СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Введение............................................................. 3
Глава I. Разработка и исследование координатных газоразрядных детекторов для регистрации излучения
о
плазмы в диапазоне длин волн Л = 600-2000 А в
1.1. КГД на парах этилферроцена для регистрации длинноволнового ЗУФ излучения.............................. 7
1.2. Сравнение этилферроцена с ТМАЕ........................... Ю
1.3. Исследование газоразрядных детекторов,работающих
в режиме тлеющего разряда........................... 14
а) Исследование доменной неустойчивости положительного столба тлеющего разряда, обнаруженной в детекторах с большой амплитудой сигнала............. 16
б) Пространственно-периодическая контракция положительного столба тлеющего разряда.................. 29
в) Анализ возможности улучшения координатного разрешения счетчиков с большой амплитудой импульса............................................ 36
1.4. Безоконный сцинтилляционный КГД для регистрации далекого В УФ излучения плазмы.................... 48
Глава 2. Координатные газоразрядные детекторы для регистрации рентгеновского излучения плазмы.................... 54
2.1. Обзор детекторов рентгеновского излучения.............. 54
2.2. Энергетическое разрешение газоразрядных детекторов 56
2.3. Газоразрядный координатный детектор для регистрации рентгеновского излучения плаз?лы, работающий в
неоднородной по объему газовой смеси.............. . . . . во
2.4. Газоразрядный многонитевой детектор для УМР области спектра с улучшенным энергетическим разрешением?!
Глава 3. Газоразрядная электронная пушка для генерации
интенсивного УМР излучения............................... 77
3.1. Электронно-оптические системы, формирующие электронный поток высокой интенсивности и структура ГЭП 80
3.2. Расчет газоразрядной электронной пушки.................. 90
3.3. Конструкция газоразрядной электронной пушки.......... 96
3.4. Испытания газоразрядной электронной пушки и ее основные характеристики...................................... 101
3.5. Обсуждение результатов исследования газоразрядной электронной пушки............................................ 116
3.6. Возможные применения газоразрядной электронной
пушки................................................... 119
Глава 4. Применение газоразрядных приборов для исследования ВУФ и УМР излучения плазмы на плазменной СВЧ установке большого давления с щелевой нагрузкой 122
4.1. Предварительные измерения ВУФ и УМР излучения дей-териевой плазмы на установке с щелевой нагрзкой
при давлении до 10 атгл и мощности до 30 кВт......... 126
4.2. Регистрация УМР излучения при пробоях между стаканами в резонаторе......................................... 134
4.3. Отладка СВЧ плазменной установки.........................142
4.4. Исследование УМР и ВУФ излучения при вводимой мощности до 60 кВт........................................... 142
4.5. Определение прозрачности плазмы СВЧ разряда для
УМР излучения............................................147
4.6. Измерение электронной температуры нитевидных образований в плазме СВЧ разряда с помощью КГД с высоким энергетическим разрешением..............................153
Заключение.........................................................162
Список литературы..................................................165
- 3 -
ВВЕДЕНИЕ
Степень понимания процессов, происходящих в плазме, во многом зависит от развития методов ее диагностики. Важное место среди различных методов диагностики занимает исследование вакуумно-ультрафиолетового (ВУФ) л ультрамягкого рентгеновского (УМР) излучения плазмы, в частности потому, что излучение в этих диапазонах определяется наиболее энергичными электронами плазмы.
Однако, диагностика плазмы в ВУФ и УМР областях спектра -задача довольно сложная. Трудности обусловлены, с одной стороны, сильным поглощением излучения на пути к детектору, а, с другой стороны, недостаточным развитием техники приема и спектрального анализа излучения [1,2] .
В работе [2] показано, что перспективными детекторами излучения для диагностики плазмы в ВУФ и рентгеновской областях спектра представляются координатные газоразрядные детекторы (КГД). Действительно, с помощью КГД можно регистрировать непрерывное и импульсное излучение плазмы различной интенсивности (в том числе и очень слабой ~1 фотон/мин) в ВУФ и рентгеновской областях спектра на фоне сильного инфракрасного и видимого излучения. Измерения можно проводить в широком или в заранее выбранных узких спектральных диапазонах. Существенно также и то, что наряду с высокой эффективностью регистрации С ~10 -100$) КГД обладают также и достаточно высоким координатным, энергетическим и временным разрешением. Эта особенность КГД позволяет исследовать с их помощью излучение неоднородной в пространстве плазмы, характеристики которой меняются во времени. Однако, эта весьма перспективная техника приема и анализа ВУФ и УМР излучения в настоящее время находится в начальной стадии
- 4 -
развития.
При изучении плазмы на основе анализа ее ВУФ и УМР излучения необходимо учитывать сильное поглощение этого излучения на пути к детектору. Поглощение происходит, в основном, в толще холодного газа, окружающего плазму, и в разделительных окнах. Иногда оно обусловлено также наличием в плазме некотролируемых примесей. Поэтому, во многих случаях поглощение нельзя рассчитать аналитически. Его можно, в принципе, оценить экспериментально, просветив плазму УМР излучением от внешнего источника. Однако, существующие в настоящее время рентгеновские трубки, применяемые в лабораторных условиях для генерации УМР излучения { Е,) ~ 100 + 300 эВ), не обладают достаточно высокой интенсив-ностыо, необходимой для просвечивания плотной плазмы, содержащей примеси.
Цель данной работы заключалась в разработке комплекса газоразрядных приборов (детекторы ВУФ и рентгеновского излучения и интенсивный источник УМР излучения), позволяющего расширить возможности приема и анализа ВУФ и УМР излучения, а также учитывать поглощение этого излучения на пути от исследуемого объекта до приемника излучения.
Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе изучены возможности улучшения существующих детекторов ВУФ излучения, а также рассмотрены новые типы КГД, способные регистрировать излучение в наиболее труднодоступных для КГД областях спектра ( 600 X А £ 1050 А и 1500 $ £ Д £ 2000 А). В этой главе описаны новые физические явления (доменная неустойчивость и пространственно-периодическая контракция положительного столба тлеющего разряда), обнаруженные при исследовании детекторов ВУФ излучения. Во второй главе диссертации проведен анализ различных способов улучшения энергетического разрешения газораз-
- 5 -
рядных детекторов рентгеновского излучения и описаны созданные на основе этого анализа КГД с рекордным энергетическим разрешением. Третья глава посвящена газоразрядной электронной пушке (ГЭП), предназначенной для генерации интенсивного УМР излучения, необходимого для просвечивания плазмы, содержащей примеси. В этой главе описана электронно-оптическая система нового типа, формирующая радиально сходящийся электронный поток и работающая в газоразрядном режиме. Приведены результаты исследования газоразрядного режима работы ГЭП, а также рассмотрены физические причины, позволяющие осуществить такой режим работы. В четвертой главе описаны некоторые примеры применения разработанного комплекса газоразрядных приборов в экспериментах по изучению СВЧ плазменного шнура высокого давления [з] .
6
Глава I. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КООРДИНАТНЫХ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ В ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН А = 600 * 2000 А
Как уже отмечалось во введении, одним из существенных преимуществ КГД является их способность регистрировать слабые потоки ВУФ излучения в достаточно узких ( ~ 50 Ъ спектральных интервалах на фоне сильного видимого излучения. Это позволяет проводить качественный^анализ без использования вакуумных спектрографов или монохроматоров, эффективность регистрации которых в ВУФ области спектра мала [г] . Желательно, чтобы КГД, применяемые для регистрации ВУФ излучения, имели максимально возможный коэффициент газового усиления. Это вызвано тем, что при регистрации ВУФ фотона в детекторе образуется лишь один первичный электрон. Амплитуда сигнала с детектора, которая пропорциональна А 'А/» ( А - коэффициент газового усиления, А/> - число первичных электронов), при малых значениях А может оказаться недостаточной для выделения сигнала на фоне шума. В работе [2]
описаны универсальные КГД ВУФ излучения с большими коэффициен-
£
тами газового усиления (А > 10 ), обладающие всеми перечисленными во введении достоинствами. Эти КГД рассчитаны лишь на область 1050 А ^ А ^ 1600 X. Однако, при исследовании ВУФ излучения плазмы часто требуется проводить измерения в более широкой области спектра [ф] (см.также гл.4). Поэтому возникла необходимость в разработке КЩ с большим коэффициентом газового усиления для регистрации ВУФ излучения в широком (600 А ^ А 2000 1) спектральном диапазоне.
- 7 -
§ I.I. КГД на павах этилФетгооиена для регистрации длиноволнового ВУФ излучения
Спектральная чувствительность КГД определяется потенциалом ионизации рабочего газа. Потенциалы ионизации веществ, используемых обычно в счетчиках для гашения, лежат в области Е > =
= 8-10 эВ ( /\ % II00-I500 А) £5—7J . Однако, применяя в качестве рабочих смеси, содержащие, например, пары этилферроцена (потенциал ионизации ~ 6 эВ), можно регистрировать ВУФ излучение в более широком диапазоне длин волн вплоть до X - 2000 1 [в“] . Следует отметить, что при работе с веществами,подобными этилфер-роцену, возникают трудности, связанные с низким давлением их насыщенных паров ( р * I Topp при t = 20°С). Как показали наши опыты, гасящие свойства рабочей смеси оказываются при этом недостаточно эффективны. ВУФ фотоны, образовавшиеся в лавинах, поглощаются вдали от этих лавин, что может вызывать вторичные лавины на других нитях КГД даже при не очень высоких коэффициентах газового усиления. Малость предельного коэффициента газового усиления (А < I04) делает детектор практически неработоспособным. Кроме того, из-за большой длины свободного пробега ВУФ фотонов эффективность регистрации длиноволнового излучения обычных (некоординатных) детекторов, наполненных парами этилферроцена [в] , оказывается очень низкой. Именно поэтому многопроволочные камеры и КГД, наполненные парами этилферроцена либо других веществ с малым давлением насыщенных паров, ранее никогда не использовались. Отмечанные трудности можно преодолеть двумя способами: во-первых, можно заключить детектор в подогреваемую оболочку, повышая тем самым давление насыщенных паров за счет повышения температуры рабочей смеси, во-вторых, можно подобрать соответствующую геометрию конструкции детектора, а также диаметры нитей и рабочее напряжение так, чтобы увеличи-
- 8 -
лась оптическая толщина газа и предельно достижимый коэффициент газового усиления. При разработке детекторов, предназначенных для исследования излучения плазмы, мы использовали оба этих способа [9-12] . Фотоионизируемыми добавками в КГД служили при этом пары этилферроцена и диэтилферроцена.
В случае, когда детектор заключен в подогреваемую оболочку и его рабочая температура составляет Т ^ 50°С, гасящие свойства смеси, как показали наши опыты, заметно улучшаются. Предельно достижимый коэффициент газового усиления увеличивается до
Г.
А ~ 10 . Подогреваемый детектор может работать как в смеси газов, содержащей пары фотойонизируемой добавки, при давлении р = I атм, так и в чистых парах фотоионизируемой добавки при низком давлении.
Неподогреваемый КГД, наполненный парами этилферроцена и работающий при комнатной температуре, изображен на рисунке I.
За счет присутствия в счетчике буферного газа (ксенона) давление смеси поддерживается на уровне р да I атм. ВУФ излучение
поступает в счетчик через />' окно I. Сетки 2 и 3 разделяют
объем счетчика на дрейфовый промежуток, где происходит ионизация паров этилферроцена ВУФ излучением и камеру, где расположен многонитевой счетчик 4. Напряжение между сетками 2 и 3 составляет примерно I кВ, а меаду анодными нитями 4 и сеткой 3 - примерно 1,5 кВ. Из-за большой величины оптического пути практиче-
ски все ВУФ фотоны поглощаются внутри объема детектора. Электроны, образующиеся при фотоионизации, дрейфуют в сторону мно-гонитевого счетчика и вызывают лавины вблизи анодных нитей. Координаты лавин определяются с точностью ~ I мм. Эффективность регистрации КГД в спектральной области . 1050 А 4 А £ 1950 Ч -10-30%. Предельный коэффициент газового усиления для этой ко-
С
струкции А 4 10 . Такого усиления уже достаточно для надежной
- 9 -
РИС. I
Схематический чертеж КГД на парах этилферроцзна для регистрации излучения с длиной волны 1050 А^Л *2000
I - Ь;Р окно, 2 - сетка, 3 - катодная сетка,
4 - анодные нити многопроволочной камеры.
о«!*
- 10 -
регистрации и пространственной локализации отдельных фотоэлектронов. На основе опытов, описанных в работе [іб^ , можно объяснить причины получения в данной конструкции высокого значения А. В смеси этилферроцена с Хе. даже при малых значениях рабочего напряжения V , при использовании тонких (Ф < 20мкм)
анодных нитей, электрическое поле вблизи нитей достаточно вели-
с л молекулу
ко для того, чтобы атомігЛе возбуждались и излучали. Из-за слабых гасящих свойств рабочей смеси, это может привести к перекидыванию лавины на другие нити. Если же нити более толстые (в данной конструкции диаметр нитей £ = 100 мкм), то аналогичный эффект произойдет уже при больших напряжениях V , а значит и при больших значениях А [іб] . Таким образом, предельно достижимое значение А возрастает.
Мы испытали работу описанного детектора и на тройных смесях (например, Аг + 10% СН^ + этилферроцен). В таких смесях также удалось получить высокие (вплоть до 10 ) значения коэффициента газового усиления.
■ § 1.2. Сравнение этилферроцена с ТМАЕ
Практически одновременно с нами работы по созданию координатного фотоионизационного детектора, рассчитанного на область А - 1500-2300 А, была проведена Д.Андерсоном [із] . Он предложил наполнять фотоионизационный детектор смесью ксенона с парами тетракис (диаметиламино)этилена (ТМАЕ). Такой детектор также
обладает высокой чувствительностью к излучению с длиной волны о , о
1500 А ^ л $ 2000 А. Д.Андерсон пытался использовать в качестве фотоионизируемой добавки к ксенону также и ферроцен. Однако, эти попытки не принесли успеха [із] . Мы провели отдельную работу по сравнению свойств этилферроцена, диэтилферроцена и ТМАЕ?
х Опыты с ферроценом в неподогреваемых детекторах не увенчались успехом также как и в [13] .
- II -
На рис.2 изображена зависимость чувствительности этих веществ к излучению различных длин волн. Из рисунка видно, что пары ТМАЕ гораздо более чувствительны к ультрафиолетовому излучению, чем пары этилферроцена. Чувствительность диэтилферроцена к ВУФ и ультрафиолетовому излучению не значительно отличается от чувствительности этилферроцена.
Фотоионизационный детектор Андерсона, наполненный парами ТМАЕ, предназначался для регистрации сцинтилляционных вспышек в
(о принципе работы такого КГД см. в § 1.4). Основное требование, предъявляемое к такому детектору заключается в том, чтобы зарегистрировать по-возможности большее число фотонов в как можно более широком спектральном диапазоне. В физике высоких энергии для регистрации черенковского излучения в настоящее время используют детекторы, также наполненные парами ТІШ,. Требования, предъявляемые к ним, аналогичные. Поэтому в обоих случаях целесообразно детектор наполнять парами ТМАЕ, а не парами этилферроцена. Для диагностики же плазмы, когда ВУФ излучение регистрируется на сильном ультрафиолетовом фоне и требуется осуществить узкополосный прием излучения, целесообразно в качестве фотоиони-зируемой добавки в детекторах использовать вещества из группы ферроценов.
Мы сравнивали также предельные коэффициенты газового усиления в детекторе, работающем на парах этилферроцена, либо диэтилферроцена, и в таком же детекторе работающем на парах ТМАЕ. В первом случае предельный коэффициент газового усиления был в несколько раз выше. Основная причина, не позволяющая получать большие коэффициенты газового усиления при работе с
газовом пропорциональном сцинтилляционном счетчике
г
РИС. 2
Спектральная чувствительность ТМАЕ ^пунктирная линия), этилферроцека и диэтилферродена {сплошная линия). Данные для ТМАЕ в области 1500^ А 2§Э0 А взяты из работы [б].
- 13 -
ТМАЕ - это конденсация паров ТМАЕ на поверхности катода34. В результате конденсации резко уменьшается работа выхода с катода, что увеличивает вероятность вторичных процессов на катоде и, следовательно, ограничивает А [б] .(Эффект конденсации паров ТМАЕ может оказаться и полезным. На основе этого эффекта Д.Андерсон построил^детектор с жидким фтокатодом, обладающий в на-<самои.
стоящее время'шсокой чувствительностью к излучению с длиной волны А * 2000 А Гю] .)
Из-за невозможности получения больших ( ~ Ю6) коэффициентов газового усиления при работе с ТМАЕ, сильно затрудняется координатный опрос детектора [ю] . Поэтому в физике высоких энергий возникла необходимость создания многоступенчатых пропорциональных камер, наполненных смесями, содержащим пары ТМАЕ и предназначенных для регистрации и пространственной локализации отдельных фотоэлектронов [б,7] . По своему назначению многоступенчатые камеры с парами ТМАЕ аналогичны КГД с парами этилфер-роцена. Однако, КГД существенно более просты в изготовлении и
1наших1
с ними удобнее работать. Поэтому после^публикациМ в ведущих лабораториях за рубежом, занимающихся исследованиями в области физики высоких энергий, изучаются возможности создания координатных детекторов, в основном подогреваемых (с целью получения большего предельного значения Л ), работающих на парах этил-ферроцена.
Мы, в свою очередь, попытались увеличить предельно достижимое значение А в конструктивно более простом неподогревае-мом детекторе, используя гейгеровский режим работы. Эти попыт-
ки успехом не увенчались. При^коэффициентах А ^ 10 счетчик с
{(е толстой окьднои нитью), парами этилферроцена^пёреходит в область тлеющего разряда, ми-
х В случае этилферроцена этот эффект отсутствует.
- 14 -
нуя гейгеровский режим. При этом пропадает пропорциональная зависимость амплитуды импульсов с детектора от величины первичной ионизации. Однако, для БУФ счетчиков, регистрирующих отдельные фотоэлектроны, пропорциональный режим работы необходим лишь для локализации лавин, а спектральные измерения с помощью КГД проводятся здесь другими методами [12] . Таким образом, возникает
возможность создания КГД, работающих на основе тлеющего разряда
о
и обладающих большой амплитудой импульсов в широком (1050 Л < о
2000 А) спектральном диапазоне.
Мы подробно исследовали возможности таких КГД и физические причины, определяющие их амплитуду и форму импульса, а также координатное разрешение.
§ 1.3. Исследование газоразрядных детекторов.
•работающих в режиме тлеющего разряда
Газоразрядные детекторы, работающие в режиме тлеющего разряда, подробно изучались и описаны в литературе [20,2і] . Амплитуда импульсов с нитей достигает в них 1-Ю В. При этом нет никакой необходимости использовать предусилители, что особенно важно для КГД, где число нитей велико.
Нами было обнаружено, что в некоторых режимах амплитуда игл-пульсов с таких детекторов может достигать еще больших величин, вплоть до 100 В. Для того, чтобы понять этот эффект, мы более подробно изучили процесс развития разряда в отдельном детекторе.
Как показали наши оптыты, на ранней стадии развитие разряда в коаксиальном счетчике аналогично развитию разряда в геометрии "острие-плоскость" [22] . Сначала на аноде (анодом служит острие) возникает коронный разряд. Из-за флуктуаций диаметра разряда, в некотором месте суммарное электрическое поле может возрасти. При этом увеличится частота ионизации, образуется но-
- Киев+380960830922