Специалисты Института сильноточной электроники СО РАН в Томске разработали новый двухкаскадный гибридный газовый лайнер. Благодаря этому изобретению эффективность генерации излучения в жесткой части спектра была увеличена более чем в полтора раза. Эксперименты проводились на уникальном исследовательском оборудовании — сильноточном импульсном генераторе ГИТ-12. Эта установка представляет собой 12 параллельно соединенных модулей, собранных по схеме генератора Маркса, и занимает площадь более 500 квадратных метров.
Процесс сжатия плазменного слоя под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током и протекающим в этом слое, называется имплозией. Это можно сравнить со взрывом, направленным внутрь. В результате имплозии на оси узла нагрузки мощного генератора формируется столб плотной высокотемпературной плазмы — Z-пинч. Ученые из Томска разрабатывают и исследуют новые типы лайнеров — осесимметричных цилиндрических оболочек. При имплозии они эффективно преобразуют энергию генератора в электромагнитное излучение с заданными характеристиками.
«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 ведущий научный сотрудник отдела высоких плотностей энергии ИСЭ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Викторович Шишлов.
Ученые стремились к генерации мощного рентгеновского излучения на К-линиях неона, что находится в самой жесткой части спектра. Для этого нужно было подобрать оптимальные параметры каскадов, чтобы обеспечить стабильное сжатие лайнера на протяжении нескольких сотен наносекунд. Также важно было добиться эффективной ионизации и нагрева неоновой плазмы до температуры, необходимой для создания излучения в нужном спектральном диапазоне.
В итоге оптимизация параметров нагрузки позволила достичь максимального выхода излучения в К-линиях неона. Этот показатель составил 14,5 килоджоуля на сантиметр длины пинча, а мощность излучения — 960 гигаватт на сантиметр. При этом пиковый ток имплозии достиг 2,7 мегаампера, а время имплозии составило 750 наносекунд. По сравнению с ранее использовавшимися двухкаскадными неоновыми лайнерами с внешней плазменной оболочкой, эффективность плазменного источника излучения на основе гибридной нагрузки увеличилась в 1,6 раза.
Плазменные источники излучения находят широкое применение в различных областях науки и техники. Они незаменимы для изучения экстремальных состояний вещества, исследования взаимодействия излучения с материей, модификации поверхностей материалов и в рентгеновской литографии. Понимание эффективных способов нагрева плазмы открывает двери для создания плазменных источников излучения, способных покрывать широкий спектральный диапазон. Это необходимо для реализации некоторых схем инерциального термоядерного синтеза, которые пока остаются лишь теоретическими концепциями.