1. Постановка задачи

Целью исследований, проводимых в лаборатории физики плазмы Российского университета дружбы народов совместно с коллегами из РНЦ «Курчатовский институт» в рамках российских и международных научно исследовательских проектов, является изучение фундаментальных свойств и особенностей магнитоактивной плазмы в условиях резонансного взаимодействия волна-частица.

Одним из прикладных направлений проводимых исследований является создание нового поколения компактных, экономичных источников рентгеновского излучения с перестраиваемым спектром. Такие источники будут обладать рядом преимуществ над традиционно используемыми в силу своей малой энергоемкости, отсутствия высокого напряжения, малых размеров и широкой управляемости спектром излучения и его характеристиками. Особенно привлекательными эти устройства оказываются при применении постоянных магнитов, в результате чего они становятся более компактными и функциональными.

Данная работа посвящена изучению процесса генерации горячей электронной компоненты плазмы, удерживаемой в зеркальной магнитной ловушке в условиях электронного циклотронного резонанса. Основной целью работы являлось определение условий генерации «горячих» электронов.

Важными параметрами создаваемой плазмы являются электронная температура, концентрация электронов и ионов, а также распределение электронов по энергиям, которые могут быть определены по спектрам тормозного излучения в рентгеновском диапазоне длин волн.

Целью данной работы является создание алгоритма для определения параметров высокотемпературной компоненты плазмы с учетом всех необходимых условий и ограничений, в которых проводится эксперимент. Применение разработанных алгоритмов с целью изучения поведения параметров высокотемпературной компоненты в зависимости от поддерживаемого давления р, и расстройки поля ловушки (β = В/В_о по отношению к условию классического резонанса (Во = 852 Гс - значение индукции магнитного поля, соответствующего классическому значению ЭЦР в центре ловушки).

Разработанный программно-аппаратный комплекс будет являться частью системы, включающей в себя физическую установку для генерирования рентгеновского излучения с перестраиваемым спектром, автоматизированные системы управления физическим стендом и системы сбора данных, регистрируемых с датчиков и детекторов.

2. Описание решения.

Рис.1. Блок-схема экспериментальной установки:

ТЕ in резонатор, магнетрон с водяным охлаждением (до 1 кВт), SmCo5 постоянными магнитами (пробочное отношение -1.05 - 1.15); детектор ВЧ; (№1(Т1))детектор.

Рентгеновская диагностика проводилась в различных направлениях по отношению к вектору напряженности магнитного поля с помощь сцинтиллятора Nal(TI), 24×24, с энергетическим разрешением по - линии (59.65 кэВ) Ат-241 - 16%, эффективность регистрации - 92 % для энергий не свыше 30 кэВ. Блок регистрации был снабжен коллимирующей системой для исключения регистрации излучения со стенок камеры резонатора (рис.2).

Рис.2 Схема подключения детектора рентгеновского излучения.

Сигнал с детектора рентгеновского излучения поступал на цифровой осциллограф Nl PXI-5122, где он оцифровывался и анализировался специальным программным обеспечением.

На рисунке 3 представлена типичная гистограмма тормозного излучения из плазмы разряда (без мишени и без учета излучения со стенок)

Рис.3

Обработанный рентгеновский спектр в полулогарифмическом масштабе представлен на рис.4.

Рис.4

Данные спектрометрических измерений были обработаны по известному алгоритму [1] (наклон касательной в полулогарифмической шкале). Зависимости электронных температур горячей компоненты от давления рабочего газа и расстройки магнитного поля представлены на рис.5.

Рис.5

Рассчитанные нами зависимости концентрации плазмы от давления рабочего газа для различных β по методу описанному в [1] представлены на рис.6.

Рис.6.

Еще одной важной характеристикой является интегральная мощность рентгеновского излучения. Получены следующие зависимости для Q_int от давления при разных β

Рис.6 Зависимость интегральной мощности рентгеновского излучения от давления.

Важной характеристикой плазмы является распределение высокоэнергетичных электронов плазмы по энергиям f(E), E -энергия электронов. При высоких энергиях электронов источником такой информации является спектр тормозного рентгеновского излучения I(К), К-энергия фотонов. Спектр I(К) снимается с помощью детектора рентгеновского излучения, имеющего нелинейную аппаратную функцию и с помощью анализатора импульсов трансформируется в гистограмму Р(К'), К-канал анализатора, соответствующий энергии К. Поэтому вопрос заключается в том как получить f(E) из измеренного и сохраненного в памяти анализатора спектра Р(К’). Это можно осуществить с помощью существующих методов, для этого необходимо решить интегральное уравнение Фредгольма первого рода [3].

Однако этот метод решения является неустойчивым, поэтому дает лишь качественные результаты для f(E). Конечно, существуют и другие методы определения функции распределения электронов по энергиям. Например, метод деконволюции спектров тормозного излучения предложенный в [2].

Деконволюция Р(Кв f(E) должна происходить в два этапа:

1) корректировка с учетом нелинейного отклика детектирующей системы

2) нелинейная зависимость сечения тормозного излучения от энергий электронов и фотонов

Рис. 7 Функция распределения электронов f(E) в относительных единицах и полулогарифмической шкале (L=88, p=6,56·10^-5 Торр).

Рис. 8 Функция распределения электронов f(E) в относительных единицах и полулогарифмической шкале (L=88, p=3,95·10^-5 Торр).

Были получены следующие функции распределения электронов для Рис.9

Функция распределения электронов f(E) в относительных единицах и полулогарифмической шкале (L=88, p=1,18-10^-4 Торр) представлена на рис.9.

3. Используемое оборудование и ПО.

Обработка данных и контроль процессов производится с помощью промышленного компьютера PXI.

Для обработки данных поступающих с детектора рентгеновского излучения используется цифровой осциллограф Nl PXI-5122. ПО разработанное в среде LabVIEW выполняет функции анализатора импульсов.

Цифровой мультиметр, установленный в промышленный компьютер PXI измеряет давление в рабочей камере используя выход ВИТ-3, предназначенный для вывода текущего давления на самописец.

Управление шаговым двигателем натекателя СНА-2 осуществлялось посредством платы NI PXI-7344 и усилителя мощности.

Алгоритмы математической обработки результатов были реализованы в среде LabVIEW.

4. Внедрение и развитие решения.

В дальнейшем планируется развить данную методику определения функции распределения электронов, используя данный метод в сопряжении с методом регуляризации предложенным в [3] с одновременным поиском других возможных решений. Также планируется использовать оборудование, дающее более высокое энергетическое разрешение. Это позволит создать полный программно-аппаратный комплекс для определения параметров плазмы при ЭЦР нагреве, использующегося в перестраиваемом источнике рентгеновского излучения, а значит определить идеальные параметры для работы установки.

Список литературы

1. М. Hohl, P. Wurz, P. Bochsler. Investigation of the density and temperature of electrons in a compact 2.45 GHz electron cyclotron resonance ion source plasma by x-ray measurements. Plasma Sources Science and Technology 14 (2005) 692-699

2. K. Bernhardi, An improved deconvolution 'method for bremsstrahlung spectra from hot plasmas. Computer Physics Communications 19 (1980) 17-21

3. A.H. Тихонов, В.В.Аликаев, В.Я. Арсенин и др., Определение функции распределения электронов плазмы по спектру тормозного излучения. Журнал экспериментальной и теоретической физики, Вып. 5(11), 1968

4. S.V. Deshmukh, Design calculations for soft X-ray electron temperature diagnostic system, Physical Research Laboratory Ahmedabad 380 009 India.

5. В. В. Андреев, А. М. Умнов, А. А. Балмашнов, Г. В. Никитин, В. Ю. Саванович, «ЭЦР плазма как источник рентгеновского излучения: эксперимент и численное моделирование», Известия РАН, №9, стр.1314-1321,2003 г.