PLAZMY W UKŁADACH PF-360 I PF-1000

Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Praca doktorska

ANALIZA WYNIKÓW NAJNOWSZYCH POMIARÓW JONÓW, ELEKTRONÓW I PROMIENIOWANIA WIDZIALNEGO

PLAZMY W UKŁADACH PF-360 I PF-1000

Roch Kwiatkowski

Promotor pracy:

Prof. dr hab. Marek J. Sadowski

Promotor Pomocniczy:

Dr Jarosław Żebrowski

Świerk 2014

Podziękowania

Pragnę bardzo serdecznie podziękować promotorom rozprawy doktorskiej Prof. dr hab. Markowi J. Sadowskiemu i dr Jarosławowi Żebrowskiemu

za opiekę naukową i merytoryczną podczas pisania pracy

a także

dr Elżbiecie Składnik-Sadowskiej

za sugestie, dyskusje i mobilizowanie mnie do pracy

oraz

dr Karolowi Malinowskiemu

za pomoc podczas eksperymentów i powstawania pracy

Dziękuję również koleżankom i kolegom z zakładu TJ-5 NCBJ

za życzliwość, współpracę i stworzenie warunków do pracy eksperymentalnej na układzie PF-360

Dziękuje dr Marianowi Paduchowi i wszystkim członkom jego zespołu w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy

za serdeczność i pomoc podczas prowadzenia badań na układzie PF-1000

Pragnę również gorąco podziękować mojej ukochanej Marii Zacharczuk za wsparcie i optymizm podczas całego okresu pisania tej rozprawy

Streszczenie

Rozprawa przedstawia wyniki najnowszych pomiarów emisji jonów, elektronów i promieniowania widzialnego z wyładowań typu Plasma-Focus (PF). Układy PF są urządzeniami, w których gęsta i gorąca plazma wytwarzana jest poprzez akcelerację i kompresję warstwy prądowej wysokonapięciowego i silnoprądowego wyładowania w gazie. Powstające „ognisko plazmowe” jest źródłem szybkich jonów i elektronów oraz promieniowania elektromagnetycznego emitowanego w szerokim zakresie widmowym.

Wykorzystując deuter jako gaz roboczy, można otrzymać również produkty z reakcji syntezy D-D, tj. szybkie neutrony, protony, trytony i jądra helu.

Jednym ze sposobów badania zjawisk zachodzących w plazmie są pomiary cząstek emitowanych z ogniska plazmowego. W niniejszej rozprawie autor skupił się na analizie wyników najnowszych pomiarów jonów, elektronów i promieniowania widzialnego plazmy wytwarzanej w układach PF-360 i PF-1000.

W pierwszej części pracy opisano urządzenia służące do wytwarzania i utrzymywania gęstej i gorącej plazmy. Omówiono także przebieg zjawiska PF i scharakteryzowano emisję jonów, elektronów i promieniowania widzialnego oraz odpowiedzialne za nią mechanizmy fizyczne. Następnie przedstawiono najważniejsze wyniki badań układów PF prowadzonych do roku 2008, na podstawie których sformułowano główną tezę pracy i określono szczegółowe zadania badawcze.

W drugiej części rozprawy opisano urządzenia PF-360 i PF-1000 oraz metody i wyposażenie pomiarowe służące do badania emisji jonowej, elektronowej i promieniowania widzialnego z tych układów. Na końcu rozdziału piątego omówiono krótko również inne urządzenia wykorzystywane w badaniach gorącej plazmy.

Rozdział szósty rozprawy zawiera omówienie wyników najnowszych badań na układach PF-360 i PF-1000. Został on podzielony na podrozdziały opisujące kolejno pomiary jonowe, elektronowe i promieniowania widzialnego. Jony emitowane podczas wyładowań PF rejestrowane były za pomocą kamer typu „pinhole”, wyposażonych w jądrowe detektory śladowe lub miniaturowe scyntylatory (służące do pomiarów rozwiniętych w czasie). Rozkład energetyczny oraz czas generacji jonów wyznaczono na podstawie pomiarów wykonanych za pomocą spektrometru Thomsona (wyposażonego odpowiednio w detektory śladowe lub w detektory scyntylacyjne).

Pomiary wiązek elektronowych prowadzone były głównie wzdłuż osi symetrii układu PF-1000. Do wyznaczenia energii służył spektrometr magnetyczny, w którym

rolę detektora pełniły klisze rentgenowskie osłonięte cienką folią aluminiową. W celu określenia przekroju poprzecznego badanych wiązek elektronowych, posłużono się monokryształem krzemu umieszczonym za poosiowym kanałem w anodzie układu.

Promieniowanie widzialne emitowane z plazmy rejestrowano za pomocą spektrometru Mechelle® 900, który umożliwiał pomiar pełnego widma optycznego w wybranych momentach wyładowania. Zebrane widma wykorzystano następnie do obliczenia koncentracji elektronowej plazmy w zależności od czasu i warunków wyładowania. Zbadano także zachowanie się plazmy w kontakcie z tarczami wykonanymi z kompozytu węglowego i wolframu.

W siódmym rozdziale rozprawy przedstawiono interpretację wyników wykonanych pomiarów. Zaprezentowane zostały także wyniki symulacji komputerowej ruchu jonów w obszarze kolumny gęstej plazmy (tzw. „pinchu”). Symulacje te przeprowadzone zostały przy założeniu, że wewnętrzna struktura kolumny plazmowej zawiera pewną liczbę włókien prądowych (tzw. „filaments”) o określonych kształtach.

W zakończeniu przedstawione zostało krótkie podsumowanie wykonanych badań oraz wnioski.

Abstract

The thesis describes recent results of measurements of ion, electron and visual radiation emitted from Plasma-Focus (PF) discharges. In a PF device hot and dense plasma is created by acceleration and compression of a current sheath formed by high- voltage, high-current discharges in a gaseous environment. The formed “plasma focus”

is a source of fast ions, fast electrons and electromagnetic radiation emitted in a wide wavelength range. Using pure deuterium as a working gas, one can also obtain products of nuclear fusion reactions, i.e. fast neutrons, protons, tritons and helium ions.

One of the methods of research on phenomena occurring in plasma is measurement of particles emitted from “plasma-focus”. In this thesis the author has concentrated on an analysis of results from recent measurements of ions, electrons and visible radiation from plasma generated within the PF-360 and PF-1000 facilities.

The first chapter describes facilities used to generate and confine hot and dense plasma. The PF phenomena are described in details, and emission and mechanisms of the ion, electron and visual radiation emission are characterized. Subsequently, there are presented the most important results of earlier studies of PF facilities, which became the basis for the formulation of the main thesis of this work and the determination of detailed research tasks.

The second part of the thesis describes The PF-360 and PF-1000 facilities. The methods and experimental equipment used in measurements of ions, electrons and visual radiation are presented. At the end of the fifth chapter also other devices used in plasma research are discussed.

The sixth chapter contains recent results of research performed within the PF- 360 and PF-1000 facilities. Ion, electron and visual radiation measurements are described in separate sections. Ions emitted from PF discharges were recorded by means of pinhole cameras equipped with nuclear track detectors or miniature scintillators (used for time-resolved measurements). The ion energy spectrum and instants of the ion emission were determined using Thomson parabola spectrometer (equipped with nuclear track detectors or scintillation detectors, respectively).

The energy spectrum of electron beams was measured by means of a magnetic spectrometer placed along the symmetry axis of PF-1000 device. Electrons were

detected using X-ray film shielded with a thin Al-filter. In order to describe shape of e- beams, the use was made of a silicon wafer placed on the beam path.

The visual radiation emitted from plasma was recorded by means of a Mechelle® 900 spectrometer. The full visible spectra were recorded in chosen instants of PF discharges, and were used to determine plasma electron density during discharges performed at different initial conditions. This spectrometer was also used to investigate plasma during interactions with solid targets made of carbon composite or pure tungsten.

The seventh chapter presents the interpretation of results obtained from the performed measurements. There are presented the results of computer simulations of ion motions inside the dense plasma (pinch) column. These computations were performed under assumption that internal structure of the plasma column consists of a certain number of current filaments of determined shapes.

The last chapter contains a concise summary of the performed studies and some conclusions.

7

Spis treści

Spis oznaczeń . . . 10

1. Wprowadzenie . . . 10

1.1. Ogólna charakterystyka układów typu PF. . . 11

1.1.1. Reakcje syntezy termojądrowej . . . 11

1.1.2. Realizacja reakcji syntezy . . . 12

1.1.3. Temperatura krytyczna i kryterium Lawsona . . . 13

1.1.4. Metody wytwarzania i utrzymania plazmy . . . 14

1.1.5. Przebieg zjawiska Plasma-Focus . . . 18

1.2. Wyładowanie Plasma-Focus jako źródło wiązek szybkich jonów i elektronów . . . 21

1.3. Ogólna charakterystyka emitowanych jonów i elektronów . . . 23

1.3.1. Rejestracja wiązek elektronowych w układach PF . . . 24

1.3.2. Rejestracja wiązek jonowych . . . 25

1.4. Promieniowanie widzialne plazmy w układach PF i jego charakterystyka . . . . 25

2. Najważniejsze wyniki badań układów typu Plasma-Focus do roku 2008 . . . 27

2.1. Najważniejsze charakterystyki emisji jonów z układów PF . . . 27

2.1.1. Pomiary integralne w funkcji czasu . . . 27

2.1.2. Pomiary z rozdzielczością czasową . . . 29

2.2. Najważniejsze charakterystyki emisji elektronów z układów PF . . . 30

2.3. Najważniejsze wyniki pomiarów promieniowania widzialnego . . . 31

2.3.1. Badania na układzie PF-360 . . . 31

2.3.2. Badania na układzie PF-1000 . . . 32

3. Sformułowanie głównej tezy rozprawy . . . 35

3.1. Uzasadnienie i sformułowanie tezy . . . 35

3.2. Sformułowanie szczegółowych zadań badawczych . . . 35

4. Opis układów eksperymentalnych . . . 37

4.1. Opis układu PF-360 . . . 37

4.2. Opis układu PF-1000 . . . 39

5. Wyposażenie pomiarowe . . . 41

5.1. Opis metod i urządzeń stosowanych do pomiarów wiązek jonów . . . 41

5.1.1. Detektory scyntylacyjne . . . 42

8

5.1.2. Filtry absorpcyjne (folie Al) . . . 42

5.1.3. Spektrometr Thomsona . . . 43

5.2. Opis metod i urządzeń stosowanych do pomiarów wiązek elektronów . . . 45

5.2.1. Promieniowanie hamowania (Bremsstrahlung) . . . 45

5.2.2. Spektrometr magnetyczny elektronów . . . 45

5.3. Opis metod i urządzeń stosowanych do badań promieniowania widzialnego . 46 5.4. Opis innych metod i urządzeń diagnostycznych . . . 47

5.4.1. Półprzewodnikowe detektory jonów . . . 47

5.4.2. Kolektory typu Faradaya . . . 48

5.4.3. Elektrostatyczny analizator jonów . . . 48

5.4.4. Pomiary interferometryczne . . . 49

5.4.5. Pomiar promieniowania rentgenowskiego . . . 49

5.4.6. Zjawisko Czerenkowa . . . 50

5.4.7. Detekcja neutronów . . . 50

5.4.8. Pomiar parametrów prądu wyładowania w układzie typu PF . . . 52

6. Wyniki najnowszych badań na układach PF-360 i PF-1000 . . . 53

6.1. Badania struktury przestrzennej strumieni jonów . . . 53

6.1.1. Badania na układzie PF-360 . . . 54

6.1.2. Badania na układzie PF-1000 . . . 57

6.1.3. Pomiary jonowe w kierunku przeciwnym do ruchu warstwy prądowej . . . 65

6.2. Pomiary jonowe za pomocą miniaturowych detektorów scyntylacyjnych . . . 66

6.3. Analiza jonów za pomocą spektrometru Thomsona . . . 71

6.3.1. Pomiary integralne w czasie . . . 72

6.3.2. Pomiary z rozdzielczością czasową . . . 76

6.4. Badania charakterystyk wiązek szybkich elektronów . . . 81

6.5. Pomiary widm optycznych . . . 86

6.5.1. Pomiary promieniowania swobodnych strumieni plazmy . . . 86

6.5.2. Badania promieniowania przy oddziaływaniu strumieni plazmy z tarczami . . . 90

7. Analiza wyników eksperymentalnych . . . 94

7.1. Interpretacja charakterystyk impulsowych strumieni jonów . . . 94

9

7.1.1. Obrazy jonowe uzyskane za pomocą kamer otworkowych . . . 94

7.1.2. Pomiary jonowe za pomocą spektrometru Thomsona . . . 99

7.1.3. Modelowanie numeryczne ruchu jonów w obszarze kolumny plazmowej . . . 101

7.2. Interpretacja własności impulsowych wiązek szybkich elektronów . . . 113

7.3. Wnioski z analizy widm promieniowania widzialnego . . . 114

8. Podsumowanie i wnioski . . . 116

9. Spis literatury . . . 119

10

Spis oznaczeń stosowanych w rozprawie

n_i –koncentracja i-krotnie zjonizowanych atomów w plazmie n_e – koncentracja swobodnych elektronów w plazmie

m_e – masa elektronu h – stała Plancka

T – temperatura wyrażona w elektronowoltach

gi – waga statystyczna i-krotnie zjonizowanych atomów χ – energia jonizacji

τE– czas utrzymania energii w plazmie E – energia produktów reakcji syntezy ch

σv – uśredniony (po energiach cząstek) iloczyn przekroju czynnego na reakcję i prędkości cząstek biorących udział w reakcji syntezy

p – ciśnienie

P_fusion – moc wytwarzana w reakcjach syntezy I – natężenie prądu

J – wektor gęstości prądu L – indukcyjność

mi – masa jonu

ari

– przyspieszenie jonu Z – liczba atomowa e – ładunek elementarny

vr

– wektor prędkości cząstki B

r

, B– wektor indukcji magnetycznej E

r

– wektor natężenia pola elektrycznego rr

– wektor położenia

k_D – odwrotność długości Debye’a

k₀ – odwrotność minimalnego parametru zderzenia γ – stała Eulera

µ₀ – przenikalność magnetyczna próżni

11

1. Wprowadzenie

1.1. Ogólna charakterystyka układów typu PF

Plazma, nazywana czasem czwartym stanem materii, jest to mieszanina cząstek neutralnych i naładowanych (jonów i elektronów), zachowująca kwazineutralność i wykazująca zachowania kolektywne. Kwazineutralność plazmy oznacza, że suma ładunków dodatnich i ujemnych w plazmie jest równa zeru, natomiast lokalnie mogą zdarzać się obszary z przewagą jednego rodzaju ładunków. Zachowania kolektywne przejawiają się w długozasięgowych oddziaływaniach między różnymi obszarami plazmy [1-3].

Koncentrację jonów w plazmie można obliczyć na podstawie równania Sahy, które opisuje stosunek koncentracji cząstek o i+1 do koncentracji jonów o i-krotnej jonizacji:

( )

i i e

i e

i e

g g h

T m n

n

n_{+ =} π ₊1 ^−χ

3 32

1 2 2

(1.1)

Jak pokazuje powyższy wzór koncentracja jonów w plazmie silnie zależy od temperatury. Przykładowo, aby otrzymać plazmę wodorową pod ciśnieniem 1hPa, o stopniu jonizacji równym 50% należy podgrzać ją do temperatury około 1 eV (10⁴ K), a w temperaturze 2 eV osiąga się praktycznie całkowitą jonizację gazu [4].

1.1.1. Reakcje syntezy termojądrowej

Jedną z gałęzi zainteresowań fizyki plazmy są badania nad możliwością realizacji reakcji syntezy w urządzeniach plazmowych. W wyniku reakcji syntezy z jąder lekkich powstaje jądro cięższe i wydzielona zostaje energia odpowiadająca deficytowi masy. Energia ta wyzwalana jest w postaci energii kinetycznej produktów reakcji. W celu doprowadzenia do reakcji syntezy dwa reagujące jądra muszą zbliżyć się do siebie na odległość, w której rolę zaczyna odgrywać krótkozasięgowe oddziaływanie silne (siły jądrowe). Pokonanie bariery potencjału wymaga odpowiedniego nakładu energii, tym większego im większy jest ładunek reagujących

12

jąder. Aby praktycznie wykorzystywać reakcje syntezy należy zatem skupić się na najlżejszych pierwiastkach. Należą do nich izotopy wodoru i helu, a także litu.

Wykorzystywanymi izotopami wodoru są: ²H (deuter D) i ³H (tryt T), helu: ³He i ⁴He, a litu ⁶Li i ⁷Li. Najczęściej brane pod uwagę, jako możliwe do zrealizowania w warunkach laboratoryjnych, są następujące reakcje [5]:

D + D → T (1008 keV) + H (3024 keV) (50%) (1.2a) D + D → ³He (817 keV) + n (2450 keV) (50%) (1.2b) D + T → ⁴He (3517 keV) + n (14100 keV) (1.2c) D + ³He → ⁴He (3720 keV) + H (14681 keV) (1.2d)

1.1.2. Realizacja reakcji syntezy

Z uwagi na największy przekrój czynny i najniższą wymaganą temperaturę plazmy, najłatwiejsza w realizacji jest reakcja syntezy D-T. Deuter jest pierwiastkiem stosunkowo łatwo dostępnym w warunkach ziemskich. Występuje on naturalnie w przyrodzie w ilości około 0,0156% w stosunku do zwykłego wodoru. Tryt natomiast jest izotopem bardzo rzadkim (1 atom trytu na 10¹⁸ atomów wodoru) i nietrwałym, wobec czego musi być produkowany w reakcjach jądrowych. Przykładem takich reakcji są reakcje litu z neutronem:

(1.3)

Próba pozyskania i wykorzystania energii wydzielanej we wspomnianych wyżej reakcjach należy do jednego z kierunków badań nad kontrolowaną syntezą termojądrową. Pomysł pokojowego wykorzystania energii termojądrowej pojawił się wkrótce po drugiej wojnie światowej. Wraz z wynalezieniem tokamaka zaistniała koncepcja elektrowni termojądrowej wykorzystującej magnetyczne utrzymanie plazmy.

Pomimo kilkudziesięciu lat badań owocujących wieloma osiągnięciami, perspektywa pokojowego wykorzystania energii termojądrowej nadal wydaje się być odległa.

Głównym problemem są trudności technologiczne oraz wysokie koszty budowy i eksploatacji urządzeń doświadczalnych. Metody pozyskiwania paliwa

6Li + n → ⁴He + T + 4,78 MeV

7Li + n → ⁴He + T + n – 2,47 MeV

13

wykorzystywanego w reakcjach syntezy (deuteru i trytu) nie sprawiają problemów technicznych i są stosunkowo tanie.

Podczas reakcji syntezy z użyciem deuteru emitowane są wysokoenergetyczne neutrony i jony. Jony ze wspomnianych reakcji są zatrzymywane przez ścianki układu, bądź odchylane w polu magnetycznym. Neutrony, jako cząstki nie posiadające ładunku, dużo łatwiej przenikają przez materię i nie podlegają oddziaływaniom elektromagnetycznym. Dzięki temu można je wykorzystać do pasywnej diagnostyki plazmy. Wysokoenergetyczne neutrony znajdują różnorodne zastosowania.

Wyróżniamy wśród nich m.in. transmutację odpadów promieniotwórczych, wytwarzanie paliwa do reaktorów rozszczepialnych, radioterapię, wykrywanie i identyfikacja różnych substancji oraz wiele innych [6-7].

1.1.3. Temperatura krytyczna i kryterium Lawsona

Sformułowany w 1957 roku przez J. Lawsona warunek mówi jaka powinna być minimalna wartość koncentracji i czasu życia plazmy, aby otrzymać dodatni bilans energii z reakcji termojądrowych w plazmie i wyrażony jest wzorem[8]:

v E L T n

ch E

eτ ≥ ≡ ¹²σ _(1.4)

Iloczyn ten dla reakcji DD wynosi on 10²² s/m³, a dla DT – 10²⁰ s/m³.

Iloczyn potrójny

Inną miarą jakości plazmy termojądrowej jest iloczyn potrójny, tzn. iloczyn czasu utrzymania energii, koncentracji i temperatury plazmy. W większości urządzeń plazmowych koncentracja i temperatura plazmy może być zmieniana w szerokim zakresie wartości, natomiast maksymalne ciśnienie plazmy jest ograniczone przez konstrukcję urządzenia. W takim wypadku gęstość mocy z reakcji syntezy opisuje formuła:

T p v

P_fusion 2 σ

~ (1.5)

14

Maksymalna wartość mocy w danym urządzeniu wydzielona zostanie, gdy wyraz T σv

będzie maksymalny. Wykorzystując wprowadzoną wcześniej nierówność (1.4) łatwo zauważyć, że:

v E T T

n

ch E

e τ ≥ ¹²σ² (1.6)

Wyraz v T σ

2

posiada minimum globalne w pewnej temperaturze Tm. W reakcji DD minimalna wartość iloczynu potrójnego wynosi 10²³ keV s/m³, a dla reakcji DT –10²¹ keV s/m³ [9-10]

1.1.4. Metody wytwarzania i utrzymania plazmy

Bardzo ważnym zagadnieniem w badaniach plazmy wysokotemperaturowej jest kwestia utrzymania plazmy w ograniczonym obszarze przestrzeni. Plazma taka nie może być ograniczona ścianami materialnymi, gdyż żadne znane obecnie materiały nie wytrzymałyby tak wysokich obciążeń cieplnych. Poza tym kontakt ze ściankami szybko ochłodziłby plazmę zmniejszając efektywność reakcji termojądrowych. Dlatego też sformułowano dwie koncepcje utrzymywania plazmy w układzie eksperymentalnym.

Jedną z nich jest utrzymywanie magnetyczne, w którym plazmę utrzymuje się w ograniczonej przestrzeni dzięki ciśnieniu pola magnetycznego. Inną koncepcją eksperymentów z gorącą plazmą jest tzw. inercyjne utrzymywanie plazmy [11]. W tym wypadku mała porcja paliwa jest równomiernie oświetlana silnymi wiązkami promieniowania laserowego lub rentgenowskiego. W wyniku tego naświetlania następuje kompresja i podgrzanie paliwa, które przechodzi w stan bardzo gęstej i gorącej plazmy. Koncentracja tak otrzymanej plazmy może sięgać 10²⁶ cząstek na cm³, a czas jej utrzymywania - poniżej nanosekundy [12]. Zagadnienie to nie wchodzi w zakres niniejszej rozprawy, wobec czego nie będzie ono dalej omawiane.

Szeroką klasę pułapek magnetycznych można podzielić na tzw. pułapki otwarte oraz pułapki zamknięte, w których linie pola magnetycznego tworzą zamknięte powierzchnie magnetyczne (Rys. 1.4). Do pierwszej grupy należą m.in. pułapki zwierciadlane. W drugiej grupie mieszczą się m.in. urządzenia typu tokamak i stellarator. Typowe czasy utrzymywania plazmy w tego typu pułapkach wynoszą od milisekund do sekund, natomiast koncentracja sięga do 10¹⁴ cząstek na cm³.

15

a) b)

c)

Rys 1.4. Plazmowe pułapki magnetyczne. a) ruch jonu wzdłuż linii pola magnetycznego w pułapce zwierciadlanej, b) kształt plazmy i rozkład cewek magnetycznych w stellaratorze W7-X, c) rozmieszczenie cewek magnetycznych i kształt plazmy w

tokamaku [13-15].

Wytwarzanie i utrzymanie gęstej, gorącej plazmy może być zrealizowane także przez silne impulsowe wyładowania elektryczne. Przepływowi silnych prądów (o natężeniu od setek kiloamperów do kilkunastu megaamperów) towarzyszy jonizacja i powstanie plazmy. Przepływający przez plazmę prąd generuje pole magnetyczne. W wyniku wzajemnego oddziaływania pola i prądu powstaje siła elektrodynamiczna, która dąży do ściśnięcia sznura plazmowego. Wskutek tego oddziaływania wzrasta koncentracja i temperatura plazmy. W takiej plazmie może zachodzić szereg procesów, m.in. formowanie włókien prądowych i diod plazmowych, przyspieszanie i odchylanie cząstek naładowanych przez silne lokalne pola elektryczne i magnetyczne, emisja promieniowania rentgenowskiego, a w wypadku zastosowania deuteru jako gazu roboczego - również reakcje syntezy jądrowej. Wszystkie układy, w których zagęszczenie plazmy zachodzi na wskutek płynącego przez nią prądu zalicza się do układów typu pinch. Wyróżniamy kilka odmian takich układów, między innymi układy

plazma

cewki poloidalne cewki toroidalne komora próżniowa

plazma

linie pola magnetycznego

cewki magnetyczne

16

Z-pinch, θ-pinch i θ-pinch toroidalny. W pierwszych dwóch wypadkach plazma ma w przybliżeniu kształt walca (patrz Rys 1.5), a w ostatnim wypadku – kształt torusa.

Rys. 1.5. Konfiguracje typu pinch: układ θ-pinch (z lewej) oraz układ Z-pinch (z prawej)[16].

W układach θ-pinch zewnętrzne pole magnetyczne równoległe do osi walca indukuje powstanie prądów azymutalnych (wirowych) w plazmie. Prądy te, oddziałując z przyłożonym polem, powodują kompresję kolumny plazmowej. Modyfikacją tego typu jest toroidalny θ-pinch gdzie pole magnetyczne wzdłuż obwodu torusa indukuje prądy zaciskające sznur plazmowy.

W wyładowaniach typu Z-pinch pole magnetyczne wytwarzane przez płynący prąd ma kształt okręgu otaczającego plazmę. Wyróżniamy wiele typów urządzeń opartych na tym zjawisku, między innymi: jednokanałowy Z-pinch, X-pinch, czy też Plasma-Focus. Najczęściej wykorzystuje się je jako źródła jonów lub intensywnego promieniowania X.

Układ Plasma-Focus (PF) jest to urządzenie wyposażone w dwie cylindryczne elektrody, umieszczone koncentrycznie i zakończone z jednej strony rozdzielającym je izolatorem. Przy drugim końcu elektrod znajduje się obszar formowania ogniska plazmowego. Elektrody umieszcza się w komorze próżniowej, którą przed zainicjowaniem wyładowania napełnia się wybranym gazem roboczym. Elektrody te, poprzez iskierniki, połączone są z baterią kondensatorów. Elementy elektryczne obwodu powinny charakteryzować się jak najniższą indukcyjnością, a podłączenia wykonane tak, by zapewnić równomierny (izotropowy) dopływ prądu do elektrod urządzenia. W układach PF, inaczej niż w działach (czyli akceleratorach) plazmowych, utrzymywane jest początkowo stałe ciśnienie i zwykle nie stosuje się dynamicznego

pole

magnetyczne prąd plazmy

pole magnetyczne cewki

17 Bateria kondensatorów

Ognisko plazmowe

Elektroda zewnętrzna

Elektroda wewnętrzna Izolator

Elektroda zewnętrzna

Izolator

Elektroda wewnętrzna

Ognisko plazmowe

Bateria

kondensatorów napuszczania gazu. Dzięki temu otrzymana plazma charakteryzuje się większą gęstością i temperaturą niż w typowych działach koaksjalnych, ale równocześnie gaz występujący w komorze urządzenia hamuje i rozprasza emitowane cząstki naładowane oraz promieniowanie X. Cechą charakterystyczną układów PF jest to, że gęstość (koncentracja elektronowa) i czas życia plazmy osiągają wartości leżące pomiędzy wartościami typowymi dla pułapek typu inercyjnego i magnetycznego. Gęstość (koncentracja) elektronowa plazmy wytwarzanej w układach PF osiąga 10¹⁹ cm^-3, a czas trwania zjawiska wynosi kilkadziesiąt do kilkuset nanosekund. Parametry wytworzonego pinchu plazmowego (rozmiary, czas trwania, gęstość) zależą od wielu czynników, m.in. od wymiarów elektrod, ciśnienia gazu, charakterystyk elektrycznych, i mogą być one dobrane pod kątem zastosowań – np. w celu otrzymania dużych strumieni neutronów, bądź krótkich i intensywnych impulsów promieniowania X [17].

a) b)

Rys. 1.6. Schemat układu PF konstrukcji Mathera (a) i Filipowa (b).

Układ typu PF został zaprojektowany niezależnie przez J.W. Mathera w roku 1964 oraz przez N.W. Fillipowa w roku 1965 [18-19]. Układ typu Mathera jest zmodyfikowanym koaksjalnym działem plazmowym, pracującym przy podwyższonym ciśnieniu. Posiada on otwarte na końcu elektrody o długości większej niż ich średnica.

Typowy stosunek średnicy elektrody wewnętrznej do jej długości jest mniejszy niż 1:4.

Ognisko plazmowe powstaje przed frontową ścianką wewnętrznej elektrody. Układ Fillipowa został opracowany w celu osłony izolatora urządzenia Z-pinch przed promieniowaniem i szybkimi cząstkami pochodzącymi z gorącej plazmy. Zrealizowano to poprzez znaczne zwiększenie średnicy w stosunku do długości elektrod. W tym wypadku wspomniany wyżej stosunek tych wielkości jest często większy niż 5:1.

18

Kolumna plazmowa formuje się pomiędzy elektrodą zewnętrzną i wewnętrzną. Schemat układów PF w obu konfiguracjach przedstawiono na Rys. 1.6.

1.1.5. Przebieg zjawiska Plasma-Focus

Najważniejszymi fazami wyładowania typu PF są kolejno: przebicie i formowanie tzw. warstwy prądowej (current sheath), akceleracja poosiowa, akceleracja i kompresja radialna, faza stabilnej kolumny pinchu, faza rozwoju niestabilności kolumny pinchu i faza rozpadu wyładowania. Etapy te pokazane są symbolicznie na Rys. 1.7.

Rys. 1.7. Przebieg zjawiska PF (opis w tekście).

1. Faza przebicia

Po zainicjowaniu wyładowania (wyzwolenie iskierników) do elektrod zostaje przyłożone wysokie napięcie. Powoduje to przebicie gazu w komorze i przepływ prądu wzdłuż powierzchni izolatora. Kształt i rozmiary wytworzonej warstwy prądowej zależą od kształtu i materiału izolatora, a także od konstrukcji elektrod, ciśnienia gazu i parametrów przykładanego napięcia. Podczas wyładowań w gazie najważniejszym nośnikiem prądu są elektrony. Dodatnia polaryzacja elektrody wewnętrznej sprawia, że warstwa elektronów przylega do powierzchni izolatora i wzdłuż niej rozwija się wyładowanie ślizgowe. Gdy wyładowanie to dosięgnie końca izolatora, obie elektrody zostają połączone włóknami prądowymi unoszącymi się tuż nad jego powierzchnią. Siła bateria

kondensatorów

przebicie i formowanie

warstwy prądowej akceleracja osiowa

kompresja radialna elektroda zewnętrzna

elektroda wewnętrzna

izolator promieniowanie

elektromagnetyczne

wiązki jonowe neutrony reakcji wiązki elektronowe

iskiernik

19

Lorentza J×B odrywa włókna prądowe od powierzchni izolatora, unosząc ich końce od strony katody. Z powodu dużej pojemności włókien, po dotarciu do wewnętrznej powierzchni katody, łączą się one tworząc w przybliżeniu jednorodną warstwę prądową. Po zajściu wyżej wymienionych procesów wyładowanie wchodzi w drugą fazę.

2. Faza akceleracji osiowej

Warstwa prądowa wytworzona pod koniec fazy przebicia przyspieszana jest siłą Lorentza wzdłuż osi elektrod. Siłę tą można rozłożyć na składową radialną i osiową.

Składowa radialna działa w kierunku elektrody zewnętrznej, a składowa osiowa – w kierunku końca elektrod.

Zależność od gęstości prądu i pola magnetycznego sprawia, że wartość jej osiowej składowej jest odwrotnie proporcjonalna do odległości od osi, przez co część warstwy leżąca bliżej środka jest przyspieszana silniej od tej leżącej bardziej na zewnątrz. Taki układ sił sprawia, że kształt warstwy prądowej zbliżony jest do paraboli, z ramionami skierowanymi w kierunku izolatora. Warstwa prądowa w dużych układach ma grubość rzędu kilku centymetrów. Jej prędkość osiąga stałą wartość , wynoszącą 10⁶ – 10⁷ cm/s, krótko po oderwaniu się od izolatora. W celu optymalizacji działania układu ważne jest, aby moment dotarcia warstwy do końca elektrod następował w momencie osiągnięcia pierwszego maksimum natężenia prądu (patrz Rys. 1.8).

Rys. 1.8. Typowe przebiegi pochodnej, napięcia i natężenia prądu podczas wyładowania Plasma-Focus [20].

[µs]

dt dI

V

[a.u.]

I

20 3. Faza kollapsu

W chwili dotarcia warstwy prądowej do końca elektrod zaczyna się trzecia faza wyładowania, tzw. faza kollapsu. Trwa ona kilkadziesiąt do kilkuset nanosekund, w zależności od budowy urządzenia. Pod wpływem siły J×B warstwa prądowa zmienia kierunek ruchu i zaczyna poruszać się ku osi elektrod. Gwałtowne zmiany indukcyjności powodują powstanie silnych pól elektrycznych w plazmie. Przy odpowiedniej optymalizacji układu prąd w tej fazie wyładowania zmienia się nieznacznie, zatem wielkość tych pól wiąże się ze zmianą indukcyjności prostym wzorem:

dt I dL

E = (1.11)

W celu dokładniejszego opisania zjawisk zachodzących w kolumnie plazmy fazę kollapsu dzieli się na cztery etapy, tj. kompresję radialną, etap stabilności, etap narastania niestabilności oraz rozpad pinchu.

3.1. Kompresja radialna

Etap ten rozpoczyna się w chwili gdy warstwa prądowa dobiegnie do końca elektrod. Zaczyna się ona wtedy poruszać w kierunku ich osi symetrii. W tym momencie cząstki przyspieszane są głównie poprzez fale uderzeniowe, natomiast po utworzeniu się kolumny plazmowej główną rolę zaczyna odgrywać grzanie omowe. Pod koniec tej fazy zachodzi kompresja adiabatyczna prowadząca do uformowania ogniska plazmowego (Plasma Focus). Pole magnetyczne zaczyna wnikać do wnętrza plazmy, prowadząc do anomalnego wzrostu oporności i indukcyjności plazmy. W tym momencie na wykresie napięcia pojawiają się szybkie, wysokie sygnały, a na wykresie prądu zaobserwować można gwałtowny spadek jego wartości, czyli tak zwany „current dip” (patrz Rys 1.8). Maksymalna temperatura elektronowa plazmy osiągana pod koniec tego etapu wynosi 1-2 keV, a koncentracja sięga do 10¹⁹ cm^-3.

3.2. Etap stabilności

Pod koniec fazy kompresji uformowana zostaje kolumna plazmy. Przyjmuje ona zwykle średnicę rzędu milimetrów i kilkucentymetrową długość. Po jej utworzeniu

21

następuje faza stabilności, podczas której ciśnienie magnetyczne hamuje rozpad pinchu w kierunku radialnym, natomiast wzdłuż osi plazma może się swobodnie przemieszczać. Wytworzone wskutek zmian indukcyjności i oporu pole elektryczne przyspiesza jony i elektrony w przeciwnych kierunkach. W tej fazie zaczynają narastać mikro-niestabilności plazmy w rodzaju niestabilności strumieniowych i MHD.

3.3. Etap niestabilności

W kolejnym etapie zachodzi większość zjawisk prowadzących do emisji wysokoenergetycznych cząstek i promieniowania. Niestabilności przewężeniowe prowadzą do powstania silnych pól elektrycznych i formowania się lokalnych ognisk plazmowych, będących źródłami promieniowania X, szybkich jonów i elektronów.

Podczas wyładowań prowadzonych w atmosferze deuteru w tej fazie zachodzi emisja produktów reakcji syntezy. Rozchodzące się w pinchu zaburzenia gęstości i narastające mikro-niestabilności powodują całkowity rozpad kolumny plazmy.

3.4. Rozpad kolumny pinchu

Na ostatnim etapie zjawiska następuje spadek gęstości plazmy i uformowanie się dużej, gorącej chmury plazmowej. Chmura ta jest źródłem miękkiego promieniowania X (promieniowania hamowania), a także szybkich jonów, elektronów oraz neutronów z reakcji syntezy D-D.

1.2. Wyładowanie Plasma-Focus jako źródło wiązek szybkich jonów i elektronów

Przedstawiony opis przebiegu zjawiska Plasma-Focus pokazuje, że podczas fazy kollapsu występują zjawiska prowadzące do przyspieszania i ucieczki jonów, i elektronów z obszaru plazmy. Warty odnotowania jest fakt, że w wielu akceleratorach plazmowych, w tym również w układach PF, energie osiągane przez cząstki naładowane są wielokrotnie wyższe niż iloczyn ich ładunku i napięcia przyłożonego między elektrodami (napięcie ładowania kondensatorów) [21-23]. Widma energetyczne emitowanych jonów, wyznaczane na podstawie pomiarów za pomocą analizatorów

22

elektrostatycznych, kolektorów Faradaya, detektorów śladowych przesłoniętych odpowiednimi filtrami, a także spektrometru Thomsona, pokazały że energie jonów wyrażone w elektronowoltach przekraczają napięcie pracy urządzenia wyrażone w woltach nawet kilkaset razy [21,24]. W typowych układach Plasma-Focus, pracujących na deuterze, przy napięciu kilkudziesięciu kV rejestruje się energie deuteronów sięgające do kilku MeV.

Na podstawie pomiarów za pomocą kamer rentgenowskich i kamer typu

„pinhole” wyposażonych w detektory śladowe, szacuje się że jony emitowane są z mikro-źródeł (o rozmiarach rzędu milimetra) leżących wewnątrz pinchu plazmowego.

Wiązki wysokoenergetycznych jonów (o energiach około 1 MeV) emitowane są przez kilkunaście nanosekund, przy czym jeśli jony zbierane są z większego obszaru, otrzymywane sygnały poszerzają się i zyskują bardziej złożoną strukturę. Może to wskazywać na następującą po sobie emisję z wielu różnych mikro-źródeł.

Badania rozkładu kątowego emitowanych jonów pokazały, że maksymalny strumień wysokoenergetycznych jonów występuje na osi układu, a jego gęstość znacząco spada wraz ze wzrostem kąta obserwacji. Na podstawie wyników badań struktury, rozkładu energii, i zależności czasowej emitowanych wiązek jonów i elektronów zostały opisane różnorodne mechanizmy, które mogą być odpowiedzialne za akcelerację tych cząstek [23-24]. Można wśród nich wyróżnić m.in. następujące procesy:

1. Narastanie niestabilności przewężeniowych (MHD) w fazie kollapsu, prowadzące do wzrostu indukcyjności plazmy i wzrostu natężenia pola elektrycznego wewnątrz kolumny pinchu. Gdy dochodzi do przerwania włókna prądowego, energia płynącego prądu w bardzo krótkim czasie przekształcona zostaje w energię fali elektromagnetycznej i zamiast płynącego prądu pojawia się prąd przesunięcia.

Szacunkowa wartość napięcia może sięgać 60 MV. Pole to trwa na tyle krótko, że nie zdąży znacząco przyspieszyć jonów natomiast elektrony, jako dużo lżejsze, przyspieszane są efektywniej.

2. Mikro-niestabilności i szybkie ruchy plazmy w obszarze kolumny plazmowej oraz gwałtowne zmiany lokalnego pola magnetycznego podczas fazy kompresji (radialnej) indukujące powstanie silnych pól elektrycznych.

3. Spadek przewodności plazmy w wyniku dyfuzji pola magnetycznego do wnętrza pinchu i mikro-niestabilności (strumieniowych), który wywołuje silny wzrost natężenia pól elektrycznych w kolumnie plazmowej.

23

Cząstki mogą być przyspieszane także na skutek tzw. mechanizmu ucieczki, tj.

gdy siła działająca na cząstkę przewyższa siłę tarcia wynikającą z oddziaływania z otaczającą plazmą. Innym zjawiskiem odpowiedzialnym za nadawanie cząstkom dużych prędkości jest akceleracja poprzez oddziaływanie z falami uderzeniowymi.

Odbywa się to na zasadzie mechanizmu Fermiego, gdzie przyspieszane jony zderzają się z poruszającą się warstwą prądową, bądź też z mikro-niestabilnościami powstającymi w plazmie i w rezultacie zyskują wysokie energie, zależne od liczby zderzeń i prędkości ruchu plazmy [20,25-26].

Emisja silnych wiązek elektronowych o energiach sięgających kilkuset keV została potwierdzona doświadczalnie w wielu eksperymentach [20,27]. Energię wyznaczono na podstawie pomiarów analizatorem magnetycznym, a także sondami Czerenkowa. Elektrony oddziałujące z materiałem elektrod oraz gazem wypełniającym komorę są odpowiedzialne za wytwarzanie promieniowania X, zatem na podstawie własności tego promieniowania można szacować energię, czas i miejsce oddziaływania strumieni elektronowych z plazmą. Szybkie elektrony emitowane są głównie wzdłuż osi układu, w kierunku elektrody wewnętrznej (anody), a kształt i zależność kątowa emitowanych wiązek wykazuje silnie zmienny charakter. Badania parametrów wiązki w funkcji czasu wykazały, że impulsy elektronowe pojawiają się w momencie kompresji plazmy, a ich czas trwania wynosi kilkadziesiąt ns. Czas ten różni się w zależności od energii cząstek i jest dłuższy w niższych energiach. Położenie i rozmiary źródeł elektronów są trudne do określenia, ze względu na duży wpływ pola magnetycznego na trajektorie tych cząstek. W wyładowaniu występują również tzw. „hot spoty” – miejsca intensywnego promieniowania X. Zakładając, że są to miejsca intensywnego oddziaływania z elektronami, można oszacować, że wiązki elektronowe są nie większe niż wymiary ognisk promieniowania, czyli poniżej 1 mm średnicy. Przyspieszanie elektronów odbywa się dzięki efektom wspomnianym podczas omawiana emisji jonowej.

1.3. Ogólna charakterystyka emitowanych jonów i elektronów

Wiązki jonów i elektronów emitowane są z kolumny plazmy w różnych momentach podczas wyładowania. Charakteryzują się one szerokim rozkładem energetycznym i różną intensywnością. Elektrony rejestrowane na układach Plasma

24

Focus osiągają energie poniżej 1 MeV. Energie jonów pierwotnych, czyli pochodzących z gazu wypełniającego komorę oraz z elektrod, sięgają do kilku MeV. Cechą charakterystyczną jonów emitowanych z kolumny plazmowej jest ich nierównomierny rozkład kątowy, a w szczególności zmniejszona gęstość strumienia cząstek pod dużymi kątami do osi pinchu. Dotyczy to zarówno jonów pierwotnych, jak i wysokoenergetycznych produktów reakcji syntezy. Na zarejestrowanych obrazach jonowych zauważyć można również szereg mikrowiązek, tworzonych w wyniku intensywnej emisji jonów w wąskim kącie bryłowym. Typowe napięcie między elektrodami układów Plasma-Focus wynosi 20-50 kV, zatem pomiary emisji pierwotnych cząstek naładowanych wskazują, że za ich przyspieszanie odpowiedzialne są również inne, poza polem przyłożonym między elektrodami, pola występujące w obszarze wyładowania.

1.3.1. Rejestracja wiązek elektronowych w układach PF

Zarejestrowanie elektronów przyspieszanych we wnętrzu pinchu związane jest z szeregiem trudności. Silne pole magnetyczne w plazmie uniemożliwia wydostanie się elektronom o niskich energiach. Część elektronów o energiach odpowiednich, żeby wydostać się z plazmy, jest hamowana i rozpraszana przez gaz wypełniający komorę.

Jedynie w wypadku elektronów o wysokich energiach, można mówić o ruchu niezaburzonym przez oddziaływanie z plazmą lub gazem. Oddziałują one jednak między sobą, powodując rozmycie i poszerzenie wiązek elektronowych emitowanych z ogniska plazmowego. Oprócz wspomnianych już pomiarów promieniowania hamowania i szacowania na tej podstawie miejsc oraz rozmiarów emisji wiązek elektronowych, możliwy jest również pomiar energii elektronów z użyciem takich urządzeń jak kolektory Faradaya, spektrometr magnetyczny, bądź detektory Czerenkowa osłonięte różnej grubości filtrami.

Pomiary w różnych układach eksperymentalnych pokazują, że szerokość rozkładu oraz maksimum energii elektronów nie jest związana z energetyką oraz rozmiarami tych układów [20].

25 1.3.2. Rejestracja wiązek jonowych

Podobnie jak elektrony, jony o niskich energiach mogą łatwo być hamowane i zatrzymywane w gęstej plazmie tworzącej kolumnę pinchu. Poruszając się przez warstwę gazu wypełniającego komorę, jony emitowane z plazmy mogą być spowalniane i rozpraszane, zmieniając swój pęd. Aby uniknąć wpływu tych zmian na wyniki pomiarów, należałoby zminimalizować odległość między źródłem a detektorem, lub wypełniać komorę urządzenia pod jak najmniejszym ciśnieniem. Czasem jednak, jak w pomiarach czasu przelotu, duża odległość detektora od plazmy jest korzystna i w takiej sytuacji konieczne jest uwzględnienie oddziaływań cząstek naładowanych z neutralnym gazem. Dodatkowym utrudnieniem jest, jak podczas bezpośredniego pomiaru elektronów, konieczność wprowadzenia detektora do komory urządzenia.

Wymagane jest przy tym stosowanie układów, zaworów i przepustów próżniowych.

Pomiar jonów emitowanych z plazmy można przeprowadzić używając kolektorów Faradaya, detektorów scyntylacyjnych oraz dielektrycznych detektorów śladowych.

Możliwe jest również użycie różnej grubości filtrów, zatrzymujących jony o energiach poniżej określonego progu. Każda ze wspomnianych wyżej metod ma swoje zalety, jak i wady, a zostaną one scharakteryzowane w kolejnych rozdziałach. Należy zauważyć, że w zakresie energii występujących w układach PF pomiar jonów może odbywać się wyłącznie w sposób bezpośredni, tj. rejestrując daną cząstkę w detektorze, a emitowane jony mogą pochodzić z gazu wypełniającego komorę (są to tzw. jony pierwotne), bądź z reakcji jądrowych zachodzących podczas wyładowania (czyli jony wtórne). Przy wypełnieniu komory deuterem jonami pierwotnymi są deuterony o energiach sięgających do kilku MeV, a jonami wtórnymi będą protony o energii ok. 3 MeV.

1.4. Promieniowanie widzialne plazmy w układach PF i jego charakterystyka

Plazma generowana w układach typu PF osiąga temperaturę elektronową rzędu kilku keV. W takiej temperaturze plazma jest nie tylko źródłem twardego i miękkiego promieniowania X, ale emituje także światło widzialne. Światło to może zostać zarejestrowane za pomocą kliszy fotograficznej bądź kamery CCD. Rejestracja na kliszy i za pomocą kamer fotograficznych pozwala oszacować rozmiary kolumny

26

plazmowej. Na zdjęciach wykonanych w świetle widzialnym może również zostać zobrazowana struktura warstwy plazmowej, a w niektórych wypadkach, także struktura samego pinchu (Rys 1.9).

Rys. 1.9. Zdjęcia wyładowania Plasma-Focus w atmosferze deuteru, uzyskane za pomocą różnych filtrów barwnych.

Jakkolwiek pomiary te mogą wiele powiedzieć o wyładowaniu Plasma-Focus i jego dynamice, nie dostarczają one informacji o takich własnościach jak temperatura i koncentracja elektronowa oraz skład chemiczny plazmy. Parametry te mogą być określone na podstawie badań spektroskopowych.

Gęstość (koncentrację) plazmy w wyładowaniach typu Z-pinch określić można również na podstawie badań interferometrycznych, wymagają one jednak skomplikowanej aparatury oraz założeń o symetrii, które w ogólności nie muszą być spełnione. W porównaniu z tymi metodami, pomiary spektroskopowe są łatwiejsze do przeprowadzenia, i wymagają jedynie założenia lokalnej równowagi termodynamicznej badanej plazmy.

Podstawowymi wielkościami, które można obliczyć na podstawie zmierzonego widma są temperatura i koncentracja elektronowa plazmy. Szczegółowa analiza zmierzonego widma wraz z identyfikacją linii umożliwia określenie składu pierwiastkowego plazmy oraz dynamiki zmian tego składu, np. podczas oddziaływaniu wiązek plazmowych z tarczami. Należy zauważyć, że obszar plazmy, z którego zbierane jest widmo emisyjne ma kształt ściętego stożka wychodzącego z kolimatora. W związku z tym widmo zbierane jest wzdłuż całej drogi optycznej i uzyskane wyniki są uśrednionymi dla pewnego obszaru plazmy [28-35].

27

2. Najważniejsze wyniki badań układów typu Plasma-Focus do roku 2008

2.1. Najważniejsze charakterystyki emisji jonów z układów PF

Pomiary jonów emitowanych z wyładowań Plasma-Focus należą do podstawowej diagnostyki tych układów. Poznanie charakterystyki czasowej, przestrzennej oraz energetycznej emitowanych cząstek jest ważne zarówno wtedy gdy układ PF wykorzystujemy jako źródło szybkich jonów, jak i dla optymalizacji układu pod względem strumienia neutronów z reakcji D-D. Emisja wysokoenergetycznych jonów była szeroko badana w urządzeniach typu PF na całym świecie [17,20,36-37].

Wyniki tych badań przedstawione były w kilkudziesięciu artykułach, zarówno przeglądowych jak i opisujących szczegółowo jedno zagadnienie. Najważniejsze z nich przedstawione zostaną poniżej.

Wszystkie wyładowania Plasma-Focus stanowią źródło impulsowych wiązek jonów gazu roboczego. Energia i intensywność tych wiązek zmienia się wraz z parametrami pracy układu. W małych urządzeniach rejestruje się 10¹⁵ jonów na wyładowanie, przy czym ich średnia energia wynosi około 90 keV. Przy zwiększaniu energii dostarczanej do układu obie wielkości rosną do 10¹⁷ jonów o średniej energii około 200 keV, a maksymalnej do kilku MeV [20,37-39].

Poniżej omówione zostaną najważniejsze wyniki pomiarów jonowych uzyskanych na układach PF-1000 i PF-360 w latach poprzedzających prace autora.

2.1.1. Pomiary integralne w funkcji czasu

Wykorzystanie kamer typu pinhole pozwala na uzyskanie informacji o ukształtowaniu wiązek jonowych padających na diafragmę wejściową. Pomiary prowadzone za pomocą detektorów śladowych pozwalają wyznaczyć rozkład przestrzenny i przybliżoną charakterystykę energetyczną emitowanych jonów (Rys.

2.1).

28

_____________

10 mm

Rys. 2.1. Typowy obraz uzyskany z wyładowania plasma focus w jonowej kamerze otworkowej rejestrującej deuterony o energiach 0,9÷1,5 MeV [20].

Wyniki badań przeprowadzonych na układach typu PF w Świerku od lat 80-tych ubiegłego wieku pokazały że wiązki jonowe emitowane wzdłuż osi układu tworzą koncentryczne struktury składające się z szeregu mikrowiązek oraz grupy śladów skupionej wokół osi symetrii układu (Rys 2.2).

Rys. 2.2. Mapa gęstości śladów jonowych uzyskanych za pomocą detektora śladowego znajdującego się w kamerze otworkowej w układzie PF-360 z pojedynczego wyładowania w warunkach E0 = 130 kJ, p0 = 10,5 hPa D2.Wartości przy obszarach

oznaczają liczbę jonów i wielkość danego pola [40].

Przesłonięcie detektorów śladowych filtrami umożliwiło zbadanie zależności rejestrowanych obrazów od energii tworzących je jonów. Zebrane wyniki pokazały, że

29

do detektorów docierają jony (deuterony) o energii nawet powyżej kilku MeV.

Zauważono również, że jony wysokoenergetyczne (E > 300 keV) tworzą wyraźnie widoczne wiązki na tle bardziej rozmytych obrazów tworzonych przez jony o niższych energiach (30 keV < E < 300 keV) [20, 40]. Kształt i charakter zarejestrowanych obrazów może być wynikiem emisji z mikroźródeł jonowych, a także odchylania trajektorii jonów pod wpływem pola magnetycznego występującego wokół kolumny gęstej plazmy. Innym wytłumaczeniem takiego ukształtowania wiązek może być oddziaływanie z plazmą i gazem wypełniającym komorę, które poprzez procesy hamowania i rozpraszania silniej wpływają na trajektorie cząstek mniej energetycznych.

2.1.2. Pomiary z rozdzielczością czasową

Badania czasowej charakterystyki emisji jonów z wyładowania Plasma-Focus wykonano przy użyciu detektorów scyntylacyjnych umieszczonych w kamerach otworkowych, bądź bezpośrednio w komorze urządzenia. Aby osłonić się od silnego impulsu światła widzialnego emitowanego podczas wyładowania, detektory przesłonięte były warstwą aluminium. Następnie scyntylatory podłączone były poprzez światłowód do fotopowielacza sprzężonego z oscyloskopem. Sygnały otrzymane z detektorów scyntylacyjnych charakteryzowały się strukturą wielopikową, w której szerokość połówkowa grupy impulsów sięgała 100 ns, i składała się ona z pojedynczych pików o szerokości około 10 ns [40]. Przykładowy sygnał z detektora scyntylacyjnego umieszczonego w kamerze pinhole przedstawiony jest Rys. 2.3.

Rys. 2.3. Przebieg sygnałów zarejestrowanych układzie PF-360 za pomocą detektora scyntylacyjnego umieszczonego w kamerze typu pinhole i sondy neutronowej

umieszczonej poza komorą[40].

neutrony

jony

Xh

Xh

D

30

Porównanie sygnałów uzyskanych z kamer pinhole i sygnałów z sond neutronowych umieszczonych na zewnątrz komory pokazało, że używane scyntylatory rejestrują także twarde promieniowanie X. Umożliwiło to zbadanie korelacji czasowych i określenie energii jonów metodą pomiaru czasu przelotu (ToF) [30].

2.2. Najważniejsze charakterystyki emisji elektronów z układów PF

Wraz z wysokoenergetycznymi jonami z układów Plasma-Focus emitowane są również relatywistyczne wiązki elektronowe. Silne strumienie elektronów skierowane są głównie wzdłuż osi układu, w kierunku elektrody wewnętrznej. Pod ich wpływem zachodzi erozja elektrody i emisja promieniowania X z materiału anody. W niektórych układach PF elektroda wewnętrzna stanowi rurę z otworem centralnym, co umożliwia wyprowadzenie cząstek poruszających się w kierunku anody na zewnątrz układu.

Określenia energii elektronów dokonano na podstawie pomiarów za pomocą spektrometru magnetycznego. Spektrometr ten wyposażony był w magnes stały, a odchylane elektrony padały na folię metalową, na której zachodziła konwersja do promieniowania X. Następnie promieniowanie to było rejestrowane na kliszy rentgenowskiej. Na Rys. 2.4 pokazane jest przykładowe widmo energii elektronów.

Rys. 2.4. Widmo energetyczne elektronów uzyskane za pomocą spektrometru magnetycznego, które uzyskano z jednego wyładowania na układzie PF-360

przy U₀ = 32 kV, p₀ = 5,3 hPa D₂.[40].

Pomiary na układzie PF-360 pokazały, że elektrony posiadają energie w przedziale 50 – 700 keV. Zauważono, że wraz ze zmniejszeniem ciśnienia gazu roboczego intensywność i szerokość zarejestrowanych widm rośnie. Nie zależą one

energia [keV]

gęstość optyczna [a.u.]

31

natomiast od napięcia pracy, a także słabo zmieniają się ze zmianą składu gazu roboczego [40].

2.3. Najważniejsze wyniki pomiarów promieniowania widzialnego

Badania spektroskopowe plazmy przy użyciu spektrometru z czasową zdolnością rozdzielczą były prowadzone w ośrodku w Świerku od roku 2000. Pomiary przeprowadzano na układzie PF-360 i RPI-IBIS, a także na układzie PF-1000. Na podstawie zmierzonych widm określono jakie pierwiastki wchodzą w skład plazmy, a także jej podstawowe parametry – koncentrację elektronową i temperaturę. Pomiary w zależności od czasu i położenia dostarczały informację o czasowo-przestrzennej dynamice wyładowania.

2.3.1. Badania na układzie PF-360

Na układzie PF-360 widma zbierane były z trzech obszarów plazmy, przy różnych czasach ekspozycji i opóźnienia względem momentu maksymalnej kompresji, co zostało przedstawione na rys. 2.5.

Rys 2.5. Położenie kolimatora optycznego w trakcie pomiarów na układzie PF-360 . Parametry plazmy określano na podstawie szerokości linii deuteru serii Balmera Dα, Dβ lub Dγ. Przykładowe widma zarejestrowane na układzie PF-360 przedstawia Rys. 2.6. Jak można zauważyć w małej odległości od elektrod plazma zawierała więcej

32

zanieczyszczeń (głównie miedzi), natomiast w większym oddaleniu obserwowano głównie linie czystego deuteru. Wyznaczona na podstawie parametrów linii widmowych koncentracja plazmy zawierała się w granicach 10¹⁶-10¹⁷ cm^-3, a maksymalna temperatura elektronowa sięgała 1 keV

a) b)

Rys. 2.6. Widma optyczne zarejestrowane na układzie PF-360 w odległości a) 2,5 cm b) 35 cm od końca elektrod.[28].

2.3.2. Badania na układzie PF-1000

Pomiary spektroskopowe na układzie PF-1000 prowadzone były w różnych warunkach gazowych i napięciowych. Wyniki tych pomiarów umożliwiły określenie koncentracji elektronowej swobodnych strumieni plazmy w zależności od czasu i parametrów wyładowania.

Rys. 2.7. Schemat układu eksperymentalnego do zbierania widm optycznych z wyładowań w układzie PF-1000.

kwarcowy kolimator

elektrody

światłowód komora PF-1000

obszar pinchu plazmowego

350 400 450 500 550 600 650 700

0 20000 40000 60000 80000

Wavelength [nm]

Intensity [a.u.]

D-delta D-gamma

D-alpha D-beta

t_exp= 100µs position (3), z = 35cm Yn= 34500

U₀= 30kV, p₀=6hPa D₂

PF-360 (3)

Shot 030128 01

350 400 450 500 550 600 650 700

0 20000 40000 60000 80000

CuI 406.2 CuI 465.0

CuII 490.9

CuI 515.3 CuI 521.8

N II 566.6 D-beta

D-gamma

D-alpha t_exp= 100µs

position (1), z = 2.5cm U₀= 30kV , p₀= 6hPa D₂, Y_n=16000

PF-360 (1)

Shot 030212 02

Intensity [a.u.]

Wavelength [nm]

33

W niektórych eksperymentach na osi urządzenia umieszczane były tarcze wykonane m.in. z wolframu lub kompozytów węglowych. Widma zbierano za pomocą kolimatora umieszczonego na bocznej ścianie komory próżniowej, jak pokazano na Rys. 2.7 [29].

Na podstawie wykonanych badań stwierdzono, że charakter i kształt linii widmowych wyraźnie zmienia się z czasem. Pomiary z długim czasem ekspozycji dostarczają informacji o występujących w plazmie pierwiastkach, nie pozwalają jednak prawidłowo określić parametrów plazmy (patrz Rys. 2.8a).

Niektóre linie widmowe pojawiają się w określonym momencie po początku wyładowania zatem możliwe jest zebranie widma tzw. „czystej” plazmy odpowiednio dobierając czas otwarcia migawki.

a)

b)

Rys. 2.8. Przykładowe widma optyczne zarejestrowane z wyładowań na układzie PF- 1000 przy czasie ekspozycji: a) 200 µs i b) 0,5 µs od początku wyładowania[29].

długość fali [nm]

długość fali [nm]

intensywność [a.u.] intensywność [a.u.]

34

Koncentracja plazmy określona na podstawie szerokości linii D_β wynosiła około 5×10¹⁸ cm^-3 i zmniejszała się z czasem.

Na podstawie zależności czasowej widm określono także moment pojawiania się linii zanieczyszczeń (tj. materiału z elektrod) równy około 6 µs. Świecenie plazmy utrzymywało się dużo dłużej - linie deuteru obserwowano nawet powyżej 100 µs po momencie maksymalnej kompresji [28-29], czyli tak długo dopóki napięcie między elektrodami i natężenie prądu płynącego przez układ umożliwiają jonizację gazu i istnienie gęstej, gorącej plazmy.

35

3. Sformułowanie głównej tezy rozprawy

3.1. Uzasadnienie i sformułowanie tezy

Na podstawie przedstawionych powyżej wyników badań (mimo zgromadzenia dużej ilości danych eksperymentalnych) stwierdzono, że zachodzi potrzeba dokładniejszego zbadania emisji jonowej i elektronowej z układów PF-1000 i PF-360.

Pomiary widm optycznych plazmy powinny przy tym stanowić uzupełnienie takich badań, pozwalając na określenie dynamiki wyładowań i wyznaczenie zmian koncentracji plazmy.

W układzie PF-360 przeprowadzono wcześniej dość szczegółowe badania jonów i elektronów[31,40], ale potrzeba dalszych eksperymentów wynikła z możliwości zastosowania lepszych detektorów i urządzeń pomiarowych. Natomiast w układzie PF- 1000 emisja jonów i elektronów była wcześniej zbadana tylko wyrywkowo i brak było jej pełniejszego opisu. Ponadto potrzebna była dokładniejsza analiza teoretyczna zgromadzonych wyników, w tym numeryczna symulacja zachowania cząstek w sznurze plazmowym.

Kierując się powyższymi spostrzeżeniami, autor sformułował następującą tezę:

„Szczegółowe pomiary wiązek jonowych i elektronowych emitowanych podczas wyładowań Plasma-Focus z wykorzystaniem kamer typu pinhole i odpowiednich spektrometrów powinny umożliwić wyciągnięcie wniosków odnośnie wewnętrznej struktury kolumny plazmowej (pinchu) i rozmieszczenia źródeł szybkich jonów”.

3.2. Sformułowanie szczegółowych zadań badawczych

W celu udowodnienia powyższej tezy zaplanowane zostały następujące zadania badawcze:

1. Wykonanie pomiarów struktury wiązek jonowych za pomocą kamer typu pinhole wyposażonych w jądrowe detektory śladowe. Kamery te należy umieścić wzdłuż osi symetrii układu Plasma-Focus i pod wybranymi kątami.

2. Zbadanie zmienności rejestrowanych obrazów jonowych w zależności od energii jonów (z wykorzystaniem filtrów Al o różnej grubości) i warunków wyładowania.

36

3. Zbadanie dynamiki wiązek jonowych za pomocą kamer wyposażonych w miniaturowe scyntylatory (tj. wykonanie pomiarów rozwiniętych w czasie).

4. Wykonanie pomiarów widma energetycznego jonów emitowanych z plazmy, m.in. za pomocą miniaturowego spektrometru typu Thomsona wyposażonego w jądrowe detektory śladowe.

5. Określenie momentu generacji jonów na podstawie pomiarów z wykorzystaniem spektrometru Thomsona wyposażonego w miniaturowe detektory scyntylacyjne.

6. Wykonanie pomiarów widma energetycznego i struktury wiązek elektronowych emitowanych wzdłuż osi symetrii układu Plasma-Focus, w kierunku przeciwnym, jak również zgodnym z kierunkiem ruchu warstwy prądowej.

7. Określenie koncentracji elektronowej plazmy na podstawie pomiarów wykonanych metodami optycznej spektroskopii emisyjnej.

8. Przeprowadzenie numerycznych symulacji (tj. modelowania) ruchu jonów w otoczeniu włókien (filamentów) prądowych oraz porównanie otrzymanych wyników symulacji z rezultatami pomiarów.

Realizacja sformułowanych wyżej zadań zostanie opisana w następnych rozdziałach dysertacji.

37

4. Opis układów eksperymentalnych

4.1. Opis układu PF-360

Układ plazmowy PF-360 jest układem Plasma-Focus typu Mathera, zbudowanym i zlokalizowanym Ośrodku Jądrowym w Świerku. Zewnętrzna elektroda jest miedzianym cylindrem o średnicy 170 mm. Wewnętrzną elektrodę o średnicy 120 mm tworzy miedziany, pusty w środku walec, na którego końcu znajduje się otwór o średnicy 40 mm. Obie elektrody mają długość 300 mm. Pomiędzy elektrodami znajduje się specjalnie ukształtowany, walcowy izolator o długości 80 mm, wykonany z ceramiki alundowej (Al2O3) [28, 30, 40]. Komora urządzenia zbudowana jest ze stali nierdzewnej. Schemat i widok ogólny urządzenia przedstawiają Rys. 4.1 i 4.2.

Rys. 4.1. Schemat układu PF-360 z zaznaczonymi portami diagnostycznymi.

a) b)

Rys. 4.2. Fotografie układu PF-360: a) komora próżniowa wraz z zamontowanymi kamerami typu pinhole, b) wylot koncentrycznych elektrod.

elektroda zewnętrzna

IPC (45°)

elektroda wewnętrzna

IPC (0°)

komora próżniowa

kamery jonowe spektrometr Thomsona

pas Rogowskiego izolator

liczniki neutronów

komora próżniowa kamery jonowe spektrometr optyczny

pinch plazmowy elektrody