В ходе реализации проекта предполагается проведение полномасштабных численных исследований наносекундных капиллярных разрядов с целью поиска разрядных условий, подходящих для эффективной генерации мягкого рентгеновского излучения высокой спектральной яркости в диапазоне «окна прозрачности» воды. Для этих целей будет разработан комплекс моделей, описывающих процессы, протекающие на разных стадиях формирования разряда, от стадии первичного пробоя и формирования начальной слабоионизованной холодной плазмы до основной стадии протекания тока и образования плотной горячей излучающей плазмы. Численная реализация моделей будет осуществлена в том числе с использованием программных пакетов численного моделирования, позволяющих проводить расчеты в сложных геометрических конфигурациях и в условиях, не отличающихся пространственной однородностью. Все вместе это позволит существенно расширить область параметрического анализа свойств плазмы наносекундных капиллярных разрядов и найти условия эффективной генерации излучения требуемого спектрального диапазона. Разработанные модели смогут в дальнейшем быть использованы для эффективного проектирования источников рентгеновского излучения и средств рентгеновской микроскопии и нанотомографии.
Результаты исследований будут опубликованы в как минимум 3 статьях в журналах Web of Science
Проект направлен на теоретические исследования наносекундных газовых разрядов в протяженных капиллярах и разработку детализированных численных моделей, позволяющих получать количественные оценки их параметров (плотность и температура плазмы, из распределения в пространстве и времени) для заданных внешних условий (форма импульса тока, размеры капилляра, тип и начальное давление газа внутри капилляра). Подобные модели являются важным инструментом для разработки источников излучения на основе наносекундных капиллярных разрядов, экспериментальные исследования которых значительно ограничены малым разрядным объемом и быстротой протекания разрядных процессов. Особое внимание в проекте будет уделено разрядным конфигурациям, в которых на сегодняшний день было экспериментально получено излучение в диапазоне «окна прозрачности воды», в котором вода активно пропускает электромагнитное излучение, а углерод (и углерод-содержащие молекулы) активно поглощает, делая возможным разработку методов нанотомографии биологических объектов, невозможных с использованием оптической и электронной микроскопии. Подобные разрядные условия существенно отличаются от используемых в газоразрядных рентгеновских лазерах, и для их описание требуется учет ряда новых факторов (короткие длительности импульса тока, неоднородность заполнения капилляра газом, предпробойные процессы, сложная геометрическая конфигурация электродов и т. д.). В рамках проекта предполагается создание и отработка численной реализации наносекундных капиллярных разрядов и их адаптация под условия газоразрядных источников излучения в окне прозрачности воды.
За отчетный период была разработана численная модель, описывающая динамику плазмы на основной стадии наносекундного капиллярного разряда. Для формулировки модели было использовано магнитогидродинамическое (МГД) описание плазмы в одножидкостном двухтемпературном приближении. Была рассмотрена однородная в продольном направлении конфигурация (равномерное заполнение протяженного капилляра газом), что позволяет осуществлять численное решение задачи в одномерной формулировке, полагая все основные неизвестные величины зависимыми только от радиальной координаты и от времени. Система решаемых уравнений была записана в лагранжевом формализме и включала в себя уравнение непрерывности, уравнение момента импульса, уравнение баланса энергии для электронной и ионной компонент, обобщенный закон Ома, а также уравнение движения лагранжевой ячейки. Основные коэффициенты в уравнениях (проводимость, теплопроводность, вязкость, скорость обмена энергией между электронной и ионной компонентой) были определены с учетом зависимости среднего заряда ионов в плазме от плотности и температуры электронов. Корректность разработанной модели и надежность получаемых результатов была проверена путем сопоставлением с имеющимися в литературе расчетными и экспериментальными данными.
Было выполнено последовательное исследование вопроса влияния предварительной ионизации газа на свойства наносекундных капиллярных разрядов. Динамика образования плазмы на стадии предионизации, начиная с первоначального пробоя газа в капилляре и до формирования самоподдерживающегося столба неравновесной низкотемпературной плазмы, была численно воспроизведена в ходе двумерных самосогласованных расчетов с использованием гидродинамического подхода к описанию неравновесной низкотемпературной плазмы. Было установлено, что на стадии предионизации в результате нагрева газа происходит перераспределение его плотности и формирование вогнутого радиального профиля с минимумом на оси капилляра, что может быть существенным фактором, влияющим на динамику основной стадии наносекундного капиллярного разряда. Для проверки выдвинутой гипотезы и выявления механизмов влияния предварительной ионизации были проведены численные расчеты капиллярного разряда с использованием разработанной МГД-модели для случаев различной степени неоднородности начального радиального распределения плотности плазмы. Было установлено, что степень неоднородности существенно влияет на структуру ударной волны сжатия, формирующейся на основной стадии разряда, причем чем более неоднородно начальное радиальное распределение плотности плазмы, тем более «размазанным» (менее резким) становится фронт ударной волны. В момент кумуляции на оси это приводит к меньшей концентрации электронов и температуре ионов (температура электронов при этом слабо зависит от начальной плотности). Меньшая концентрация электронов приводит к меньшей интенсивности генерируемого излучения требуемого спектрального диапазона. Таким образом, полученные результаты коррелируют с имеющимися экспериментальными данными об уменьшении интенсивности ЭУФ лазера в аргоне при увеличении амплитуды тока предимпульса и дают возможную интерпретацию – меньшая радиальная неоднородность начальной плазмы в капилляре приводит к более эффективной генерации. С этой точки зрения имеющиеся в литературе работы по расчету наносекундных капиллярных разрядов рассматривали «идеальный» случай однородного начального радиального распределения плазмы.
Результаты проведенных исследований были опубликованы в 1 статье (Eliseev, S., et al., Journal of Physics D: Applied Physics, 54(9), 095201, 2020), были представлены на XLVIII Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, а также будут представлены на 47ой конференции Европейского физического сообщества по физике плазмы (47th EPS conference on plasma physics).
