Разработка оптического бесконтактного метода измерения

УДК 535.14(06)+621.373.826(06) Лазерная физика
Е.В. КАРЯГИН, К.Е. КОРОТКОВ, А.П. КУЗНЕЦОВ
Д.Е. ПРОХОРОВИЧ, А.С. САВЕЛОВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО БЕСКОНТАКТНОГО
МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО
ДАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЫ МИКРОПИНЧЕВОГО РАЗРЯДА
В работе описана новая бесконтактная лазерная система измерения газодинамического давления в плазме микропинчевого разряда с пространственным и временным разрешением.
Под микропинчевым обычно понимают сильноточный импульсный
разряд, в котором при определенных условиях образуется короткоживущий (  1 нс) плазменный объект малого размера (r  10 мкм) с высокими
температурой (Те = 12 кэВ) и плотностью (nе  1021 см-3). Явление микропинчевания реализуется, в частности, в разрядах низкоиндуктивной
вакуумной искры (НВИ). В разрядах НВИ микропинчевую область принято называть плазменной точкой (ПТ). Именно этот объект стал предметом
широкого круга исследований, среди которых доминирующую роль играет спектроскопия в рентгеновском диапазоне. С ее помощью получены
такие важные параметры ПТ, как электронная плотность, температура,
размеры, время жизни. Образование ПТ носит пороговый по току характер  сжатие до микронных размеров происходит лишь при максимальном
значении тока в разряде Imax  120 кА. А развитие неустойчивостей, приводящих к пинчеванию плазменного канала, наблюдается при величине
тока в разряде, превосходящей некоторое значение, называемое критическим. Величина критического тока Iкр определяет баланс между потерями
энергии на излучение и джоулевым тепловыделением в канале разряда (в
плазме железа Iкр  50 кА). Для понимания физической картины явлений,
предваряющих образование ПТ в разрядах типа НВИ, необходимо провести исследования динамики периферийной по отношению к области микропинчевания плазмы. Информацию о динамике плазменного канала
можно получить, измерив, в частности, с пространственным и временным
разрешением давление в периферийной плазме.
Микропинчевой разряд был реализован в продуктах эрозии материалов электродов (железо) на установке ПФМ-72 (МИФИ) типа НВИ. К
электродам разрядного промежутка в вакуумной камере (начальный вакуум не хуже 10-4 Торр) прикладывается “дежурное” напряжение от батареи
ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 4
65
УДК 535.14(06)+621.373.826(06) Лазерная физика
высоковольтных низкоиндуктивных конденсаторов. Пробой инициировался поступлением в межэлектродный промежуток форплазмы от четырёх вспомогательных источников эрозионного типа, расположенных симметрично оси разряда. Сила тока в разряде измерялась калиброванным
поясом Роговского. Достигаемый в разряде ток изменялся в пределах
70140 кА.
Для измерения давления в плазме НВИ была разработана бесконтактная лазерная методика, в которой в качестве детектора измерения давления используется акустический стержень, встроенный в оптическую схему лазерного интерферометра. Стержень, изготовленный из кварцевого
стекла диаметром 2 мм и длиной 20 см вводится в плазменный объем.
Один торец стержня помещается в области разряда, с возможностью регулировки его положения относительно оси электродного промежутка. Противоположный торец, имеющий полированную зеркальную поверхность,
используется в качестве зеркала в измерительном плече интерферометра.
В процессе генерации плазмы происходит рост давления в камере, что
приводит к возбуждению в стержне продольной волны. Массовая скорость распространения этой волны в стержне, равная половине скорости
движения свободного торца однозначно связана с давлением плазмы. Расчет распространения ударной волны в стержне в зависимости от приложенных давлений и температуры плазмы показал, что для реализуемых на
ПФМ-72 параметрах плазмы (длительность импульса давления и температура) плавление торца стержня не оказывает влияния на звуковую волну в
стержне. Модуляция интенсивности интерференционного сигнала по оптическому волокну передается на регистрирующий p-i-n фотодиод, обладающий с высокими частотными характеристиками. Сигнал с фотодиода
усиливается малошумящим 100МГц усилителем и записывается цифровым осциллографом.
Данная методика измерений позволяет регистрировать давление в
плазме с временной задержкой относительно момента срабатывания
сильноточного разряда, с токами порядка сотни килоампер, которая является источником электромагнитных помех. Кроме того, уменьшить уровень широкополосной электромагнитной помехи удалось за счет передачи
оптического сигнала по оптоволоконной линии и удаления регистрирующей аппаратуры из экспериментального зала.
66
ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 4