Устройство для получения импульсного рентгеновского и нейтронного излучения

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам с плазменным фокусом, и может быть использовано в качестве импульсного источника рентгеновского и нейтронного излучений для исследовательских и прикладных задач. Заявленное устройство содержит газонаполненную плазменную камеру, образованную коаксиальными внешним и внутренним электродами, с одного из торцов разделенными изолятором и соединенными с импульсным источником питания. При этом со стороны другого торца, по крайней мере, на одном из электродов установлен осесимметричный диэлектрический элемент. Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение стабильности работы устройства и снятие ограничений на максимальное значение тока, при котором происходит плазменная фокусировка, сопровождающаяся генерацией ионизирующих излучений. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам с плазменным фокусом (ПФ), и может быть использовано в качестве импульсного источника рентгеновского и нейронного излучений для исследовательских и прикладных задач.

Известен газоразрядный источник излучения: Н.В.Филиппов. Обзор экспериментальных работ, выполненных в ИАЭ им. Курчатова И.В. по исследованию плазменного фокуса/ ж. «Физика плазмы» т.9, вып.1, 1983 г., стр.25-44. Источник с плотным плазменным фокусом на оси разрядной камеры вблизи анода содержит коаксиальные внешний и внутренний электроды, разделенные изолятором. В начальной стадии разряда вблизи изолятора формируется плазменная оболочка, которая под действием электродинамических сил отходит от него и движется с ускорением по межэлектродному зазору к области фокусировки. Происходит сгребание газа сходящейся к оси камеры токовой оболочкой. При этом сгребаемый газ оказывается запертым с одной стороны магнитным поршнем, а с другой - фронтом ударной волны. В результате схлопывания плазменной оболочки на оси камеры образуется плотный плазменный пинч, который является источником нейтронного и рентгеновского излучений.

Наиболее близким к заявленному является устройство для получения импульсного рентгеновского и нейтронного излучения, а.с. №347006 Н.Г.Макеев, Т.И.Филиппова и Н.В.Филиппов «Плазменный источник проникающего излучения», кл. МПК Н 05 Н 1/06, опубл. в БИ №4, 1995 г. Устройство содержит газонаполненную плазменную камеру, образованную коаксиальными внешним и внутренним электродами, с одного из торцов разделенными изолятором и соединенными с источником питания. Камера заполнена изотопами водорода, а электроды выполнены в виде коаксиальных расположенных один в другом электропроводных тел вращения с криволинейной образующей. Внешний электрод является одновременно корпусом плазменной камеры. Частным случаем является выполнение устройства сферическим, так называемые сферические камеры с плазменным фокусом (СФК).

Однако недостатками прототипа являются ограничения, связанные с тем, что при некотором пороговом значении тока не происходит роста генерации нейтронов, а при дальнейшем увеличении тока происходит снижение выхода излучения. Кроме того, устройство по прототипу характеризуется нестабильной работой устройства.

При создании данного изобретения решалась задача создания устройства для получения импульсного рентгеновского и нейтронного излучения с качественно новыми свойствами и параметрами.

Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение стабильности работы устройства и снятие ограничений на максимальное значение тока, при котором происходит плазменная фокусировка, сопровождающаяся генерацией ионизирующих излучений.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для получения импульсного рентгеновского и нейтронного излучения, которое содержит газонаполненную плазменную камеру, образованную коаксиальными внешним и внутренним электродами, с одного из торцов разделенными изолятором и соединенными с источником питания, в заявляемом устройстве со стороны другого торца, по крайней мере, на одном из электродов установлен осесимметричный диэлектрический элемент, который выполнен из вакуумно-плотной керамики, а его поверхность сопряжена с поверхностью электрода. Площадь поверхностей, обращенных внутрь плазменной камеры, диэлектрического элемента больше, чем у электрода, на котором он установлен.

С ростом электрического тока, протекающего в камере, нейтронный выход и рентгеновское излучение растет пропорционально кубу тока (В.Г. Румянцев и др. «Плазменный фокус с питанием от индуктивного накопителя энергии» в кн.: «Физика и техника импульсных источников ионизирующих излучений для исследования быстропротекающих процессов», Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1996 год, с.304-310). Однако до сих пор не опубликовано результатов испытаний устройств с ПФ с токами более 2,5 МА, которые бы соответствовали кубическому закону. Существует предел значений тока, при котором рост генерации нейтронов прекращается. Существуют несколько гипотез о причинах прекращения роста нейтронного выхода, например:

- несимметричный старт разряда и, как следствие, возникновение непрерывных вторичных пробоев по остаткам газа вблизи изолятора;

- влияние эффектов связанных с взаимодействием токовой оболочки с электродами камеры, таких как эффект Холла или убегание волны испарения поверхности металлического электрода, связанное с высокой плотностью тока в месте перехода тока с электрода в токоплазменную оболочку. Эти эффекты могут приводить к преждевременной фокусировке разряда на оси камеры задолго до достижения максимума тока в камере;

- поступление тяжелых примесей в газ с электродов.

Суть настоящего предложения состоит в замене большей части поверхности металлического анода (или обоих электродов), по которым перемещается токоплазменная оболочка, на диэлектрик, в частности на керамику.

Камера ПФ по форме может остаться без изменений. Остаются металлическими поверхности электродов, непосредственно примыкающие к входному изолятору, а остальная поверхность заменяется на диэлектрик (керамику). Размеры остающейся металлической поверхности электродов в месте развития старта разряда влияют на ресурс работы камеры. Введение диэлектрического элемента позволяет ограничить область возникновения и формирования разрядов в начальный момент развития токоплазменной оболочки. Разряд может возникнуть только между металлическими (токопроводящими) поверхностями электродов, примыкающими к входному изолятору, остальная, большая поверхность электрода, закрытая диэлектрическим элементом, гарантированно изолируется от протекания тока при старте разряда.

В процессе движения плазменной оболочки по диэлектрическому элементу непрерывная диффузия магнитного поля через прижатую плазму внутрь диэлектрического элемента заставляет плазму прижиматься к его поверхности. Одновременно к поверхности диэлектрического элемента прижимаются и образующиеся ионизированные пары материала керамики, что предотвращает их проникновение в плазменную оболочку.

При больших плотностях тока и сильных магнитных полях использование диэлектрического элемента позволяет исключить влияние эффекта Холла и эффектов, связанных с испарением поверхности электрода при движении токоплазменной оболочки. Отсутствие поверхностных эффектов, присущих металлическим электродам, дает основание надеяться, а эксперименты с «диэлектрическими электродами» подтверждают, что можно исключить преждевременную фокусировку разряда на оси камеры до достижения максимального тока в камере и получить генерацию нейтронов в ПФ при токах более 2,5 МА.

Поверхность диэлектрического элемента, обращенная внутрь плазменной камеры, должна быть больше поверхности электрода, на котором он установлен для того, чтобы большая часть времени движения плазменной оболочки внутри камеры приходилось на движение по диэлектрическому элементу.

Поверхность электрода, обращенная внутрь камеры, должна быть оставлена достаточной для того, чтобы не происходило ее испарения. Размеры поверхностей также подбираются в зависимости от параметров источника питания и параметров камеры.

Вакуумно-плотная керамика, из которой изготовлен диэлектрический элемент, имеет самые высокие изоляционные свойства, что предотвращает пробой между электродами и позволяет сформировать разряд вдоль поверхности изолятора, расположенного между электродами у торца камеры, где расположен источник питания.

Стабильность работы устройства обеспечена ограничением области «старта» разряда в камере за счет уменьшения металлической поверхности, по крайней мере, одного электрода. Таким образом, все вышеперечисленные факторы значительно увеличивают стабильность работы устройства, а плазменная фокусировка в нем происходит при максимальных значениях тока.

На фиг.1 изображено заявляемое устройство для получения импульсного рентгеновского и нейтронного излучения, с диэлектрическим элементом, установленным на торце внутреннего электрода (анода).

На фиг.2 изображено заявляемое устройство с диэлектрическим элементом, установленным в углублении внутреннего электрода. Данная конструкция прошла экспериментальную проверку.

На фиг.3 изображено заявляемое устройство с диэлектрическим элементом, замещающим максимально возможную часть поверхности анода.

На фиг.4 изображено заявляемое устройство с диэлектрическим элементом, установленным на обоих, внутреннем и внешнем, электродах.

Заявляемое устройство для получения импульсного рентгеновского и нейтронного излучения содержит газонаполненную плазменную камеру 1, образованную коаксиальными внешним 2 и внутренним 3 электродами, с одного из торцов, соединенными с источником питания 4. Со стороны другого торца по крайней мере на одном из электродов установлен диэлектрический элемент 5, который выполнен из вакуумно-плотной керамики. Площади поверхностей, обращенных внутрь плазменной камеры 1 диэлектрического элемента 5, больше, чем у электрода 2 или 3, на котором он установлен. Устройство содержит изолятор 6, расположенный между электродами 2 и 3 со стороны импульсного источника питания 4.

Работает заявляемое устройство следующим образом. Разряд - пробой формируется между электродами вблизи изолятора 6. Под действием сильного магнитного поля токоплазменная оболочка, ускоряясь, двигается по электродам 2 и 3. В момент перехода токовой оболочки с электрода на диэлектрический элемент 5 под действием магнитного поля оболочка вытягивается и прижимается к поверхности диэлектрического элемента 5. Проводником, обеспечивающим протекание тока по внутреннему электроду 3, становится Н-прижатый разряд к поверхности диэлектрического элемента 5. Обойдя торец (в данном случае торец диэлектрического элемента), оболочка охлопывается на оси камеры с образованием пинча. В момент схлопывания резко возрастает температура и плотность пинча, ток в пинче кратковременно уменьшается, появляется электрическое напряжение, ускоряющее ионы газа, и возникает генерация нейтронов или рентгеновского излучения.

В примере реализации заявляемого устройства по фиг.2 плазменная камера заполнена изотопами водорода. Внешний электрод (корпус) выполнен из меди марки М0б с толщиной стенок 20 мм. Внутренний электрод (анод) выполнен также из меди марки М0б. На аноде в его углублении расположен цилиндрический диэлектрический элемент из вакуумно-плотной керамики марки ВК95. Между электродами расположен цилиндрический изолятор из керамики марки ВК95. Площадь поверхности диэлектрического элемента в 3 раза больше площади анода. Для доказательства работоспособности камеры ПФ с «диэлектрическими» электродами была проведена серия экспериментов с керамическими элементами (вставками) в металлическом аноде камеры. В экспериментах получено устойчивое линчевание разряда с рентгеновским и нейтронным выходом.

Таким образом, по сравнению с прототипом, замена части площади, по крайней мере, одного из электродов на диэлектрик, в частности на вакуумно-плотную керамику, позволила увеличить стабильность работы устройства в 2 раза, а генерацию излучения по экспериментальным и расчетным данным предполагается получить при токах более 2,5 МА.

1. Устройство для получения импульсного рентгеновского и нейтронного излучений, содержащее газонаполненную плазменную камеру, образованную коаксиальными внешним и внутренним электродами, с одного из торцов разделенными изолятором и соединенными с импульсным источником питания, отличающееся тем, что с другого торца, по крайней мере, на одном из электродов установлен осесимметричный диэлектрический элемент.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площади поверхностей, обращенных внутрь плазменной камеры, диэлектрического элемента больше чем у электрода, на котором он установлен.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что диэлектрический элемент выполнен из вакуумно-плотной керамики.