Приборы и техника эксперимента, 2021, № 2, стр. 100-106

Одним из основных направлений исследований, проводимых на установке “Искра-5”, является изучение процессов переноса рентгеновского излучения в замкнутых полостях и в режиме теплового пробоя, протекающих при взаимодействии мощного лазерного излучения второй гармоники йодного лазера установки “Искра-5” с рентгеновскими боксами-конверторами. В качестве источника рентгеновского излучения на установке “Искра-5” используется цилиндрический бокс-конвертор “Иллюминатор” [1], внешний вид которого изображен на рис. 1.

Рис. 1.

Источник рентгеновского излучения “Иллюминатор”.

В проведенной серии экспериментов мишень “Иллюминатор” представляла собой цилиндр из Au-фольги толщиной 10 мкм либо полипараксилилена толщиной ∼12 мкм, покрытого изнутри слоем Au толщиной ∼3 мкм. Диаметр цилиндра 670 мкм, длина 900 мкм. Один из торцов цилиндра закрыт Al-фольгой, покрытой Au, а второй – является окном для выхода рентгеновского излучения из конвертора. На боковой поверхности цилиндра имеются четыре отверстия диаметром 0.3 мм для ввода лазерного излучения с энергией 600–1000 Дж от 4–6 каналов установки при длительности лазерного импульса 0.3–0.5 нс.

Лазерное излучение, взаимодействуя с Au-покрытием стенки мишени, формирует лазерную корону с температурой ∼1 кэВ. Рентгеновское излучение короны преимущественно поглощается стенками мишени, прогревает их, и они начинают излучать рентгеновское излучение со спектром, близким к планковскому, с температурой 100–150 эВ.

Сквозь выходное окно “Иллюминатора” однородно по пространству окна [2] (до момента схлопывания плазмы в центре “Иллюминатора” через 0.6–0.7 нс после начала облучения) излучается рентгеновское излучение со спектром, близким к планковскому, с температурой 110–140 эВ, а также жесткое рентгеновское излучение короны. В спектральном диапазоне <1 кэВ вклад излучения короны незначителен. Это излучение и облучает образцы исследуемых материалов или дополнительные мишени, которые устанавливаются на выходе “Иллюминатора”.

При исследовании распространения рентгеновского излучения в замкнутых полостях к торцу “Иллюминатора” крепился дополнительный бокс диаметром 670 мкм и длиной 1.4 мм из полипараксилилена, покрытого изнутри слоем исследуемого материала, по которому распространялось рентгеновское излучение. На боковой поверхности бокс имел щель размером 200 × 700 мкм, через которую проводилось измерение скорости распространения рентгеновского излучения вдоль бокса.

В части экспериментов дополнительный бокс заполнялся малоплотной пеной с ρ ≈ (1–2) ⋅ 10^–2 г/см³. Полученная мишень вставлялась в экран из Cu размером 30 × 30 мм, препятствующий попаданию рассеянного лазерного излучения в нижнюю часть камеры взаимодействия (экран необходим при регистрации видимого излучения из мишени). Мишень в камере размещалась вертикально, “Иллюминатор” – над экраном, дополнительный бокс – под ним. Фотография одной из мишеней представлена на рис. 2а.

Рис. 2.

Фотографии мишеней, предназначенных для определения скорости распространения рентгеновского излучения в замкнутых полостях (а) и в режиме теплового пробоя при размещении фольг на торце мишени (б, в), схема мишени при размещении фольг на диагностической щели дополнительного бокса (г).

Для исследования распространения рентгеновского излучения в режиме теплового пробоя использовались две схемы проведения экспериментов. В первой схеме исследуемые фольги размещались непосредственно на фланце из Al-фольги с отверстием в центре, закрепленном на выходном окне “Иллюминатора”. Диаметр отверстия фланца из Al-фольги был равен диаметру выходного окна “Иллюминатора”. На отверстие наклеивались три фольги с толщинами от 0.2 до 2 мкм и шириной ∼200 мкм каждая.

Центральная фольга была прозрачной для рентгеновского излучения (углеродная пленка) и служила для определения момента начала облучения, а две другие фольги, выполненные из одного из материалов: Au, Al, Mg, Ti или Fe, предназначены для исследования. Разница во времени между появлением излучения за углеродной и исследуемыми фольгами и является временем их теплового пробоя. Эти мишени размещались в камере горизонтально.

Недостатком данной схемы является то, что в большинстве экспериментов при регистрации излучения в спектральном диапазоне >0.7 кэВ жесткое излучение короны, прошедшее сквозь исследуемые фольги, имеет интенсивность, сравнимую с полезным сигналом, что не позволяет надежно определить время пробоя в таких спектральных каналах. Фотографии одной из таких мишеней приведены на рис. 2б, 2в.

Этого недостатка лишена вторая схема, в которой две мишени “Иллюминатор”, в каждую из которых заводится по 4 лазерных пучка, облучают расположенный между ними цилиндрический бокс. Бокс диаметром 670 мкм и длиной ∼1 мм покрыт изнутри Au, на его боковой поверхности имеется щель размером 200 × 700 мкм, на которую наклеены 3 исследуемые фольги. Мишень в камере размещена вертикально. Недостатком такой схемы является появление дополнительной погрешности в определении времени пробоя, связанной с погрешностью определения скорости распространения излучения по цилиндрическому боксу. Схема одной из таких мишеней приведена на рис. 2г.

Для регистрации во времени свечения рентгеновского излучения за различными фольгами, а также свечения от отверстий ввода и различных участков щели использовались схемы пространственно-временной регистрации одновременно в нескольких спектральных интервалах и схема многокадровой регистрации. Временное разрешение обеспечивали 2 рентгеновских фотохронографа РФР-4 [3] и многокадровая лупа времени СХР7 [4], а пространственное разрешение и выделение узких спектральных интервалов – спектрографы РИВС-4 [5].

Фотографии РФР-4 и СХР7 со спектрографом РИВС-4 приведены на рис. 3.

Рис. 3.

Фотографии РФР-4 (а) и многокадрового регистратора СХР7 со спектрографом РИВС-4 (б).

Схема измерения и фотография одного из приборов, реализующих методику пространственно-временной регистрации излучения в спектральном диапазоне <1 кэВ, приведены на рис. 4. Спектрограф РИВС-4 при помощи щелевых обскур строит 3 изображения мишени на фотокатоде фотохронографа, который и разворачивает полученные изображения во времени. Каждое изображение строится в своем спектральном диапазоне, вырезаемом зеркалом полного внешнего отражения и краевым фильтром. В проведенной серии экспериментов временное разрешение составило 40 пс, пространственное – 100–150 мкм.

Рис. 4.

Схема пространственно-временной регистрации (а) и фотография РИВС-4 с РФР-4, установленных на основной камере установки “Искра-5” (б). 1 – мишень, 2 – щель-обскура, 3 – фильтры из разных материалов, 4 – зеркала скользящего падения, 5 – фотокатод фотохронографа.

Предварительно на калибровочном стенде РЭКС [6] проведена калибровка всех необходимых параметров фотохронографов РФР-4, включая спектральную чувствительность, спектральное пропускание фильтров и коэффициенты отражения зеркал. Погрешность калибровки пропускания фильтров составила <2%, погрешность калибровки зеркал – 3–5%, погрешность калибровки абсолютной чувствительности РФР-4 ∼12%. Суммарная погрешность измерения абсолютных потоков рентгеновского излучения в отдельных спектральных интервалах с учетом погрешности юстировки и обработки полученных результатов не превысила 20%, что позволило измерить температуру излучения (в планковском предположении формы спектра) с погрешностью до 5%.

Обработка полученных фотохронограмм с учетом результатов калибровок однородности чувствительности по экрану, дисторсионных искажений, скорости и нелинейности развертки РФР-4 проводилась при помощи программы CCD_CAM [7]. Параметры задействованных каналов: средняя энергия кванта hν_ср в канале, рассчитанная по программе XRAY [8], материалы и толщины фильтров, полученные по результатам калибровки, а также материалы зеркал полного внешнего отражения и углы падения излучения на них – приведены в табл. 1. Величина шероховатости зеркал, измеренная на дифрактометре ДРОН-7, определена по зависимости коэффициента отражения зеркала от угла падения [9] на линии К_αTi 4.512 кэВ и составила 13 ± 1 Å для кварцевых и 17 ± 1 Å для золотых зеркал.

Каналы № 1–№ 4 выделяют узкие спектральные полосы шириной hν/dhν ∼ 3–7 и предназначены, в том числе, для измерения температуры излучения, каналы № 5а и № 5б имеют максимальную чувствительность, но два окна пропускания: одно в районе 0.25 кэВ, второе в районе 1 кэВ – и предназначены для определения моментов появления слабоинтенсивного излучения из диагностической щели. По каналам № 5 можно оценивать температуру в разных участках щели, но не в “Иллюминаторе”, так как сигнал в этих каналах от отверстий ввода определяется излучением короны.

Схема многокадровой регистрации приведена на рис. 5. Спектрограф РИВС-4 при помощи обскур диаметром 40, 20 и 10 мкм строит на полосковых линиях многокадровой лупы СХР7 набор изображений мишени. Полная длительность развертки СХР7 составила 1 нс, поэтому просматривалась только первая наносекунда свечения мишени после ее облучения лазером. Время экспозиции в отдельной точке полосковой линии равно 100 пс. Регистрация велась за углеродным фильтром толщиной 4 мкм, следовательно, регистрировалось излучение в районе 0.25 кэВ и все излучение в области >0.7 кэВ. Временное разрешение составило 100 пс, расстояние между кадрами – 100 пс, количество регистрируемых кадров за обскурами одного диаметра – 10–11 кадров, пространственное разрешение – 20–60 мкм (в зависимости от диаметра обскуры).

Рис. 5.

а – схема многокадровой регистрации (1 – мишень, 2 – блок камер-обскур, 3 – фильтр, 4 – полосковые линии на микроканальных пластинах регистратора СХР7, 5 – выходной экран на волоконно-оптической пластине, 6 – фотопленка); б – блок камер-обскур.

Фотохронограф РФР-4 № 12 предназначен для измерения параметров распространения рентгеновского излучения. РФР-4 № 12 расположен в горизонтальной плоскости камеры взаимодействия, левее на 10° относительно плоскости, проходящей через ось мишени, а СХР7 – по оси мишени, но на 10° над горизонтом. Приборы “видят” мишени почти так, как показано на рис. 2а, 2в, 2г (под углом 10° к изображениям). В мишени на рис. 2а СХР7 “видит” только отверстие ввода, так как диагностическая щель перекрыта медным экраном. Пространственное разрешение идет в вертикальном направлении. Согласно рис. 2а, 2г, РФР-4 № 12 “видит” как отверстия ввода, что позволяет определить момент начала облучения мишени, так и излучение из диагностической щели. Для мишени, показанной на рис. 2в, начало облучения определяется по свечению за центральной фольгой.

Фотохронограф РФР-4 № 13 предназначен преимущественно для определения параметров рентгеновского излучения, облучающего исследуемые мишени. Он расположен по оси мишени, но под углом 45° к горизонту. Через отверстие ввода РФР-4 № 13 “смотрит” на внутреннюю стенку “Иллюминатора” (в мишенях на рис. 2б, 2в, он “видит” верхнее отверстие ввода).

На рис. 6 приведены результаты регистрации излучения, полученные в одном из экспериментов по распространению рентгеновского излучения в замкнутых полостях (см. рис. 2а). Приведены фотохронограммы, форма импульсов из отверстий ввода и участков диагностической щели, а также уровни одинаковой интенсивности для фотохронограммы, полученной с помощью РФР № 12. Напомним, что РФР № 13 и СХР7 не “видели” диагностической щели, закрытой экраном.

Рис. 6.

Фотохронограммы, снятые приборами РФР-4 № 13 (а) и № 12 (б); форма импульсов из отверстий ввода (в, г) и из отверстия ввода и участков диагностической щели (д) (цифрами обозначены номера каналов); уровни одинаковой интенсивности фотохронограммы РФР № 12 (е).

Второй импульс, наблюдаемый на фотохронограммах, вызван свечением плазмы, схлопнувшейся на оси мишени “Иллюминатор”. Длительность импульса на полувысоте интенсивности по разным каналам в мишени “Иллюминатор” составила 0.75–0.9 нс, а из диагностической щели ∼0.4 нс. Полная длительность свечения по всем каналам совпадает, а разница в длительностях импульса на полувысоте интенсивности вызвана преимущественно различным вкладом второго импульса в полный сигнал.

Пиковая температура излучения в мишени “Иллюминатор” составила 130 ± 15 эВ, в начале диагностической щели – 90 ± 7 эВ и к ее концу – до 70 ± 6 эВ. Скорость распространения рентгеновского излучения составила в этом опыте 13 ± ± 0.5 мм/нс. В опытах, в которых канал распространения был заполнен малоплотной пеной, скорость распространения на порядок меньше и составила 1–2 мм/нс.

На рис. 7 приведены результаты, полученные в эксперименте по тепловому пробою (см. рис. 2г). Приведен участок фотохронограммы для канала № 4 и результаты регистрации многокадровой лупой СХР7 за обскурами на расстоянии 20 мкм. Согласно рис. 7в, в течение первых 200 пс наблюдается свечение только из отверстий ввода мишеней “Иллюминатор”. Начиная с кадра t = 0.3 нс, появляется свечение за центральной фольгой из углеродной пленки, с кадра t = 0.5 нс – за Au-фольгой толщиной 0.2 мкм и с кадра t = 0.6 нс – за Au-фольгой толщиной 0.4 мкм. Следовательно, с погрешностью ±50 пс времена прогрева фольг составили соответственно 0.25, 0.45 и 0.55 нс.

Рис. 7.

Вид мишени, как ее видят РФР-4 и СХР7 (а); фотохронограмма (б) и изображения, полученные с помощью СХР7 (в). 1 – отверстие ввода первой мишени “Иллюминатор”, 2 – фольга из Au толщиной 0.4 мкм, 3 – фольга из Au толщиной 0.2 мкм, 4 – фольга из углеродной пленки толщиной 0.1 мкм, 5 – отверстие ввода второй мишени “Иллюминатор”.

Определенная с помощью фотохронографов пиковая температура излучения в мишенях “Иллюминатор” составила 130 ± 15 эВ, а за фольгами: из углеродной пленки – 75 ± 7 эВ, из Au (0.2 мкм) – 60 ± 5 эВ и из Au (0.4 мкм) – 54 ± 4 эВ. Свечение из обеих мишеней “Иллюминатор” начинается одновременно, а задержки свечения за фольгами составили с погрешностью ±20 пс соответственно 0.24, 0.45 и 0.53 нс и в пределах погрешности измерений совпадают с задержками, определенными по регистратору СХР7.

На рис. 8 приведены результаты, полученные в опыте по тепловому пробою (см. рис. 2б, 2в): вид мишеней, как их видят приборы, участки фотохронограмм для каналов № 2 и № 4 и форма импульсов из различных участков мишени, а также результаты регистрации прибором СХР7 двух первых изображений за обскурами на расстоянии 20 мкм.

Рис. 8.

Слева – вид мишени, как ее видят РФР-4 № 12 (а), СХР7 (б) и РФР-4 № 13 (в), в центре – фотохронограммы (а, в) и изображения с СХР7 (б), справа – форма импульсов из отверстия ввода и за фольгами (а, в).

Согласно рис. 8б (в центре), на первом кадре наблюдается свечение только от центральной щели, а на следующем – уже за всеми тремя фольгами. Это согласуется с временем прогрева фольг, определенным при помощи фотохронографов, которое составило для фольги из Au (0.25 мкм) 55 ± 5 пс, а из Ti (0.8 мкм) – 110 ± 10 пс. Пиковая температура излучения в мишени “Иллюминатор” составила 115 ± 15 эВ, а за фольгами из Au – 85 ± 7 эВ и Ti – 70 ± 6 эВ.

Таким образом, разработанные на основе щелевых фотохронографов и многокадрового регистратора рентгеновского излучения методики позволяют измерять скорость распространения рентгеновского излучения в замкнутых полостях, которая составила от 0.5 до 13 мм/нс в зависимости от условий эксперимента, а также время теплового прогрева фольг, составившее от 50 до 550 пс (от момента начала облучения мишени). Кроме того, были измерены температура излучателя и временные параметры импульсов рентгеновского излучения как в мишенях “Иллюминатор”, так за нагреваемыми фольгами и вдоль диагностической щели.