Томские электрофизики более чем в полтора раза повысили эффективность генерации рентгеновского излучения

Коллектив отдела высоких плотностей энергии Института сильноточной электроники СО РАН создал новый двухкаскадный гибридный газовый лайнер, применение которого позволило повысить эффективность генерации излучения в жесткой части спектра более чем в полтора раза. Эксперименты выполнялись на сильноточном импульсном генераторе ГИТ-12 – уникальной исследовательской установке, которая представляет собой 12 параллельно включенных модулей, собранных по схеме генератора Маркса, и занимает площадь более 500 квадратных метров.

Процесс сжатия плазменного слоя магнитным полем тока, протекающего в этом слое, называется имплозией (взрыв направленный вовнутрь). В результате такого сжатия на оси узла нагрузки сильноточного генератора формируется столб плотной высокотемпературной плазмы – Z-пинч. Исследователи на протяжении ряда лет разрабатывают и изучают новые виды лайнеров (осесимметричных цилиндрических оболочек), в результате имплозии которых обеспечивается эффективное преобразование энергии генератора в электромагнитное излучение заданного спектрального диапазона.

– В институте создан новый гибридный лайнер с внешней плазменной оболочкой, состоящий из нескольких каскадов – слоев, каждый из которых играет свою значимую роль. Внутренний неоновый каскад, выполняющий функцию излучателя, представляет собой сплошную газовую струю на оси системы. В свою очередь внешний дейтериевый каскад необходим для стабилизации имплозии, а третий компонент, полая плазменная оболочка, обеспечивает формирование однородного токового слоя, – объясняет кандидат физико-математических наук Александр Шишлов, ведущий научный сотрудник отдела.

Целью ученых было добиться возникновения интенсивного рентгеновского излучения на К-линиях неона, то есть в самой жесткой части спектра. Для этого требовалось найти оптимальные параметры каскадов, которые бы обеспечили стабильное сжатие лайнера на протяжении нескольких сотен наносекунд, эффективную ионизацию и нагрев неоновой плазмы до температуры, необходимой для генерации излучения в нужном спектральном диапазоне.

На фото слева направо: младший научный сотрудник Р.К. Чердизов, старший научный сотрудник В.А. Кокшенев, ведущий научный сотрудник А.В. Шишлов, ведущий электроник Н.Е. Курмаев и ведущий инженер А.П. Семенов.

Благодаря оптимизации параметров нагрузки максимальный выход излучения в К-линиях неона составил 14,5 килоджоуля на сантиметр длины пинча, мощность излучения 960 гигаватт на сантиметр при пиковом токе имплозии 2,7 мегаампера и времени имплозии 750 наносекунд. По сравнению с используемыми ранее двухкаскадными неоновыми лайнерами с внешней плазменной оболочкой, эффективность плазменного источника излучения на основе гибридной нагрузки возросла в 1,6 раза.

Плазменные источники излучения имеют широкий спектр применения: они необходимы для проведения исследований экстремального состояния вещества, взаимодействия излучения с веществом, модификации поверхностей материалов, рентгеновской литографии. Знания об эффективных способах нагрева плазмы могут быть использованы для создания плазменных источников излучения в широком спектральном диапазоне, которые необходимы в некоторых схемах инерциального термоядерного синтеза.