2.2 Методы определения магнитного поля в плазме

Итак, в настоящее время исследование магнитного поля в плазменных нагрузках является неотъемлемой частью в изучении физики имплозии и ускорения лайнеров для ИТС

Методы определения магнитного поля H в плазме можно разделить на две группы:

1. Измерения с помощью зондов (магнитные зонды и магнитогальванические зонды);

2. Спектроскопические измерения (зеемановское расщепление и фарадеевское вращение).

Основное преимущество зондов состоит в том, что с их помощью измеряется магнитное поле в малом объеме (по существу в объеме зонда), тогда как спектроскопические методы дают величину поля, усредненную вдоль линии наблюдения. Достоинство спектральных методик заключается в том, что они в отличие от зондовых измерений не вызывают возмущений плазмы.

2.2.1 Измерения с помощью зондов

Почти все измерения распределения магнитных полей в импульсных разрядах были выполнены с помощью магнитных зондов, так как эти зонды легко изготовить в лабораторных условиях, и получение на осциллографе сигнала, превосходящего уровень электрических шумов, не представляет затруднений. Кроме того, магнитные зонды легко калибровать.

Магнитный зонд представляет собой цилиндрическую катушку малых размеров, которая вводится в плазму. Изменение магнитного потока, проходящего через катушку, вызывает на ее концах появление напряжения.

Для обеспечения высокой чувствительности зонда необходимо найти компромисс между чувствительностью, пространственным разрешением и временным разрешением.

Блок-схема зондовых измерений показана на фиг. 1. Для того чтобы снизить уровень электрических наводок, необходимо применять коаксиальные кабели с малым волновым сопротивлением (Z=50 и 75 Ом). Во избежание отражений сигнала кабель на входе осциллографа должен быть нагружен на омическое сопротивление R=Z.

В этом случае выходное напряжение зонда “чувствует” омическое сопротивление Z независимо от длины кабеля. Резонансная частота катушки в большинстве случаев лежит выше любой из представляющих интерес частот сигнала. Поэтому мы, как правило, имеем дело с более простой схемой, изображенной на фиг. 2.

Сегре и Аллен, изучавшие влияние емкости обмотки на чувствительность зонда в области высоких частот, показали, что схема с сосредоточенными параметрами, аналогичная приведенной на фиг.2, дает правильное описание характеристик контура. Наибольшая полная чувствительность катушки, соединенной с нагруженным кабелем, достигается при Z=L/2C. Применявшийся зонд с диаметром поперечного сечения 1 мм, имел эффективную площадь намотки 0,2 см² и обеспечивал временно разрешение 10^-8 сек.

При работе с магнитными зондами неотъемлемой частью является экранировка зондовых катушек и измерительных цепей зондов. Емкостную связь между плазмой и катушкой устраняют, применяя заземленный электростатический экран. Измерительные цепи зондов необходимо экранировать во избежание как емкостных, так и индуктивных наводок.

Катушку зонда и электростатический экран обычно окружают оболочкой из изолирующего материала. Эта оболочка должна:

1. Изолировать зонд от плазмы разряда,

2. Предохранять катушку от разрушения горячей плазмой,

3. Обеспечивать вакуумноплотное соединение со стенками разрядной камеры.

Зондовый метод диагностики является одним из самых основных на установке Ангара-5-1 [14]. В качестве плазмообразующих нагрузок используются проволочные сборки из проволок различных материалов, а также из капроновых волокон.

В настоящее время на данной установке примененяются модернизированные магнитные зонды, которые позволяляют измерять магнитное поле в нескольких точках (от 6 до 9) по радиусу проволочной сборки, а не в одной-двух точках, как было ранее. Внутри плазмообразующей нагрузки, вблизи значений различных радиусов, располагают три датчика (см. рис. 1), чувствительный элемент которых состоит из 2-3 петель диаметром около 300 мкм, упакованных в общий электромагнитный экран из NbTi фольги толщиной 15 мкм. Для исследования распределения магнитного поля вблизи области плазмообразования - вблизи отдельной проволоки в составе многопроволочной сборки – используется уникальный 5-петельный магнитный зонд, измеряющий магнитное поле в малой области вдоль радиуса (~2 мм) с интервалом r~300-350 мкм. Конструкция 5-петельного варианта зонда показана на рис. 2. Зонды устанавливаются в межэлектродный зазор со стороны анодного электрода на 3-4 мм, как показано на рис. 1.

Электрический сигнал петли, с известной из калибровки площадью, пропорционален производной магнитного поля в точке расположения петли. Сигналы с петель регистрируются на отдельных каналах 16-ти лучевого осциллографа TLS-216, что, с учетом длин кабелей, что исключает возможные ошибки в синхронизации сигналов с зондов. Точность измерения магнитного поля в плазме с учетом погрешности калибровки (_cal~5%) не хуже (B_)=20%. Ток, протекающий внутри радиуса r, рассчитывался путем численного интегрирования сигнала с каждой конкретной петли зонда, расположенной на данном радиусе в предположении однородного распределения магнитного поля по азимуту по следующему выражению: I(r,t)B_(r,t) r.

Точность установки зондов внутри нагрузки определяется конструкцией юстировочного диска (см. рис. 1) и микрофотографированием расположения петель внутри чувствительного элемента зонда. Это обеспечивало точность расположения петель зондов вдоль радиуса r~0.4 мм. Для минимизации возмущений, вносимых зондами в плазму, чувствительные элементы зондов располагают под азимутальным углом 120^о относительно друг друга как показано на врезке рисунка 1.

Для восстановления радиального распределения магнитного поля требуется измерение магнитного поля в большом количестве точек как вдоль радиуса, так и по азимутальному углу в цилиндрической геометрии. Чем больше точек измерения, тем меньше погрешность восстановления радиального профиля магнитного поля B_(r,t) в каждый момент времени имплозии. Малые размеры (не более 20 мм) плазменной нагрузки и возмущения плазмы, вносимые зондами, накладывают ограничение на возможное количество точек измерения. Некоторая предварительная информация о симметричности проникновения магнитного поля внутрь объема плазменной нагрузки позволяет ограничиться малым числом зондов по азимутальному углу. Так, в работе [37] исследовалось влияние несинхронности срабатывания модулей установки Ангара-5-1 на симметрию сжатия плазмы проволочной сборки. Было показано, что большой среднеквадратичный разброс времени старта модулей (>30 нс) приводит к несимметрии (~70%) проникновения магнитного поля внутрь проволочной сборки, уменьшению мощности импульса МРИ и смещению Z-пинча относительно оси сборки. Определены условия, при которых сжатие проволочной сборки можно считать симметричным: при малом разбросе времени срабатывания модулей установки (~10 нс и менее) различие в сигналах магнитных зондов не превышает погрешности измерений порядка 20%. В этом случае для определения тока, проникшего внутрь данного радиуса, можно ограничиться одной петлей. Для определения радиального распределения магнитного поля можно использовать небольшое количество многопетельных датчиков (3 в нашем случае), разнесенных по азимутальному углу внутри проволочной сборки.

Также следует заметить, что в каждом выстреле магнитные зонды разрушаются. Обработка сигналов с зондов проводится до момента разрушения зонда и высоковольтного пробоя на его петли. Радиальные распределения магнитного поля восстанавливаются только до этого момента времени.

а)	б)
Рис. 1. Расположение многоканальных магнитных зондов внутри многопроволочной сборки в экспериментах по измерению радиального распределения магнитного поля. а) общий вид магнитных зондов с проволочной сборкой; б) увеличенный фрагмент рисунка с зондами внутри проволочной сборки. 1 – многопроволочная сборка; 2 – юстировочный диск для позиционирования зондов на различных радиусах и азимутальных углах внутри нагрузки; 3 – корпус магнитных зондов; 4 – чувствительные элементы магнитных зондов; 5 – высокочастотные разъёмы (СР-50-135ФВ) для подключения коаксиальных кабелей.

а)	б)
Рис. 2. Конструкция 5-канального магнитного зонда для измерения радиального распределения магнитного поля внутри плазмы с пространственным разрешением не хуже ~350 мкм. а) увеличенный фрагмент рисунка чувствительного элемента магнитного зонда; б) общий вид 5-канального магнитного зонда. 1 – чувствительный элемент зонда (пластинка толщиной ~0.5 мм), покрытый NbTi фольгой толщиной 10-15 мкм; 2 – петли диаметром ~300 мкм внутри чувствительного элемента для измерения азимутального магнитного поля; 3 – медная трубка диаметром 2.5 мм; 4 – корпус зонда (латунь); 5 – высокочастотные разъёмы (СР-50-135ФВ) для подключения коаксиальных кабелей.