СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОЙ ТЕНЕВОЙ ХРОНОГРАФИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ УДАРНО-ВОЛНОВЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
METHOD FOR SIMULTANEOUS SHADOW CHRONOGRAPHIC REGISTRATION OF SHOCK WAVE AND PLASMA PROCESSES

Область техники
Способ относится к оптической диагностической технике, технике ускорителей и может быть использован в области исследования взаимодействия электронов с материалами, а также в области исследования влияния мощного импульсного энерговыделения на свойства материалов.
Уровень техники
Классическими методами исследования физических процессов, происходящих при взаимодействии мощных потоков энергии с веществом, являются разнообразные оптические диагностики, в частности, основанные на рефракции лазерного излучения с применением электронно-оптической регистрации.
В частности, например, известна статья в журнале ЖТФ «Экспериментальное определение момента разрушения
полиметилметакрилата и полистирола за фронтом ударной волны, возбуждаемой сильноточным импульсным электронным пучком». В ней приводятся результаты экспериментального изучения временных диапазонов разрушения полиметилметакрилата и полистирола при воздействии на них ударной волны, инициированной сильноточным импульсным электронным пучком, с помощью лазерного зондирования в сочетании с электронно-оптической хронографией. К недостатку методики можно отнести относительно низкую четкость кадра и информативность, так как рассматривается, по сути, одномерная проекция мишени.
Также известен СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПЛАЗМЕ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ описанный в патенте РФ №2587468 заключающийся в измерении интенсивности излучения плазмы из различных по координате областей межэлектродного промежутка на длине волны, соответствующей спектральной атомарной линии или молекулярной полосе, которую выбирают таким образом, чтобы интенсивность излучения такой линии или полосы преимущественно определялась возбуждением излучающего состояния прямым электронным ударом или быстрыми по сравнению с периодом ВЧ-поля каскадными процессами, с последующим определением пространственного распределения электронной плотности плазмы методом численного моделирования плазмы. Данный способ относится к другой сфере исследований (спектроскопии) и не дает практически никакой информации о пространственно-временном распределении плазмы в изучаемой области.
Известен способ получения изображения быстропротекающего процесса и система для его осуществления по патенту РФ 2608693. Способ получения изображения быстропротекающего процесса, включает формирование пучка света в направлении быстропротекающего процесса, расположенного перед экраном, при помощи лазерного источника и оптической системы, регистрацию пучка света, отличающийся тем, что пучок света формируют при помощи полупроводникового лазера, работающего в непрерывном режиме, а регистрацию пучка света, прошедшего через экран из полупрозрачного материала, производят скоростной цифровой камерой.
Система для получения изображения быстропротекающего процесса, включает лазерный источник, оптическую систему, формирующие световой пучок, фоторегистратор, экран и быстропротекающий процесс, расположенный перед экраном, отличающаяся тем, что лазерный источник, выполненный в виде полупроводникового лазера, работающего в непрерывном режиме, оптическая система, вертикальный экран из полупрозрачного материала и фоторегистратор в виде скоростной цифровой камеры установлены последовательно на одной оптической оси. К недостатку метода можно отнести относительно невысокую скорость записи цифровой камеры по сравнению с электронно-оптическим преобразователем, работающим в хронографическом режиме, а также высокую стоимость скоростной цифровой камеры.
2
Известна статья в журнале Физика плазмы «Исследование динамики анодной плазмы при воздействии мощного электронного пучка на эпоксидную смолу». В статье представлены результаты экспериментального исследования динамики плазмы в диодном зазоре при воздействии сильноточного релятивистского электронного пучка на образцы из эпоксидной смолы в диапазоне плотностей энергии 170-860 Дж/см. Разлет плазмы изучался методом электронно-оптической хронографии. К недостаткам можно отнести тот факт, что на описанных в методе хронограммах, зарегистрировано собственное оптическое свечение плазмы, а не сама плазма, возникающая при воздействии сильноточного пучка электронов с материалом мишени, что осложняет интерпретацию получаемых экспериментальных данных.
Известны различные устройства для осуществления хронографической регистрации например Устройство для хронографической регистрации оптического излучения по патенту РФ №2485566, содержащее скоростной фотохронографический регистратор (СФР), в состав которого входят пульт управления и фотокамера с электромагнитным затвором, электрическим двигателем и датчиком положения зеркала, датчик меток времени, в состав которого входят источник модулированного оптического излучения и устройство ввода излучения, информационный вход пульта управления соединен с выходом датчика положения зеркала, выходы соединены с управляющим входом исследуемого объекта, электрическим двигателем, электромагнитным затвором и генератором модулированного оптического излучения, выход источника модулированного оптического излучения оптически соединен с входом устройства ввода излучения, отличающееся тем, что дополнительно содержит генератор импульсов оптического излучения с разветвителем, формирователь задержанного импульса, детектор оптического излучения, регистратор оптического излучения и персональный компьютер, управляющие входы формирователя задержанного импульса и регистратора оптического излучения соединены с информационными выходами пульта управления, управляющий вход генератора импульсов оптического излучения соединен с выходом формирователя задержанного импульса, оптический выход генератора импульсов оптического излучения с помощью разветвителя соединен с планкой, содержащей матрицу оптических волокон, выводящих оптическое излучение из исследуемого объекта, детектор оптического излучения выполнен в виде преобразователя матричного типа оптического изображения в электрический сигнал и расположен на фокальной поверхности фотокамеры СФР, выход детектора оптического излучения соединен с входом регистратора оптического излучения, выход регистратора оптического излучения соединен с входом персонального компьютера.
Известна статья в журнале ПТЭ: «Применение лазерной теневой фотографии с электронно-оптической регистрацией в хронографическом режиме для исследования динамики ударных волн в прозрачных полимерах» за авторством ДЕМИДОВ Б.А., КАЗАКОВ Е.Д., КАЛИНИН Ю.Г., КРУТИКОВ Д.И., КУРИЛО А.А., ОРЛОВ М.Ю., СТРИЖАКОВ М.Г., ТКАЧЕНКО С.И., ЧУКБАР К.В., ШАШКОВ А.Ю. Номер: 3 Год: 2020 Страницы: 90-95 Поступила в редакцию: 18.12.2019. В статье предложен информативный и весьма наглядный экспериментальный метод исследования процессов, сопровождающих распространение ударных волн в прозрачных материалах при мощном импульсном воздействии. Метод основан на электронно-оптической регистрации в хронографическом режиме тени проходящего через образец зондирующего лазерного излучения. Выполнена оценка чувствительности метода.
Описанные выше хронографические методы имеют один существенный недостаток перед предлагаемым способом каждый из методов рассматривает одну конкретную физическую область быстропротекающих процессов, например, ударно-волновые исследования или наблюдение за разлетом плазмы в диодном зазоре. Предлагаемый способ позволяет существенно увеличить количество экспериментальных данных, получаемых в одном опыте.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, решаемой предлагаемым способом, является одновременная хронографическая визуализация ударно-волновых и плазменных процессов, возникающих в процессе воздействия сильноточного электронного пучка на исследуемый образец.
Техническим результатом способа является осуществление оптических диагностик, позволяющих одновременно регистрировать плазменные процессы в диодном зазоре линейного ускорителя электронов, а также визуализация распространения возмущений в прозрачном образце, вызванных воздействием ионизирующего излучения на материал образца.
Для достижения технического результата предложен способ одновременной теневой хронографической регистрации ударно-волновых и плазменных процессов включающий генерацию импульсного лазерного излучения с активным элементом из монокристалла ортоалюмината иттрия с неодимом, при этом излучение поступает в вакуумную камеру через диагностические окна перпендикулярно к оси диода просвечивая образец с отполированными боковыми гранями и диодный зазор, с дальнейшим разделением лазерного излучения, попавшего в объектив, снабженный щелевой диафрагмой, светоделительным зеркалом, для одновременного попадания на щель быстрого и медленного электронно-оптического преобразователей, работающих в хронографическом режиме, с дальнейшим построением изображений на экране электронно-оптических преобразователей и фотофиксацией этих изображений, при этом лазерное излучение после прохождения диафрагмы пропускается через, по меньшей мере, один зеленый или интерференционный светофильтр.
Совокупность приведенных выше существенных признаков позволяет:
- проводить одновременно разные типы опытов, что сокращает число необходимых срабатываний ускорителя;
- использовать в качестве источника динамической нагрузки лазерное или иное ионизирующее излучение.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 схематично представлен диагностический комплекс одновременной теневой хронографической регистрации ударно-волновых и плазменных процессов, где цифрами обозначены:
1 - луч лазера;
2 - исследуемый образец;
3 - катод;
4 - плазма;
5 - ударное возмущение, вызванное электронным пучком;
6 - диафрагма;
7 - объектив;
8 - светоделительное зеркало;
9 - оптические зеленые фильтры;
10 - «медленный» ЭОП;
11 - «быстрый» ЭОП;
12 - фотоаппараты;
13 - камера-обскура.
На фигуре 2 схематично показана мишень и ход лучей лазера через нее, где цифрами обозначены:
1 - луч лазера;
2 - исследуемый прозрачный образец;
6 - диафрагма;
7 - объектив;
14 - градиент плотности вещества, вызванный электронным пучком.
Осуществление способа
12
2
Комплекс оптических диагностик, позволяющий осуществить предлагаемый способ, реализован на сильноточном ускорителе «Кальмар» [Импульсный электронный ускоритель «Кальмар-1» с плотностью мощности РЭП до 5⋅10 Вт/см // Атомная энергия, Т 46, №2, 1979. - С. 100-104.] Работа диагностического комплекса построена следующим образом. Лазерное излучение генерируется импульсным лазером с активным элементом из монокристалла ортоалюмината иттрия с неодимом. Излучение проходит от лазера по оптическому тракту и далее поступает в вакуумную камеру через диагностические окна перпендикулярно к оси диода, просвечивая образец 2 с отполированными боковыми гранями и диодный зазор. Лазерное излучение, попавшее в объектив 7 диаметром 9 см с фокусным расстоянием F=120 см, снабженный щелевой диафрагмой 6 размером h=4 см по направлению распространения ударной волны, разделяется светоделительным зеркалом 8 и строит изображение в «быстром» ЭОПе 11, работающем в хронографическом режиме с короткой разверткой, а также «медленном» ЭОПе 10. Чтобы отделить лазерное излучение, проходящее через образец или диодный зазор, от собственного свечения диодной плазмы используется набор «зеленых» стеклянных светофильтров 9 типа ЗС-11. Изображение с экранов ЭОП фотографируется зеркальными фотоаппаратами.
«Быстрый» ЭОП 11 служит для регистрации процессов в диодном узле. В случае реализации комплекса на ускорителе «Кальмар» использовался ЭОК модели VICA. В оптической системе он располагается таким образом, чтобы на его времяанализирующую щель шириной 20 мкм и длиной 15 мм, расположенную параллельно оси диода - оси электронного пучка, попадало лазерное излучение, прошедшее через диодный зазор. ЭОК работает в хронографическом режиме (временная развертка направляется перпендикулярно к времяанализирующей щели - перпендикулярно к плоскости рисунка), что позволяет регистрировать временную эволюцию одномерного теневого изображения плазменных процессов, происходящих в диодном зазоре на оси электронного пучка. Длительность развертки выбирается исходя из характерных времен изучаемых процессов (0.5-2 мкс).
В свою очередь, «медленный» ЭОП 10 располагается таким образом, чтобы на его времяанализирующую щель попадало лазерное излучение, прошедшее через исследуемый прозрачный образец. «Медленный» ЭОП также работает в хронографическом режиме, что позволяет регистрировать временную эволюцию одномерного теневого изображения ударной волны, возбуждаемой релятивистским электронным пучком (РЭП) в образце и распространяющейся преимущественно вдоль оси диода. Для наблюдения ударно-волновых процессов используется ЭОП СФЭР-6 с характерными длительностями развертки 10-50 мкс.
В качестве источника зондирующего излучения должен использоваться лазер достаточной мощности с длительностью импульса на плато, заметно превышающей характерную длительность исследуемых процессов. В условиях установки «Кальмар» использовался импульсный лазер длиной волны 1079 нм с активным элементом из монокристалла ортоалюмината иттрия с неодимом. Лазер работал в режиме внутрирезонаторной генерации второй гармоники с выходом излучения только на длине волны 540 нм. Такой режим позволял получить «гладкий» по времени импульс свободной генерации. Энергия импульса составляла 90 мДж, длительность на полувысоте ≈ 200 мкс, при характерной длительности ударно-волновых процессов 10-20 мкс.
0
0
Оценка чувствительности предлагаемой диагностики к изменению давления внутри мишени. На фиг.2 в увеличенном масштабе приведена часть схемы из фиг.1. На ней изображен фрагмент образца, по которому распространяется ударная волна ограниченной апертуры, величина которой d в нашей модели определяется характерным размером области вклада энергии - диаметром электронного пучка; в нашей схеме она совпадает с длиной пути лазерного луча по «возмущенному» веществу. В модели предполагается также, что на фронте ударной волны, ширина которого X, показатель преломления вещества меняется линейно от n до n + Δn. Угол поворота фронта плоской световой волны, распространяющейся по среде, у которой градиент коэффициента преломления постоянен вдоль фронта этой волны, в нашем случае, вдоль оси электронного пучка, направление которой совпадает с направлением распространения ударной волны, можно записать как [Кругляков Э.П. Применение явлений оптической дисперсии и рефракции в диагностике плазмы. Обзор. В кн.: Диагностика плазмы. Вып. 3. - М.: Атомиздат, 1973, с. 97-120]:
0
b
где n - коэффициент преломления исследуемого материала в невозмущенной области, d = 0.5 см. При не слишком больших значениях давления длина фронта (т.е. области нарастания давления) волны X ≈ ντ, где τ ≈ 250 нс - характерное время вклада энергии электронного пучка, а v - скорость распространения ударной волны. Для оценок в качестве ее минимального значения используется понятие «объемной скорости звука» (bulk sound velocity) V, характеризующее распространение линейных упругих волн в том случае, когда напряжение в них превышает предел текучести материала:
где  - продольная и поперечная скорости звука соответственно.
min
0
0
-2
В условиях эксперимента на ускорителе «Кальмар» предельный угол отклонения лазерного луча в горизонтальной плоскости, при котором излучение еще попадает на фотокатод ЭОК,  а с учетом преломления на границе образец-вакуум (см. фиг.2), величина угла рефракции луча в области прохождения ударной волны для образования тени α должна быть больше величины 1,25⋅10/n, где n - показатель преломления материала образца при нормальных условиях. Отсюда следует, что наименьшее значение изменения показателя преломления, при котором в наших условиях появляется тень,  Если под действием ударной волны структура вещества образца не претерпевает необратимых изменений, то после ее прохождения оптические свойства вещества восстанавливаются, и лазерное излучение опять попадает на фотоприемник. В противном случае описываемая методика позволяет фиксировать пространственную локализацию и момент наступления разрушения образца.
Оценить минимальное давление, которое может вызвать такой разворот зондирующей волны, можно исходя из формулы Лоренц-Лорентца [Ландсберг Г.С. Оптика / М: ФИЗМАТЛИТ, 2003. С. 508.], связывающей плотность вещества со значением его показателя преломления. Согласно формуле, относительное изменение коэффициента преломления в зависимости от относительного изменения плотности можно записать следующим образом:
0
0
Здесь n, ρ - коэффициент преломления и плотность в области с невозмущенными параметрами среды, а δn, δρ - характерные величины изменения коэффициента преломления и плотности среды при прохождении волны.
В условиях всестороннего сжатия давление Р и относительное изменение удельного объема s связаны соотношением:
где K модуль объемного сжатия (как раз и определяющий  который выражается через модуль Юнга Е и коэффициент Пуассона  как
откуда следует
Подставляя его в (3), получим соотношение между относительным изменением коэффициента преломления и давлением:
min
8
6
Используя формулу (6) и значения физических констант рабочих материалов, например, стекла К8 и ПММА, и указанные выше параметры нашей оптической схемы получим, что тень будет формироваться при значениях давления в ударных волнах, превышающих Р > P=10 Па для стекла К8 и 8⋅10 Па для ПММА.
Варьируя параметры оптической схемы, можно существенно изменять чувствительность метода, сильно зависящую и от пространственного профиля флуктуаций показателя преломления, и от длины фронта ударной волны, и т.п. Естественно, все вышесказанное справедливо и для области спада давления в ударной волне, где производная показателя преломления по координате имеет противоположный знак, а также в области волны разрежения.
Оценка электронной плотности, при которой интенсивность зондирующего излучения в плоскости его регистрации уменьшается настолько, чтобы можно было детектировать появление тени. Ниже перечислены процессы, ответственные за формирование последней.
1. В том случае, если плазменная частота становится сравнимой с частотой зондирующего излучения, происходит "отсечка" зондирующего излучения:
pe
e
e
21
-3
здесь ω, ω - частота зондирующего излучения и электронная плазменная частота; N - электронная плотность; m - масса электрона. В соответствии с (8) для используемого лазера с λ = 540 нм при электронной плотности, большей величины N ~ 4⋅10 см, зондирующее излучение будет отражаться от границы плазмы.
2. Тень может быть сформирована в результате процесса обратного тормозного поглощения зондирующего излучения в плазме, или, другими словами, поглощения в результате свободно-свободных переходов. В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера интенсивность зондирующего излучения изменяется в зависимости от длины оптического пути  следующим образом  где  - коэффициент тормозного поглощения. Для его оценки можно использовать следующее выражение [Зайдель А.Н., Островская В.Г. Лазерные методы исследования плазмы. Изд. «Наука». Ленинград. 1977.]
1
i
e
i
e
i
i
i
е
i
8
1/2
-3
-3
-3
здесь С = 3.69⋅10 [см (град. Кельвина) сек]; z - средний заряд иона; N [см] и N [см] - электронная и ионная концентрации (N = zN для z > 1), соответственно, Т [град. Кельвина] - электронная температура, hv - энергия фотонов зондирующего луча и g - фактор Гаунта. В диапазоне температур 2-4 эВ средний заряд иона углерода (при использовании мишеней, изготовленных из эпоксидной смолы углерод составляет 76%) меняется в диапазоне z ~ 2-3 (при T = 5-20 эВ z = 4); фактор Гаунта в соответствии с [Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений / Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. - Изд. 3-е, испр. - Москва: Физматлит, 2008. 652] можно принять равным g = 2.
0
e
0
e
18
-3
18
-3
Анализируя следы воздействия плазмы на поверхности анода, рентгеновские изображения, полученные с помощью камеры-обскуры, а также результаты расчетов в рассматриваемых экспериментах [Ананьев С.С., Багдасаров Г.А., Гасилов В.А., Данько С.А., Демидов Б.А., Казаков Е.Д., Калинин Ю.Г., Курило А.А., Ольховская О.Г., Стрижаков М.Г., Ткаченко С.И.// Физика Плазмы, 2017, том 43, №7, с. 608-615.], длина оптического пути в приосевых областях плазменного факела изменяется в диапазоне  В этом случае значения относительной интенсивности прошедшего излучения для двух крайних значений диапазона длины оптического пути будут равны I/I ~ 0.01-0.3 при N = 5⋅10см и I/I ~ 0.8-0.95 при концентрации электронов N=10 см соответственно.
3. Кроме того, тень может образоваться в результате рефракции зондирующего лазерного луча в областях с градиентами электронной концентрации плазмы, если он при этом выходит за апертуру оптической системы регистрации.
В наших условиях «полная» тень в результате рефракции может образоваться при выполнении условия [взято из книги Зайдель А.Н., Островская В.Г. Лазерные методы исследования плазмы. Изд. «Наука». Ленинград. 1977.]
-2
здесь α = D/2F = 1,25⋅10. Для «продольных» градиентов, т.е. для областей плазмы, в которых концентрация плазмы меняется вдоль оси диода,  соответствует диаметру плазменного столба, а характерный масштаб изменения концентрации Δх можно оценить из размеров «полутени» на изображениях, полученных в экспериментах. В том случае, если граница тени резкая, можно предположить, что Δх ≤ 0.1 мм; при этом значения электронных концентраций на границе тени будут меняться в диапазоне от  до  Эффекты появления тени вследствие рефракции на областях, занятых плазмой с радиальными градиентами концентрации, могут иметь место только при работе со щелью, расположенной перпендикулярно оси диода. Оценка граничных концентраций при рассмотрении рефракции на этих градиентах из-за малого оптического пути приводит к существенно большим значениям пороговой концентрации, необходимой для появления тени.
Результатом реализации способа является одновременная регистрация временной эволюции одномерного теневого изображения плазменных процессов, происходящих в диодном зазоре на оси электронного пучка, а также регистрация временной эволюции одномерного теневого изображения ударной волны, возбуждаемой сильноточным электронным пучком в оптически прозрачном образце и распространяющейся преимущественно вдоль оси диода.
Пример реализации способа на ускорителе «Кальмар»:
1. Открытие затвора и начало записи кадра в фотоаппаратах в режиме бесконечной экспозиции, направленных на экраны электронно-оптических преобразователей.
2. При нажатии кнопки запуска ускорителя происходит следующее:
- происходит замыкание рязрядника, вызывающее срабатывание генератора импульса напряжения, который, в свою очередь, приводит к зарядке двойной формирующей линии ускорителя и последующему скачку напряжения на катоде;
- запускается лазер, излучение которого проходит по оптическому тракту и далее поступает в вакуумную камеру через диагностические окна перпендикулярно к оси диода, просвечивая образец с отполированными боковыми гранями и диодный зазор, далее следуя по оптическому тракту до щелей электронно-оптических преобразователей.
2. При зарядке двойной формирующей линии ускорителя происходит изменение электромагнитного поля около установки, которое используется для получения инициирующего синхроимпульса на электронно-оптические преобразователи, получаемого при помощи трансформатора. Данный сигнал приводит в действие электронно-оптические камеры.
3. Электронный пучок, вызванный скачком напряжения на катоде, достигает мишени, в диодном узле происходит процесс разлета плазмы, а внутри материала мишени образуется ударное возмущение, вызванное электронным пучком.
4. Описанные в пункте 3 процессы приводят к отклонению или поглощению лазерного излучения, что отображается на экране электронно-оптических преобразователей и фиксируется на записывающемся снимке.
5. Закрытие затвора фотоаппаратов, конец записи кадра.