Iontová deflektometrie v z-pinčovém plazmatu
Ion deflectometry in Z-pinch plasmas
Typ dokumentu
disertační prácedoctoral thesis
Autor
Vojtěch Munzar
Vedoucí práce
Klír Daniel
Oponent práce
Appelbe Brian
Studijní obor
Fyzika plazmatuStudijní program
Elektrotechnika a informatikaInstituce přidělující hodnost
katedra fyzikyPráva
A university thesis is a work protected by the Copyright Act. Extracts, copies and transcripts of the thesis are allowed for personal use only and at one?s own expense. The use of thesis should be in compliance with the Copyright Act http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf and the citation ethics http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.htmlVysokoškolská závěrečná práce je dílo chráněné autorským zákonem. Je možné pořizovat z něj na své náklady a pro svoji osobní potřebu výpisy, opisy a rozmnoženiny. Jeho využití musí být v souladu s autorským zákonem http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf a citační etikou http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.html
Metadata
Zobrazit celý záznamAbstrakt
Dynamika z-pinčů je silně ovlivněna rozložením jejich proudů a magnetických polí. Měření těchto polí v plazmatu s vysokou hustotou energie je však v praxi velmi náročný úkol, protože vysoké teploty a hustoty omezují použitelnost klasických diagnostických metod. Iontová deflektometrie je poměrně nová diagnostická metoda, která byla původně vyvinuta pro měření EM polí v laserovém plazmatu. Je založena na deflexích diagnostických iontových svazků v těchto polích, které jsou úměrné dráhovému integrálu zkoumaných polí. Tato metoda není závislá na plazmatu v pozadí a může měřit EM pole v téměř vakuovém prostředí a přitom s dobrým prostorovým rozlišením. Navzdory několika úspěšným experimentům s použitím této diagnostiky se vývoj iontové deflektometrie v z-pinčích zastavil, protože jen několik z-pinčových zařízení má přístup k výkonným laserovým pulzním systémům potřebným pro podsvícení magnetického pole ionty o energii několika MeV. Na základě výsledků našich tří vybraných článků jsme v této práci popsali vývoj alternativní metody deflektometrie využívající dostupnější zdroj iontů. Nejprve jsme vyhodnotili současné deflektometrické experimenty v laserovém a z-pinch plazmatu a prozkoumali základní principy iontové deflektometrie s cílem rozšířit její použitelnost v z-pinčích. Byl vyvinut numerický kód simulující pohyby a výchylky iontových svazků v různých magnetických polích. Pomocí těchto simulací jsme zkoumali vznik charakteristických iontových snímků a vyhodnotili dvě základní konfigurace iontové deflektometrie, kde sondující svazky vstupují do z-pinče radiálně nebo podél jeho osy. Poté jsme se zaměřili na zkoumání deuteriových svazků s energiemi v řádu MeVů, které byly urychleny po přerušení proudu na zařízení GIT-12, ale byly pozorovány i na jiných z-pinčových zařízeních. Numerickou reprodukcí našich experimentálních deuteronových snímků získaných na zařízení GIT-12 jsme určili prostorové rozložení a maximální divergenci deuteronových zdrojů pro více energií. Navíc jsme provedli měření maximálních hodnot dráhových integrálů magnetických polí. Po diagnostice těchto deuteronových svazků a jejich zdrojů jsme vyvinuli unikátní způsob jejich využití pro deflektometrická měření. Díky tomu jsme provedli vůbec první měření magnetických polí s využitím z-pinčem vytvořeného zdroje deuteronů pro jejich podsvícení. Pro záznam výchylek deuteronů byla mezi elektrody umístěna deflektometrická mřížka, aniž by došlo k potlačení zdroje deuteronů nebo zničení implodujícího plazmatu. Při těchto měřeních jsme pro několik shotů určili celkové proudy a plošné rozložení magnetických polí integrovaných podél dráhy deuteronů. Naše experimentální uspořádání umožnilo klíčovou aproximaci trajektorií deuteronů, která umožňuje měřit zprůměrovaná B-pole analyticky a přímo z experimentálních dat. Nakonec jsme použili náš numerický kód a boční rentgenový snímek implodujícího z-pinche k získání průřezové mapy magnetických polí. Tyto výsledky překvapivě ukázaly, že významná část proudu teče až za horkou a hustou oblastí z-pinče. Dynamics of z-pinches is strongly influenced by the distribution of conductive currents and B-fields. However, the B-field measurement in the high energy density plasmas is, in practice, a very challenging task because the high temperatures and densities limit the applicability of classical diagnostic methods. Ion deflectometry is a relatively novel diagnostic method originally developed for EM field measurements in laser plasmas. It is based on the deflection of diagnostic ion beams in these fields that is proportional to the path integral of the studied fields. It does not rely on the plasma background and can measure EM fields in nearly vacuum environments with good spatial resolution. Despite several successful experiments, ion deflectometry's development in z-pinches has stopped because only a few z-pinch facilities had access to the powerful laser-pulse systems required for backlighting the fields by multi-MeV ions. Based on the results of our three selected papers, we described in this thesis the development of an alternative deflectometry method employing a more accessible ion source. First, we evaluated the contemporary deflectometry experiments in laser and z-pinch plasmas and explored the basic principles of ion deflectometry in order to extend its applicability in the z-pinches. A numerical code simulating the movements and deflections of ion beams in various B-fields was developed. We used these simulations to investigate the formation of the characteristic ion images and evaluated two basic configurations of ion deflectometry, where the probing beams enter the z-pinch radially or along its axis. Then, we focused on investigating multi-MeV deuterium beams, which were accelerated after the current disruption on the GIT-12 device but have also been observed at other z-pinch devices. By numerical reproduction of our experimental deuteron images obtained on GIT-12, we estimated the spatial distribution and the maximum divergence of the deuteron sources for multiple energies. In addition, we have made the measurements of the maximum values of the path integrals of the B-fields. After diagnosing these deuteron beams and their sources, we developed a unique way to employ them for the deflectometry measurements. As a result, we have made the first-ever measurements of the B-fields using the z-pinch-driven deuteron source for the backlighting. To record the deuteron deflections, a deflectometry grid was placed into the electrode gap without suppressing the deuteron source or destroying the imploding plasma. These measurements evaluated the total currents and 2D (xy) distributions of the path-integrated B-fields for several shots. Our experimental setup permitted the crucial approximation of the deuteron trajectories allowing to measure the averaged B-fields analytically and directly from the experimental data. Finally, we used our numerical code and the side-on SXR image of the imploding z-pinch to obtain a 2D (rz) tomographic map of the z-pinch B-fields. Surprisingly, these results showed that a significant part of the current flows beyond the hot dense z-pinch region.
Zobrazit/ otevřít
Kolekce
- Disertační práce - 13000 [706]