной диагностики.

Глава 3 посвящена исследованию относительных интенсивностей рентгеновских линий, эмитируемых плазмой пинчевых разрядов. В разделе 3.1 данной главы представлены рентгеновские спектры,  зарегистрированные в  Z-пинчевых  установках при токах разряда 150 кА, 200 кА, 360 кА, 500 кА. Приведены экспериментальные  свидетельства стохастичности излучательных характеристик различных горячих точек пинчевого разряда и наличия анизотропии  плазмы сильноточных разрядов - присутствие  электронных пучков. Численными методами показано,  что перекрытие во времени электронных пучков со свечением линий гелие- и водородоподобных ионов различно.

Приведены результаты поляризационного анализа линий гелиеподобного иона аргона, полученные  на плазменном фокусе и вакуумной искре с использованием двух кристаллов-поляризаторов, см. Рис.3. Показано несовпадение  относительных интенсивностей наиболее представительных линий, зарегистрированных различными поляризаторами, что может быть интерпретировано как наличие поляризации, которая является следствием анизотропии плазмы.

Приведенные в 3.1 исследования важны для корректной оценки интенсивностей свечения рентгеновских линий, уточнения пределов применимости  существующих методов  рентгеноспектральной диагностики и для разработки  новых методов.

В разделе 3.2 проанализированы причины возникновения поляризации рентгеновского спектра гелиеподобных ионов пинчевой  плазмы. Отмечено,  что в рамках пост-столкновительной модели в плотной высокотемпературной пинчевой плазме причинами поляризации могут быть анизотропия функции распределения электронов по скоростям и наличие сильных электромагнитных полей. В разделе 3.3 проведен анализ проблем поляризационных измерений, проводимых с использованием двух поляризаторов. Отмечено, что во многих экспериментах, проводимых на нестационарных источниках, адекватность полей зрения поляризаторов доказать практически невозможно. Исключение составляют эксперименты, проводимые на точечных источниках. Отмечено, что результаты таких экспериментов можно корректно интерпретировать при  наличии калиброванных поляризаторов, коэффициент отражения которых измерен локально вдоль поверхности кристалла.

В разделе 3.4  проведено моделирование интенсивностей линий гелиеподобного аргона  в условиях стационарной и нестационарной плотной плазмы, в которой проведен учет столкновительного обмена между уровнями и учет оптической толщины в приближении свободного пробега. Отличительной особенностью предлагаемых моделей является  учет распределения ионов аргона всех кратностей ионизации во времени в рамках динамики параметров пинчевой  плазмы. В разделе 3.5 проанализировано влияние сильных электрических полей на интенсивность запрещенной  линии 21S1 -11S0 в спектре гелиеподобного аргона. Показано, что наличие сильных электрических полей  (без учета оптической толщины) может объяснить экспериментально измеренный спектр гелиеподобного иона аргона, см.Рис.4. Учет оптической толщины плазмы при отсутствии полей также позволяет  получить совпадение расчетного и измеренного спектров. Оптическая толщина плазмы является наиболее вероятным фактором, объясняющим особенности зарегистрированных спектров.  Указана необходимость самосогласованного учета обоих факторов в плазме с сильными электромагнитными полями. Проведенные исследования относительных интенсивностей линий гелиеподобных ионов важны, так как данные ионы широко используются для определения параметров термоядерной плазмы. В разделе 3.6 представлено сравнение результатов моделирования с результатами экспериментов.

Глава 4 посвящена  спектроскопии капиллярного разряда – эксперименту и численному моделированию динамики параметров плазмы. В разделе 4.1 описана  конструкция камеры капиллярного разряда, разработанная автором,  и схема эксперимента по генерации  излучения вблизи 135 ,  активно исследуемого для применения в литографии. Камера капилляра заполнялась ксеноном до давления 0.2-3 Торр,  к выходному окну пристыковывался спектрограф,  описанный в Главе 1, ток разряда составлял 3-10 кА. Спектрограф,  снабженный нарезной или голографической дифракционными решетками, регистрировал излучение в сериях из нескольких десятков, сотен  выстрелов. В разделе 4.2  представлены результаты  по измерению спектров, эмитируемых  плазмой капиллярного разряда в диапазоне длин волн 120÷700 . Показано, что в спектре кроме линий ксенона присутствуют линии материала электродов и материала капилляра. Экспериментально  определены  давление ксенона (0.2 Торр) и радиус капилляра (0.5 мм), при которых наблюдался оптимальный выход излучения вблизи 135 .

В разделе 4.3 описано применение капиллярного разряда для юстировки  спектрографа с дифракционной решеткой. Предлагаемая юстировка позволяет провести точную установку элементов спектрографа на круг Роуланда, существенно снизив затраты на изготовление узлов прибора.  Такое применение капиллярного разряда открывает возможности создания дешевых спектрографов в широком диапазоне регистрируемых  длин волн и особенно спектрографов с малыми углами скольжения.

В разделе 4. 4 приведены описание  модели и результаты численного моделирование динамики параметров плазмы и интенсивности свечения линий капиллярного разряда во времени. Модель  представляет собой уравнения энергобаланса для электронов и ионов, решенные совместно с уравнениями электрической цепи и уравнениями ионизационного баланса, в которых впервые  учтена динамика концентрации 54 ионов и атома ксенона. Предложенный подход предсказывает поведение тока во времени, которое совпадает с экспериментально зарегистрированной кривой. Данные, полученные с помощью модели, подтверждают, что экспериментально найденные параметры капилляра (радиус отверстия, давление газа) обеспечивают параметры плазмы, необходимые для генерации Хе9+ и Хе10+, которые являются источниками излучения вблизи 135 , см.Рис.5.  При расчете  интенсивности свечения  линий вблизи 135 учитывался вклад более 5000 переходов в ионах Хе8+ - Хе13+ и показано, что временной ход интенсивности повторяет форму тока во времени.

Глава 5 посвящена исследованию динамики параметров плазмы и интенсивности свечения рентгеновских линий в экспериментах по инжекции большого количества нейтрального газа, проводимых  для ослабления последствий срыва тока  в токамаке. В разделе 5.1 представлена модель, описывающая поведение плазмы в процессе инжекции газа (аргона) в токамак, и результаты численного моделирования, проделанного в рамках  данной модели. В модели учтена динамика концентрации всех ионов и атома аргона. Показано, что инжекция аргона приводит к быстрому сбросу тепловой  энергии горячей дейтериевой плазмы и, следовательно, к ослаблению последствий срыва. Впервые выявлено, что  основной механизм охлаждения дейтериевой  плазмы  состоит в превалирующей роли столкновений частиц плазмы и частиц напускаемого газа.

В разделе 5.2  проанализированы радиационные потери при инжекции аргона, обусловленные непрерывным и линейчатым излучениями. Отличительной особенностью проделанных расчетов является подробный учет всех переходов аргона, энергии и силы осцилляторов которых предлагаются в новейших базах атомных  данных. Показано, что в процессе инжекции возникает пик излучения мощностью порядка ГВатт, что наблюдается в экспериментах, проведенных на DIII-D. В разделе 5.3 описана генерация электронного пучка  при инжекции аргона. Учтена генерация быстрых электронов в рамках  “run-away” эффекта и их лавинообразное размножение (“avalanche”).

В разделе 5.4 представлены результаты моделирования интенсивности линий гелиеподобного иона аргона в условиях  нестационарной короны.  Рассчитана динамика свечения линий гелиеподобного иона аргона в процессе инжекции (см.Рис.6) и показано, что временные измерения интенсивностей данных линий могут быть использованы для диагностики процесса инжекции и оптимизации ее параметров. Предложено модифицировать рентгеновские спектрографы для измерения допплеровского уширения, используя их одновременно для регистрации  интенсивности линий во времени. Подобные исследования готовятся на ASDEX, где установлен рентгеновский спектрограф, изготовленный в Курчатовском Институте. Полученные результаты имеют большое значение для экспериментов на ИТЭР.

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

       Основные результаты данной диссертации состоят в следующем:

  1. Cконструирован спектрограф для исследования спектров лабораторной плазмы. В  диапазоне энергий Е > 8 кэВ предложена новая оптическая схема, названная схемой Кошуа – Иоганссона. Положение линии, зарегистрированной в данной схеме, не зависит от положения источника, ширина линии не зависит от размера источника. Прибор типа Кошуа – Иоганссон обеспечивает более высокое спектральное разрешение, чем его известный прототип Кошуа - Иоганн. Прибор портативен, адаптирован для применения  в ультрафиолетовом  и видимом диапазонах спектра. Разработан калибровочный источник для  УФ и видимого излучений. Спектрограф адаптирован для использования МКП в качестве детектора, опробован  для диагностики плотной высокотемпературной плазмы.
  2. Изготовлен цилиндрический кристалл типа Кошуа-Иоганссон, который работает в режиме на пропускание с межплоскостным расстоянием  d = 1.8 , срез 0001, или  d = 2.457 , срез 11(-2)0. Тот же самый кристалл работает в схеме на отражение в геометрии Иоганссона с межплоскостным расстоянием  d = 4.25 , 10(-1)0.
  3. Детально исследованы рентгеновские диспергирующие элементы спектрографа. Показано, что изменение кривизны и изменение полуширины КДО вдоль поверхности изогнутого кристалла, соединенного с подложкой (цилиндр, сфера, тороид) указанным методом (с помощью клея или оптического контакта)  имеют периодический характер. Показано, что величины амплитуды смещения и периода при прочих равных условиях (толщина кристалла, форма его изгиба) уменьшаются с увеличением кривизны изгиба, а величины параметров, определяющих оптические характеристики фокусирующего кристалла – увеличиваются.
  4. Разработана методика измерения радиуса кривизны атомных плоскостей изогнутых кристаллов. Показано, что радиус кривизны атомных плоскостей изогнутого кристалла может отличаться от радиуса подложки. Изготовлены кристаллы кварца, обеспечивающие высокое пространственное разрешение δx < 2 микрон. Кристаллы опробованы при  исследованиях  процессов, происходящих в лазерной плазме, плазме плотных Z - пинчей.

5.  Экспериментально зарегистрированы рентгеновские спектры  сильноточных разрядов при токах 150 кА, 200 кА, 360 кА, 500 кА.  Получены свидетельства наличия анизотропии функции распределения электронов плазмы по скоростям. Предложена интерпретация полученных результатов, основанная на анализе величины  перекрытия  во времени анизотропных факторов с  источниками излучения. Подобные исследования важны а) для поляризационного анализа, б) для определения параметров плазмы спектроскопическими методами.

6. Выявлена  стохастичность излучательных характеристик горячих областей плазмы, образованных в отдельно взятом разряде с током 500 кА. Обнаружены уширение резонансной линии и аномально высокая относительная интенсивность интеркомбинационной линии в спектре гелиеподобного иона  аргона, эмитированного плазмой разряда с током 500 кА. Предложена интерпретация полученных результатов, основанная на учете оптической толщины плазмы.

7. Созданы коды, описывающие временную динамику распределения всех ионов данного элемента  по степеням ионизации.  Коды в сочетании с описанием временного хода параметров плазмы позволили провести интерпретацию экспериментальных данных, полученных в пинчевых разрядах, предсказать динамику излучения вблизи 135А  в капиллярном разряде.

8.  Проведен поляризационный анализ линий гелиеподобных ионов при токах разряда 150, 500 кА. Отмечено, что поляризация линий, эмитируемых плотной высокотемпературной плазмой сильноточных разрядов, может быть следствием  как электромагнитных полей,  так и анизотропии функции распределения электронов по скоростям.

9. Проанализированы проблемы поляризационных измерений в нестационарной плазме и показана необходимость проведения  поляризационного анализа с точки зрения уточнения возможностей  применения  существующих методов диагностики плазмы.

10. Разработан рентгеновский спектрополяриметр. Новизна предлагаемого спектрополяриметра состоит в том, что две серии идентичных атомных плоскостей, ориентированные под углом 120 друг к другу,  отражают обе (π и σ)  поляризационные  компоненты.  Если эти плоскости расположены внутри одного кристалла, то реализуется схема идеального рентгеновского спектрополяриметра: обе компоненты поляризации отражаются в перпендикулярных направлениях, с одинаковым коэффициентом отражения и одинаковой эффективностью, которая равна 100% для угла Брэгга  θ В = 45. Так как в основе принципа лежит брэгговское отражение от кристаллов, то поляриметр также служит  и спектрометром.

11. Разработана конструкция капиллярного разряда и показано экспериментально, что капиллярный разряд с электрическими параметрами I = 3.7 кА, U = 8 кВ, C = 1.05 мкФ, Р=0.2 Торр, r=0.05 см (а также Р=2 Торр, r=0.1 см)  является источником излучения в области 135 . Зарегистрированы также спектры разряда в диапазоне 11-600 нм, где представлены переходы в ионах XeVII÷Xe-IX, CuIV÷CuVIII, OII÷OV, AlVI, AlVII. Разряд выдерживает десятки тысяч выстрелов без замены элементов конструкции. Показана эффективность применения  капиллярного разряда для  калибровки и настройки ультрафиолетовых спектрографов, напыление на оптические элементы  при этом несущественно.

12. Разработаны  нуль - мерные 2-температурные  коды для  расчета динамики плазмы в капиллярном разряде, учитывающие поведение 54 ионов  и атома  ксенона в каждый момент времени. Расчеты  подтвердили, что  экспериментально найденные давление и радиус капиллярного разряда  могут обеспечить температуру и плотность  плазмы, необходимые для  генерации  излучения в области 135 .  Проведенные численные исследования  показали, что временной ход  интенсивности  линий эмитируемых вблизи 135 совпадает с формой импульса разрядного тока во времени, а расчетная форма тока разряда  совпадает с экспериментально измеренной.

13. В рамках двухтемпературной  модели описано поведение плазмы при инжекции  нейтрального газа  в токамак, и показано, что инжекция нейтрального аргона может быть использована для ослабления последствий срыва тока или последствий незапланированного выключения токамака в экстренной ситуации.  Отмечено, что падение электронной  температуры Te происходит в результате столкновений горячих электронов плазмы и холодных электронов, поступающих в плазму при ионизации инжектируемого аргона, падение ионной температуры Ti происходит в результате столкновений  горячих ионов и поступающих частиц аргона. Смоделирована динамика нтенсивности свечения  линий гелиеподобного аргона и предложено использовать соответствующие измерения для диагностики параметров плазмы во процессе инжекции.        

Основные положения диссертации содержатся в следующих работах:

1. Баронова Е.О., Ранцев-Картинов В.А., Степаненко М.М., "Применение рентгеновских спектрографов для диагностики быстрых частиц в плазменном фокусе", Физика плазмы,  т.20, №1,  86, 1994.

2. Баронова Е.О., Вихрев В.В., Долгов А.Н., и др., "Исследование поляризации линейчатого рентгеновского излучения многозарядных ионов  микропинчевого разряда", Физика плазмы, т.24, №1, 25,1998.

3. Jakubowski L, Sadowskii M, Baronova E.O., "X-rays and electron beams emission from MAJA-PF device", "J.Tech.Phys", vol.  XXX1X, Spec.Suppl. pp. 91-96,1998.

4. Baronova E., Stepanenko M, Lider V., Miyamoto T, "X-ray  spectrograph for investigation of  plasma radiation  at the range 0.7 keV-200 keV", Journal of Plasma and Fusion Research, vol. 1, 1-3, 1999.

5.  Степаненко М.М., Баронова Е.О., " Спектральное разрешение рентгеновского спектрографа со сферическим кристаллом Иоганссона",  Приборы и техника эксперимента, т. 42, №5,  1,1999.

6. Baronova E.O., Sholin G.V., Jakubowskii L, "Possible mechanisms of polarization of argon lines, emitted from  plasma focus", Journal  of Technical Physics,vol.XL, no1, Warshava 1999, p.157-161.

7. Rosmej F.B., Baronova E.O., Vikhrev V.V., Jakubowski L, Sadowski M, Rosmej O.N, Urnov A.M., "Investigation of non-maxvellian electrons in dense pinching plasmas",  Journal of Technical Physics, vol. XL, no1, pp.153-157, 1999.

8. Вихрев В.В., Баронова  Е.О., "Генерация электронного пучка в Z-пинчевых разрядах", Прикладная физика,1999, вып. 5, p. 71-75.

  1. Baronova E.O., Stepanenko M.M., Lider V.V., Miyamoto T, "X-ray spectrograph for investigation of plasma radiation  at the range 0.7 keV-200 keV", Journal of Plasma and Fusion Research, vol. 1, 1-3, 1999.
  2. Baronova E.O., Sholin G.V., Jakubowski L., "Study of polarized argon lines in plasma focus device", Письма в ЖЭТФ, т.69, № 12, 870, 1999.
  3. Lider V.V., Baronova E.O., Stepanenko M.M.,“Experimental characterization of bent focusing crystals”, Crystallography Reports, vol. 46, no3, pp.341-348, 2001.

12. Jakubowski L, Sadowsk M, Baronova E.O., “Space resolved studies of x-ray specrta within plasma focus system“, Cechoslovac.J.Phys.  Suppl.S3, vol. 50, p.173-178, 2000.

13. Баронова Е.О., Степаненко М.М. «Рентгеновский спектрограф на диапазон длин волн 38.5-400 кэВ»,  Прикладная физика, вып.2, стр.106, 2001.

14. Baronova E.O., Stepanenko M.M., Pereira N.R. ’Cauchois-Johansson X-ray spectrograph for 1.5-400 keV energy range”,  Rev.Sci.Instrum, vol.72, issue2, p.1416(5pgs), 2001.

15. Baronova E.O., Stepanenko M.M., “Spectral resolution  of  Cauchois-Johansson spectrometer.’ Nucleonika”,2001, vol. 46, Suppl.

16.  Kim Dong E, Baronova  E.O., Jakubowski Lech,” Polarization spectroscopy on Laser produced Plasmas and Z-pinch Plasmas”, Journal  of Plasma  Fusion Res, vol.78, No 8 ,745-751, 2002.

16.  Baronova E.O., Stepanenko M.M., Jakubowski Lech, Tsunemi Hiroshi, “Instrumentations in X-ray Plasma Polarization Spectroscopy: Crystal spectrometer, Polarimeter and Detectors for Astronomical Observations”, J.Plasma Fusion Res. vol. 78,No 8, p.759-766, 2002.

17.  Baronova E.O, Stepanenko M.M,”A novel X-ray polarimeter, based on hexagonal crystal, for nuclear fusion experiments’”, Plasma Physics and Controlled Fusion, vol. 45, no7, pp. 1113-1120, 2003.

18.  Baronova E.O., Jakubowski Lech, Sholin G “ Application of X-ray polarization measurements to study plasma anisotropy in plasma  focus machines”, Plasma Physics and Controlled Fusion, vol.45, no7, 1071-1077, 2003.

19.  Jakubowski,L, Sadowski M,Baronova E.,”Polarization of X-ray lines, emitted  from plasma focus discharges, problems of interpretation”, Nuclear Fusion 44/3,395,2004.

20.0Chen, P.Beiersdorfer, E.O.Baronova, I.I.Kalashnikova, M.M.Stepanenko, Rev. Sci. Instr., vol. 75, no 10, pp.3678-3680, 2004.

22.  Баронова Е.О., Гаранин П.Б., Жидков Н.В., Степаненко М.М., Суслов Н.А.,”Экспериментальное исследование пространственной разрешающей способности сферического изогнутого кристалла кварца на рентгеновском излучении с λ=8.42A”, Приборы и техника эксперимента, 2, 139, 2004.

23.  Баронова Е.О., Долгов А.Н., Якубовский Л., ”Исследование поляризации рентгеновского излучения многозарядных ионов в плотной высокотемпературной плазме”, Приборы и техника эксперимента 3,125, 2004.

24. Jakubowski L, Sadowski M, Baronova E, “Temporal  characteristics of  electron beams from plasma focus and their  correlation with highly ionized argon lines”, Chech.Journal of  Plasma Physics” vol.54, 2004, Suppl.C, SPPT2711,C1-C6.

25. Morozov D.Kh., Yurchenko, E.I.,V.E.Lukash, E.O.Baronova, et.al., Mechanizms of disruptions, caused by noble gas injection into tokamak plasmas, Nuclear Fusion.45,pp.882-887,2005.

26.  Baronova E.O., Vikhrev V.V.,  Capillary discharge – modeling of plasma dynamics.  Proc. of 6th Conference on Dense Z-pinches, Oxford, United Kingdom, July 2005, pp. 251- 254.

27. Baronova E.O., Morozov D.Kh., Vikhrev V.V.,  High pressure gas injection in tokamak - modeling of plasma dynamics.  Proc. of  International Conference on research and applications of plasma, PLASMA 2005, Opole-Turawa, Poland, September 2005, pp. 223-226.

28. Baronova E.O.,  Bucher B.,  Haas D., Fedin D.,  Stepanenko A., F.N. Beg, A three-channel x-ray crystal spectrometer for diagnosing high energy density plasmas, Rev. Sci. Instrum, 77, 1, 2006.

  1. Baronova Е.О., Stepanenko М.М., Novel Polarimeter-Spectrometer for X-Rays, in Plasma Polarization Spectroscopy, edited by T. Fujimoto and A. Iwamae, Springer, p.334, 2007.
  2. Baronova E.O., Jakubowski L., X-Ray polarization Measurements, in Plasma Polarization Spectroscopy, edited by T.Fujimoto and A.Iwamae, Springer, p. 327, 2007.
  3. Baronova E.O., Z-pinch Plasmas, in Plasma Polarization Spectroscopy, edited by T.Fujimoto and A.Iwamae, Springer, p. 154, 2007.
  4. Baronova E.O., Stepanenko M.M., Stepanenko A.M. ‘X-Ray Spectrompolarimeter,  Rev.Sci.Instrum. 79,1,2008.
  5. Morozov D.Kh., Baronova E.O., Senichenkov I.U.,  Impurity radiation in tokamak plasma, Plasma Physics reports, vol. 33, no11, p. 906, 2007.
  6. Баронова Е.О., Степаненко М.М., Рентгеновский спектрополяриметр, патент на изобретение РНЦ КИ №2322684, Бюл.№11, 20.04.2008.
  7. Baronova E.O., Sholin G.V., Vikhrev V.V., Jakubowski L., The influence of the Shtark effect on the shape of He-like argon lines in dense plasma, Proc. of Plasma 2007, edited by H.J.Hartfuss, T. Musielok, M.Dudeck, M. Sadowski, AIP Proc. P.271, 2008.
  8. Baronova E.O.,Vikhrev V.V., Morozov D.Kh., Time-resolved intensity of ArXXVII resonance line for plasma diagnostics during high pressure gas injection, Proc. of Plasma 2007, edited by H.J.Hartfuss, T. Musielok, M.Dudeck, M. Sadowski, AIP Proc. P.263, 2008.
  9. Haas D,  Bott S.C.,V. Vikhrev V.V.,  Eshaq Y., U. Ueda, T. Zhang, Baronova E.O.,  Krasheninnikov S.I., F. N. Beg, Dynamics of low density coronal plasma in low  current X-Pinches, Plasma Physics and Controlled Fusion,49, P.1151, 2007.
  10. Hassan M,  Clark L., Androulakis C., Petridis, A. Gopal, S. Minardi, J. Chatzakis, E. Tzianaki, M. Bakarezos, N.A. Papadogiannis,  Baronova E.O., Vikhrev V.V., P. Lee, Spectroscopic investigation of radiation of low current X-pinch,

35th EPS Conference on Plasma Phys. Hersonissos, 9 - 13 June 2008 ECA Vol. 32, P-2.148, 2008.

M.

 



© 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.