WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1997, том 67, № 11 05;07;10;12 Определение профиля энерговыделения мощного электронного пучка в аэрогеле ©Б.А. Демидов1, М.В. Ивкин1, И.А. Ивонин1, В.А. Петров1, В.П. Ефремов2, В.Е. Фортов2, Н. Килер3 1 Российский научный центр ”Курчатовский институт”, 123182 Москва, Россия 2 Научно-исследовательский центр теплофизики импульсных воздействий РАН, 111250 Москва, Россия 3 KAMAN Diversifies Technologies Corporation, USA (Поступило в Редакцию 6 июня 1996 г.) С помощью оптических методов исследована динамика взаимодействия сильноточного электронного пучка с аэрогелем (авсокопористым прозрачным диэлектриком с малой плотностью = 0.36 g/cm3). Измеренный профиль свечения аэрогеля и картина его разлета сравниваются с результатами численного моделирования.

Обсуждается влияние объемного электрического заряда на профиль поглощения энергии сильноточного релятивистского электронного пучка.

Введение электронов в близком к аэрогелю по атомному номеру алюминия.

В нашей работе мы исследовали до сих пор мало изВ последнее время появились сообщения о разработке ученные и неясные вопросы. Экспериментально зарегипористого прозрачного диэлектрика аэрогель [1], обладастирована эволюция объемного свечения зоны поглощеющего низкой плотностью 0.01-0.36 g/cm3 и кластерной ния энергии при различных режимах облучения мишени.

структурой. Это уникальное вещество благодаря своей Сравнение полученных экспериментальных результатов прозрачности, низкой плотности, высокой пористости и с расчетными позволило проверить ряд гипотез: о влиямалому зарядовому числу позволяет оптическими спосонии объемного заряда на формирование в диэлектрике бами исследовать процессы проникновения и (поглоще(пористом) зоны энерговыделения, о влиянии на свения) электромагнитного и корпускулярного излучения в тимость зоны энерговыделения изменения пористости.

диэлектриках.

Аэрогель — материал с кластерными свойствами и Наиболее просто импульсное излучение со сравниего уравнение состояния должно это отражать [7,8].

тельно большой глубиной проникновения можно полуВизуальное наблюдение разлета аэрогеля позволило нам чить с помощью электронного ускорителя. Поэтому нами численно оценить параметры уравнения состояния этого был использован импульсный релятивистский сильнокластерного материала.

точный электронный ускоритель ”Кальмар” [2].

Разумеется, основные положения поглощения электронного излучения в веществе являются хорошо и 1. Описание опыта давно исследованными. Основным механизмом поглощения электронного пучка с энергиями электронов Нами был поставлен эксперимент по оптической E < 500 keV в твердом теле является кулоновское регистрации поглощения импульсного сильноточного рассеяние. При этом, согласно работе [3], в веществе с электронного пучка с энергией электронов U0 = малым Z две трети энергии пучка переходят в энергию 200-290 keV, током I = 10-20 kA, длительностью возбуждения связанных электронов (возбуждение ато- T 150 ns в аэрогеле с плотностью = 0.36 g/cm3.

мов), а оставшаяся часть энергии идет на ионизацию. Схема эксперимента представлена на рис. 1. ВыПористость аэрогеля приводит к большому отношению ходная часть ускорителя ”Кальмар” [2], включающая поверхности к объему, что в свою очередь повышает корпус 1, выходной коаксиальный трансформатор 2, эффективность свечения. Поглщение электронов с энер- диэлектрическую разделительную диафрагму 3 икатод4, гиями E < 1 MeV хорошо описывается уже в диффузион- соединялась с вакуумной камерой 7, в которую поменом приближении [4]. В этом приближении зависимость щался исследуемый образец аэрогеля [6]. При облучепрофиля энерговыделения от глубины проникновения, нии образца аэрогеля пучком электронов 5 возникала нормированной на длину пробега первичного электро- вспышка света, которая выходила через окошко 8 и на Re, не зависит от энергии электрона. Положение попадала на объектив 9 с фокусным расстоянием 0.65 m максимума энерговыделения в аэрогеле Xmax 0.6mm и относительным отверстием 1 : 6. С помощью попри E = 290 keV ( Z = 11), а глубина проникновения воротного устройства 10, состоящего из двух призм, Re 2 mm. Эти данные с точностью 10-20% со- изображение зоны энерговыделения электронного пучка гласуются с результатами численных расчетов методом в аэрогеле поворачивалось на 90 в горизонтальной Монте-Карло [5] и экспериментами [6] по поглощению плоскости и на 90 в вертикальной плоскости, проходило Определение профиля энерговыделения мощного электронного пучка в аэрогеле металлической подложке, попадал электронный пучок диаметром 10 mm. Характерные осциллограммы тока и ускоряющего напряжения ускорителя приводятся на рис. 2.

Полученные в экспериментах фотохронограммы обрабатывались с помощью микрофотометра ИФО-451.

Зависимость плотности почернения фотопленки от экспозиции определялась с помощью оптического клина.

В отдельных опытах оптическое изображение образца аэрогеля фокусировалось на входную щель ФЭР-1 таким образом, что можно было наблюдать разлет аэрогеля навстречу электронному пучку. Однако в этом случае регистрируемая глубина свечения аэрогеля не могла превышать 1.6 mm.

2. Экспериментальные результаты На рис. 3 представлена фотохронограмма, соответствующая условиям опыта, позволяющим наблюдать Рис. 1. Схема эксперимента.

разлет аэрогеля. Электронный пучок распространяется сверху вниз. Использовалась развертка на ФЭР-0.25 µs/cm. На рис. 3 видно, что глубина зоны энерговыделения увеличивается со временем, достигая 1.6 mm в области максимального ускоряющего напряжения, а затем уменьшается в соответствии с падением ускоряющего напряжения. В правой верхней части рисунка видна картина разлета аэрогеля после воздействия электронного пучка. Угол разлета составляет 60, что соответствует скорости разлета 7-8km/s.

На рис. 4 приводится зависимость интенсивности излучения аэрогеля по длине зоны энерговыделения в четыре разных момента времени от начала появления ускоряющего напряжения: t1 = 80 ns; t2 = 140 ns;

t3 = 170 ns; t4 = 200 ns (кривые 1–4 соответственно).

Эти моменты времени соответствуют ускоряющим напряжениям V1 = 220 kV; V2 = 290 kV; V3 = 250 kV;

Рис. 2. Осциллограммы тока и напряжения ускорителя ”Кальмар”.

вертикальную цилиндрическую линзу 11 и попадало на вертикальную щель 12 фотохронографа ФЭР-1 13. Прибор ФЭР-1 в силу своей конструкции (отсутствие электронного усилителя) обеспечивал высокую линейность передачи свечения аэрогеля. Развернутое во времени изображение процесса взаимодействия электронного пучка с аэрогелью регистрировалось на фотопленке Кодак 14.

Поскольку ожидаемая глубина зоны энерговыделения составляла 2.0 mm, а высота входной щели ФЭР-1 равнялась 10 mm, то с целью максимального геометрического разрешения оптическое увеличение было выбрано равным 4. Оптическое разрешение всей системы регистрации, проверенное с помощью миры, было не хуже 0.1 mm по аэрогелю. Исследовались образцы аэрогеля размером 20 14 mm, толщиной 5 mm с полированными стенками. На образец аэрогеля, размещенный на заземленной Рис. 3. Фотохронограмма нормального режима.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 28 Б.А. Демидов, М.В. Ивкин, И.А. Ивонин, В.А. Петров, В.П. Ефремов, В.Е. Фортов, Н. Килер геля лежит в области 0.6 mm. При ускоряющем напряжении V1 = V4 = 230 kV глубина зоны энерговыделения не превышает 1.5 mm.

Рассматривая кривые на рис. 4 и 6, можно заметить, что эти кривые отличаются от классической кривой энерговыделения, описывающей профиль поглощения энергии пучка моноэлектронов в веществе. В экспериментальных кривых нарастание интенсивности свечения происходит гораздо более плавно, чем в кривой энерговыделения, практически сразу начинающейся с ненулевого значения.

Было выдвинуто соображение, что это обусловлено оптическим размытием изображения зоны энерговыделения светосильным объективом с относительным отверРис. 4. Интенсивность свечения аэрогеля в нормальном стием 1 : 6 (позиция 9 на рис. 1), не обеспечивающим режиме в четыре момента времени.

необходимую глубину резкости и дифракционным размытием изображения краем ”диафграмы”.

Дифракционное размытие изображения краем ”диаV4 = 220 kV и токам I1 = 5kA, I2 = 14 kA, I3 = 11 kA, фрагмы” оценивается как L0/ 0.1mm (L0 — I4 = 6kA.

характерное расстояние от края ”диафрагмы” до образца Четко регистрируется уменьшение глубины зоны энер- аэрогеля) [9]. Дифракционное размытие от объектива с говыделения, а также перемещение максимума в левую относительным отверстием 1 : 6 на порядок меньше.

сторону с уменьшением ускоряющего напряжения. МакРасчеты, приведенные в соответствии с [9], показали, симальная интенсивность свечения достигается на глучто с помощью объектива с относительным отверстибине 0.6 mm (при V2 = 290 kV). Причем интенсивность свечения аэрогеля пропорциональна току электронного пучка.

С целью более точного определения глубины зоны энерговыделения последующие эксперименты были выполнены при такой геометрии опыта, когда на щель ФЭР-1 попадала область аэрогеля, перекрывающая не менее 2 mm глубины образца. Разлет аэрогеля при этом не регистрировался.

Пропорциональная зависимость интенсивности свечения аэрогеля от тока электронного пучка при неизменном ускоряющем напряжении подтверждается в прямых опытах, где наблюдается срыв тока ускорителя.

Такой режим работы ускорителя иллюстрируют осциллограммы, приведенные на рис. 5, a. Соответствующая фотохронограмма, имеющая характерные особенности, представлена на рис. 5, b. Видно, что в нижней части фотографии имеются два пика интенсивности, расстояние между которыми по времени составляет 50 ns, что соответствует тем же 50 ns между максимумами тока на осциллограмме рис. 5, a.

На рис. 6 показана зависимость интенсивности свечения аэрогеля по длине зоны энерговыделения в четыре разных момента времени: t1 = 70 ns, t2 = 85 ns, t3 = 130 ns, t4 = 160 ns (кривые 1–4 соответственно), наблюдавшихся в режиме срыва тока. Из осциллограммы рис. 5, a следует, что этим моментам времени соответствуют следующие величины ускоряющего напряжения V1 = 230 kV, V2 = 290 kV, V3 = 290 kV, V4 = 230 kV и токи I1 = 12 kA, I2 = 20 kA, I3 = 16 kA, I4 = 8kA.

На рис. 6 видно, что при ускоряющем напряжении Рис. 5. Осциллограммы тока и напряжения ускорителя ”КальV = 290 kV глубина зоны энерговыделения достигамар” в режиме срыва тока (a) и фотохронограмма режима со ет 2.0 mm, а максимум интенсивности излучения аэро- срывом тока (b).

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Определение профиля энерговыделения мощного электронного пучка в аэрогеле ем 1 : 6 и при глубине резкости 10 mm размытие фокусировки в области аэрогеля составляет 0.2 mm. Поэтому эксперименты были повторены с тем же объективом, но с относительным отверстием 1 : 21.

Применение объектива с таким относительным отверстием позволяет в 3 раза улучшить сфокусированность на фотохронографе объемной зоны энерговыделения, но зато более чем в 10 раз ослабляет интенсивность света, попадающего на входную щель ФЭР-1.

Из-за нехватки интенсивности света была использована более медленная развертка и получены слабо развернутые во времени картины свечения зоны энерговыделения.

Рис. 8. Интенсивность свечения аэрогеля на медленной развертке (интегральная).

Как пример таких картинок на рис. 7 показаны три режима облучения аэрогеля электронным пучком: a — Vmax = 240 kV, Imax = 11 kA; b — Vmax = 290 kV, Imax = 13 kA; c — Vmax = 290 kV, Imax = 20 kA при максимальном ускоряющем напряжении V = 290 kV (электронный пучок распростарняется сверху вниз).

не изменилась и составляет 2.0 mm. При максимальном На рис. 8 представлены результаты фотометрирования ускоряющем напряжении V = 240 kV, Re 1.6 mm, негативов рис. 7. Фотометрирование производилось Xmax = 0.35-0.4 mm. Сравнивая рис. 8 и 4, можно сверху вниз. Кривые 1–3 соответствуют режимам a–c на заметить также, что кривые рис. 8 правее максимума рис. 7.

более вогнутые, чем на рис. 4. Все это объясняется тем, Видно, что интенсивность излучения аэрогеля нарачто кривые рис. 8 являются фактически интегральными стает более резко с увеличением глубины L (в отличие и в интенсивность свечения вносят вклад не только элекот рис. 4), максимум интенсивности переместился в троны с максимальными энергиями, соответствующими область 0.4-0.5 mm. Глубина зоны энерговыделения Re максимальному ускоряющему напряжению Vmax, но и электроны с энергией E < Vmax.

В дополнительных экспериментах, выполненных с более широкими образцами аэрогеля, было обнаружено, что форма кривой интенсивности излучения широких образцов аэрогеля не изменилась по сравнению с кривыми рис. 8, лишь уменьшилась интенсивность свечения.

Это говорит о том, что рассеяние фотонов в аэрогеле вносит малый вклад в размытие регистрируемого профиля интенсивности свечения.

3. Обсуждение экспериментальных результатов Рис. 6. Интенсивность свечения аэрогеля в режиме срыва тока в четыре момента времени.

Наиболее убедительно выглядит корреляция интенсивности и глубины свечения с амплитудами тока и ускоряющего напряжения электронного пучка.

Как показывают приведенные ниже численные расчеты, глубина интенсивности свечения практически совпадает с расчетной глубиной зоны энерговыделения электронного пучка. Это свидетельствует о малом влиянии объемного заряда поглощаемого электронного пучка на формирование зоны энерговыделения.

На малую инерционность свечения указывает удивительно хорошая корреляция развернутых во времени профилей свечения и осциллограмм тока и напряжения как в нормальном режиме работы ускорителя, так и в режиме срыва тока. Это подтверждает уверенность в том, что свечение вызвано именно поглощением электронов, происходящих за время менее чем 10-10 ns [10].

Рис. 7. Фотохронограммы на медленной развертке.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 30 Б.А. Демидов, М.В. Ивкин, И.А. Ивонин, В.А. Петров, В.П. Ефремов, В.Е. Фортов, Н. Килер В каждом эксперименте наблюдалась практически пол- 4. Численное моделирование ная пропорциональность интегральной интенсивности свечения и амплитуды тока, полученная при равных уско- Для сравнения экспериментальной регистрируемой кривой свечения и теоретической интенсивности энергоряющих напряжениях в начальный и конечный моменты выделения нами были произведены численные расчеты.

облучения кривые 2, 3 на рис. 8. Это свидетельствует о При расчете оптического искажения регистрируемого незначительности влияния изменения теплофизических свечения учитывалось как геометрическое (расфокусихарактеристик аэрогеля (прежде всего пористости и плотности) на свечение зоны энерговыделения. Поэто- ровка), так и дифракционное размытие на краю ”диафрагмы” и на объективе.

Pages:     || 2 |



© 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.