Najważniejsze wyniki niniejszej rozprawy doktorskiej można podsumować w następujący sposób:
1. Przedstawiono analizę dotychczasowego stanu wiedzy nad badaniami gorącej plazmy i realizacją reakcji syntezy jądrowej w warunkach laboratoryjnych, ze szczególnym uwzględnieniem układów typu Plasma-Focus.
2. Scharakteryzowano emisję jonów, elektronów i promieniowania widzialnego podczas wyładowania Plasma-Focus i podsumowano wyniki wcześniejszych badań eksperymentalnych.
3. Sformułowano główną tezę niniejszej rozprawy stwierdzając, że „pomiary wiązek jonowych i elektronowych emitowanych podczas wyładowań Plasma-Focus z wykorzystaniem kamer otworkowych i spektrometrów energetycznych pozwalają wnioskować o wewnętrznej strukturze kolumny plazmowej (pinchu) i położeniach źródeł szybkich jonów”. Określono także szczegółowe zadania badawcze, w ramach których zaplanowano pomiary wiązek jonowych i elektronowych emitowanych podczas wyładowania Plasma-Focus oraz porównanie otrzymanych rezultatów z wynikami symulacji ruchu jonów w otoczeniu struktur plazmowych w kolumnie pinchu.
4. W rozdziałach czwartym i piątym rozprawy podano szczegółowy opis układów eksperymentalnych PF-360 i PF-1000, a także metod i urządzeń pomiarowych stosowanych przy badaniach wiązek jonowych, elektronowych i promieniowania widzialnego z plazmy wytwarzanej we wspomnianych urządzeniach.
5. W kolejnej części pracy zawarto wyniki badań przeprowadzonych w NCBJ w Świerku oraz w IFPiLM w Warszawie w latach 2009 – 2014, przy dużym współudziale autora rozprawy. W szczególności, w badaniach dotyczących wiązek jonowych i elektronowych udział autora rozprawy w wykonaniu pomiarów i ich analizie wynosił 20-60%. Natomiast w badaniach promieniowania widzialnego emitowanego podczas wyładowań typu Plasma-Focus - wkład autora wynosił 20-30%. Pomiary jonowe przeprowadzone zostały za pomocą kamer otworkowych wyposażonych w detektory śladowe typu PM-355, lub w miniaturowe scyntylatory plastikowe. Wykorzystanie spektrometru Thomsona umożliwiło pomiar widm
117
energetycznych oraz określenie momentu generacji rejestrowanych jonów.
Charakterystykę wiązek elektronowych określono posługując się spektrometrem magnetycznym bądź też monokrystalicznymi płytkami krzemowymi, które autor umieszczał na drodze badanych wiązek. Widma optyczne plazmy podczas swobodnej propagacji lub podczas oddziaływania z tarczami zmierzono w różnych chwilach po początku wyładowania, wykorzystując spektrometr optyczny typu Mechelle®900.
6. Na podstawie pomiarów wiązek jonowych wykonanych za pomocą kamer wyposażonych w detektory śladowe stwierdzono, że jony emitowane są z kolumny plazmy oraz z obszaru między elektrodami. Zarejestrowane obrazy mają kształt najczęściej kolisty i składają się z wielu mikro-wiązek. Największą intensywność jonów zaobserwowano w centrum obrazu. Bardzo istotne było wykazanie, że jony emitowane są pod różnymi kątami do osi symetrii, w tym również w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu warstwy prądowej.
7. Wykorzystanie spektrometru typu Thomsona umożliwiło wyznaczenie energii rejestrowanych deuteronów i protonów docierających do detektora. Zawiera się ona w granicach 100 keV – 1 MeV w zależności od warunków wyładowania. Ważnym wynikiem pomiarów rozwiniętych w czasie było wykazanie dobrej korelacji między momentem emisji twardego promieniowania X, a momentem emisji deuteronów o energiach do ok. 200 keV z wyładowań Plasma-Focus.
8. Wykonane pomiary wiązek elektronów wykazały, że elektrony poruszające się w kierunku ujemnej osi Z posiadały energie w przedziale 50–500 keV. Bardzo ważnym wynikiem eksperymentalnym było zarejestrowanie wiązek elektronowych emitowanych w kierunku ruchu warstwy prądowej, w których elektrony miały energie do ok. 200 keV. Struktura wiązek elektronowych zbadana została za pomocą monokrystalicznych płytek krzemowych umieszczonych na drodze wiązki.
Modyfikacje i przetopienia powierzchni tych płytek potwierdziły występowanie niejednorodności strumienia elektronów, który zwykle składa się z wielu mikro-wiązek.
9. Pomiary widm optycznych umożliwiły wyznaczenie zmian koncentracji elektronowej swobodnych strumieni plazmy w zależności od czasu i odległości punktu pomiarowego od czoła elektrod układu PF-1000. Obliczona koncentracja elektronowa plazmy wynosiła od 0,5×1018 do 3,5×1018 cm-3. Były to wielkości
118
porównywalne z wartościami koncentracji wyznaczonymi innymi metodami, np.
metodą interferometrii laserowej.
10. Ważnym osiągnięciem autora dysertacji było samodzielne przeprowadzenie numerycznej symulacji ruchu jonów w kolumnie plazmowej wyładowania PF.
Autor zastosował model jednocząstkowy z uwzględnieniem hamowania jonów w plazmie. Obliczenia zostały przeprowadzone przy założeniu złożonej struktury kolumny pinchu, biorąc pod uwagę różne energie oraz miejsca generacji jonów.
Wyniki przeprowadzonych obliczeń pokazały, że rozpatrywane struktury plazmowe mają istotny wpływ na rozkład jonów emitowanych z plazmy, a tym samym na obrazy rejestrowane kamerami jonowymi. Deuterony o niższej energii początkowej (200 keV) w układzie równoległych filamentów tworzą zbieżną wiązkę, natomiast w układzie filamentów o kształcie parabolicznym tworzona wiązka jest skierowana w jedną stronę. Jony o wyższej energii (700 keV) tworzą wiązki rozbieżne w obu wypadkach. W układzie filamentów parabolicznych powstająca wiązka jest bardziej symetryczna niż w układzie filamentów prostych.
Reasumując powyższe wyniki można stwierdzić, że osiągnięty został główny cel rozprawy. W szczególności autor wykazał, że wyniki pomiarów wiązek jonowych i elektronowych w układzie PF-1000 (na podstawie przeprowadzonych symulacji numerycznych) można wytłumaczyć istnieniem złożonej (włóknistej) struktury kolumny pinchu, w której na skutek niestabilności tworzą się lokalne źródła (mikro-diody plazmowe) emitujące wiązki wysokoenergetycznych jonów i elektronów (w różnych kierunkach).
Biorąc pod uwagę opisane rezultaty badań można jednak wnioskować, że potrzebne są dalsze badania emisji jonowej i elektronowej z wyładowań Plasma-Focus.
W szczególności należałoby przeprowadzić bardziej szczegółowe symulacje ruchu jonów lub elektronów w polu wytworzonym przez układ filamentów prądowych, biorąc pod uwagę większą liczbę cząstek oraz posługując się modelem fizycznym bardziej złożonym niż zastosowany model jednocząstkowy.
Na koniec należy dodać, że najważniejsze rezultaty badań opisane w niniejszej rozprawie były już prezentowane na międzynarodowych konferencjach i szkołach dotyczących fizyki plazmy. Wybrane wyniki zostały przedstawione w kilku pracach, których współautorem był autor rozprawy i które zostały już opublikowane w recenzowanych czasopismach naukowych [48,76,86-88].
119
Spis literatury
1. Z. Celiński, Plazma, PWN Warszawa 1980
2. D. A. Frank-Kamieniecki, Wykłady z fizyki plazmy, PWN Warszawa 1968 3. J. G. Linhart, Fizyka plazmy, WNT Warszawa 1963
4. J.D. Huba, NRL Plasma Formulary, Office of Naval Research, 2011 5. A.G. Peeters, The physics of fusion power, Warvick 2008
6. V. Raspa, F. Di Lorenzo, et. al, Plasma focus based repetitive source of fusion neutrons and hard x-rays, PMC Physics A Vol. 2 No 5 (2008)
7. D. Steiner, E. Cheng, et. al. The Aries fusion neutron-source study, UC San Diego Report UCSD-ENG-0083 (2000).
8. E. Rebhan, G. Van Oost, Thermonuclear Burn Criteria, Fusion Sci. Technol. Vol.
53 No 2T (2008) 16 9. http://www.efda.org
10. B. C. Maglich, R A. Miller, Generalized criterion for feasibility of controlled fusion and its application to non ideal dd systems, J. Appl. Phys. Vol. 46 No 7 (1975) 2915
11. S. Atzeni, J. Meyer-ter-Vehn, The physics of inertial fusion, Oxford University Press 2004
12. S. Pfalzner. An Introduction to Inertial Confining Fusion, CRC Press, Taylor &
Francis Group, London 2006 13. R. Fitzpatrick, Plasma Physics,
http://farside.ph.utexas.edu/teaching/plasma/Plasmahtml/Plasmahtml.html 14. https://www.ipp.mpg.de/16900/w7x
15. http://science.howstuffworks.com/fusion-reactor.htm 16. B. F. McMillan, Physics of Fusion Power,
http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/physics/current/teach/module_home/px438 17. M. J. Sadowski, M. Scholz, Important issues in high-current z-pinch type
discharges, Nukleonika Vol. 57 No 1 (2012) 11-24
18. J. W. Mather, Methods of Experimental Physics, Academic Press New York 1971 19. N. V. Filippov, T. I. Filippova, V. P. Vinogradov, Плотная
высокотемпературная плазма в области нецилиндрической кумуляции z-пинча, 1962 Nucl. Fusion Suppl. Pt.2, 577-588
120
20. A. Bernard, H. Bruzzone, P. Choi, et al. Scientific status of plasma focus research.
J. Moscow Phys. Soc. Vol. 8 (1998) 93-170
21. V. Tang, M. L. Adams, B. Rusnak, Dense Plasma Focus Z-pinches for High Gradient Acceleration, 36th International Conference on Plasma Science, San Diego 2009
22. R. Gullickson, W. L. Pickles, D. F. price et al. Ion beam production in the plasma focus device, Technical Report UCRL, LLNL 1979
23. L. Bertalot, H. Herold, U. Jager, et. al. Mass and energy analysis and space-resolved measurements of ions from plasma focus devices, Phys. Lett. Vol. 79A (1980) 389
24. H.R. Yousefi, J.I. Sakai, H. Ito, et al. A new ion acceleration mechanism in Z-pinch discharges of a plasma focus device, Ir. Phys. J. Vol. 1-2 (2007) 31-34 25. A. V. Gurewicz, K. P. Zybin, Runaway breakdown and electric discharges in
thunderstorms, Phys.-Usp. Vol. 44 No 11 (2001) 1119
26. E. Fermi, On the Origin of the Cosmic Radiation, Phys. Rev. Vol. 75 No 8 (1949) 1169
27. L. Jakubowski, M. Sadowski, J. Żebrowski, Measurements of charged particle beams from plasma focus discharges, Nucl. Fusion Vol. 41 (2001) 755
28. E.Składnik-Sadowska, J.Baranowski, K.Czaus, et al, Time-resolved
measurements of spectral lines emission from deuterium discharges in PF-360 device, 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., St. Petersburg, 7-11 July 2003 ECA Vol. 27A (2004) P-1.57
29. E. Składnik-Sadowska, M. J. Sadowski, K. Malinowski, et al. Optical
Spectroscopy with high temporal resolution within PF-1000 facility, Czech. J.
Phys. Vol. 54 Suppl. C (2004) C250-C255
30. J. Zebrowski, M. J. Sadowski, K. Czaus, et al. Peculiar features of plasma-focus discharges within PF-360 facility, Czech. J. Phys. Vol. 54 No 6 (2004) 643 31. M. Kubkowska, K. Jakubowska, E. Składnik-Sadowska, et. al, Spectroscopic
investigation of PF-1000 discharges under different experimental conditions, Probl. Atom. Sci. Technol., Series Plasma Phys. Vol. 16 (2010) 202-204 32. K. Jakubowska, Metody emisyjnej spektroskopii optycznej w zastosowaniu do
badań gorącej plazmy w układach typu tokamak i Plasma-Focus, praca doktorska, IFPiLM Warszawa 2012
121
33. A. Bartecka, Pomiar i interpretacja kształtów linii widmowych formowanych w plazmie łukowej zawierającej atomy lekkich pierwiastków, Praca doktorska, UJ Kraków 2011
34. J. Cooper, Plasma spectroscopy, Rep. Prog. Phys. Vol. 29 (1966) 35-130
35. H. R. Griem, Spectral line broadening by plasmas, Academic Press London 1974 36. A. Mozer, M. Sadowski, H. Herold, H. Schmidt, Experimental studies of fast
deuterons, impurity- and admixture-ions emitted from a plasma focus, J. Appl.
Phys. Vol. 53 No 4 (1982) 2959-2964
37. S. Lee, S. H. Saw, Plasma focus ion beam fluence and flux — Scaling with stored energy, Physics of plasmas Vol. 19 (2012) 112703
38. V. A. Gribkov, Current and Perspective Applications of Dense Plasma Focus Devices, 17th IAEA Technical Meeting on Research Using Small Fusion Devices, 22-24 X 2007 Lisbon, Portugal
39. L. Bertalot, H. Herold, U. Jager, et al. Experiments on plasma focus dynamics, neutron production and ion emission, IAEA Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion, International Conference, Brussels, 1–10 07 1980 (IAEA, Vienna, 1980), p. 177
40. J. Żebrowski, Badania emisji promieniowania korpuskularnego i rentgenowskiego z wyładowań typu plasma-focus, Praca doktorska, Świerk 2006
41. A. Malinowska, A. Szydłowski, M. Jaskóła, et al. Calibration of new batches and a study of applications of nuclear track detectors under the harsh conditions of nuclear fusion experiments, Nucl. Instrum. Meth. B Vol. 281 (2012) 56-63 42. S. A. Durrani, Nuclear tracks today: Strengths, weaknesses, challenges, Rad.
Measur. Vol. 43 Suppl. 1 (2008) S26 – S33.
43. http://www.amcrys-h.com/plastics.htm 44. http://www.srim.org/
45. C. G. Freeman, G. Fiksel, C. Stoeckl, et al. Calibration of a Thomson parabola ion spectrometer and Fujifilm imaging plate detectors for protons, deuterons, and alpha particles, Rev. Sci. Instrum. Vol. 82 (2011) 073301
46. J. J. Thomson, Rays of positive electricity, Proc. R. Soc. Lon. A Vol. 89 (1913) 47. M. J. Sadowski, K. Czaus, K. Malinowski, et al., Mass- and energy-analyses of
ions from plasma by means of a miniature Thomson spectrometer, Rev. Sci.
Instrum. Vol. 80 (2009) 053504
122
48. R. Kwiatkowski, E. Składnik-Sadowska, M.J. Sadowski, et al. Measurements of electron and ion beams emitted from PF-1000 device in the upstream and downstream direction, Nukleonika Vol. 56 No 2 (2011) 119-123
49. http://www.andor.com/
50. S. Dubroecq, Mechelle Spectrograph,
http://www.lot-qd.de/files/downloads/andor/en/cc_workshopmechelle_deen01.pdf
51. H. Spieler, Semiconductor detectors, Lectures on Detector Techniques, Stanford Lineac Accelerator Center 1998
52. J. Harasimowicz, C. P. Welsch, Faraday cup for low-energy, low-intensity beam measurements at the USR, Beam Instrumentation Workshop (2010), Santa Fe USA,
53. F. M. Bieniosek, M. Leitner, 1-MeV electrostatic ion energy analyzer, 22nd Particle Accelerator Conference (2007), Albuquerque, USA,
54. E. Zielińska, M. Paduch, M. Scholz, Sixteen-Frame Interferometer for a Study of a Pinch Dynamics in PF-1000 Device, Contrib. Plasm. Phys. Vol. 51 (2011) 279-283.
55. D. Schirman, P. Grelot, M. Rabeau, G. Tonon. Interaction of a laser created plasma with a strong magnetic induction, Phys. Lett. A Vol. 33 Issue 8 (1970) 513-514.
56. A. Bernard, A. Jolas, J. Launspach, J . P. Watteau, Study of a non-cylindrical linear discharge by holographic interferometry, Plasma Physics Vol. 33 No 10 (1973) 1019
57. T. Chodukowski, Badanie parametrów i dynamiki plazmy w urządzeniu PF-1000 w fazach formowania i rozpadu kolumny plazmowej metodą wielo-kadrowej interferometrii laserowej, Praca doktorska, IFPiLM, Warszawa 2012 58. M. J. Sadowski, L. Jakubowski, A. Szydlowski, Adaptation of selected diagnostic
techniques to magnetic confinement fusion experiments, Czech. J. Phys. Vol. 54 Suppl. C (2004) C74-C81
59. V. V. Plyusnin et al., Development of a diagnostic technique based on Cherenkov effect for measurements of fast electrons in fusion devices, Rev. Sci. Instrum. Vol.
83 No 8 (2012) 083505
60. S. Harrison, Semiconductor-Based Thermal Neutron Detectors, 19 II 2013, Stanford University, http://large.stanford.edu/courses/2013/ph241/harrison1/
123
61. K. Drozdowicz, Detektory diamentowe w diagnostyce plazmy termojądrowej, Seminarium IFJ PAN 7.III.2013
http://www.ifj.edu.pl/sem/mat/2013/Drozdowicz7mar2013.pdf?lang=pl 62. P.M. Dighe, K.R. Prasad, S.K. Kataria, Silver-lined proportional counter for
detection of pulsed neutron, Nucl. Instrum. Meth. A Vol. 523 (2004) 158–162 63. R.J. Lanter, D.E. Bannerman, Silver Counter for Bursts of Neutrons, Rev. Sci.
Instrum. Vol. 39 (1968) 1588-1589
64. G. Knoll, Radiation detection and measurements, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2000
65. A. Kisiel, Detekcja promieniowania jonizującego, Politechnika Warszawska 66. J. K. Shultis, R. E. Faw, Fundamentals of Nuclear Science and Engineering,
Marcel Dekker, Inc, New York 2002
67. R. Prokopowicz, B. Bienkowska, K. Drozdowicz, et. al., Measurements of neutrons at JET by means of activation methods, EFDA–JET–PR(09)45 68. M.R. Kardan, R. Koohi-Fayegh, S. Setayeshi, M. Ghiassi-Nejad, Fast neutron
spectra determination by threshold activation detectors using neural networks, Rad. Measur. Vol. 38 Issue 2 (2004) 185-191
69. D. L. Bleuel, C. B. Yeamans, L. A. Bernstein, et al. Neutron activation diagnostics at the National Ignition Facility, Rev. Sci. Instrum. Vol. 83(2012) 10D313
70. D. A. Ward, J. La T. Exon, Using Rogowski coils for transient current measurements, Eng. Sci. Educ. J. Vol. 2 Issue 3 (1993) 105-113
71. V. I. Krauz, K. M. Mitrofanov, M. Scholz, et al. Magnetic field measurements on PF-1000 and PF-3 facilities: current sheath structure and neutron scaling.
Nukleonika Vol. 57 No 2 (2012), 201-204
72. E. Składnik-Sadowska, M. J. Sadowski, K. Czaus, et al. Recent studies of the ion emission from high-current PF-1000 experiments, Probl. Atom. Sci. Technol., Series Plasma Phys. Vol. 16 No 6 (2010) 199-201
73. A. Szydlowski, A. Banaszak, I. Fijał, et al. Calibration and application of Solid–
State Nuclear Track Detectors in spectroscopy of heavier ions of energy in a few MeV/amu range, Czech. J. Phys. Vol. 54 Suppl. C (2004) C228
74. http://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html
75. E. Składnik-Sadowska, K. Malinowski, M. J. Sadowski, et al. Optical emission spectroscopy of free-propagating plasma streams and plasma produced during