ПЛАЗМЕННЫЙ ГЕНЕРАТОР ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
PLASMA GENERATOR OF DECELERATION RADIATION

Изобретение относится к области физики и техники плазмы, а конкретнее к плазменным генераторам тормозного рентгеновского излучения.
В настоящее время известны различные методы генерации интенсивных потоков излучения в рентгеновском диапазоне. Однако в большинстве из них (ускорительные установки, плазменные Z-пинчи и др.) энергетическая цена рентгеновских квантов чрезвычайно велика. Вследствие этого монопольное, по существу, положение на рынке занимают хорошо известные рентгеновские трубки. Между тем рентгеновские трубки обладают рядом недостатков, среди которых наиболее серьезными являются резкое снижение устойчивости работы и долговечности изделия при увеличении ускоряющего напряжения свыше 100 кВ, необходимого для получения жесткого излучения.
Типичные характеристики традиционных источников излучения такого типа представлены в таблице:
Характерными особенностями большинства источников на основе рентгеновских трубок являются наличие высокого напряжения, применение материалов с высокой электрической прочностью, значительные размеры и низкая удельная плотность энергии, ограниченный эксплуатационный ресурс, малая частота следования рентгеновских импульсов, слабая повторяемость спектров, проблемы безопасности, а также высокая стоимость. Источники на основе радиоактивных материалов, также не являются универсальными и, в первую очередь, их недостатки сводятся к трудностям, возникающим при работе с ними, хранении, радиологической безопасности и последующем захоронении радиоактивных материалов.
Для методов неразрушающего контроля, ряда технологий, биогенетических исследований и медицинских целей существует потребность в малогабаритных источниках излучения со спектральным диапазоном энергий 1-1000 кэВ. При этом энергопотребление должно быть умеренным, а источник - электрически безопасным.
Известно устройство [1], в котором для генерации рентгеновского излучения используется плазма, удерживаемая в простой зеркальной магнитной ловушке с кольцевым слоем горячих электронов (проект ELMO) [2]. Короткий импульс тока длительностью порядка 10 нс в дополнительной магнитной катушке, которая расположена в зоне удержания сгустка электронно-горячей плазмы, корректирует траекторию сгустка и смещает его относительно оси магнитной ловушки. Это приводит к высадке сгустка на мишень, расположенную вне области его первичной генерации. Мощность генерируемого излучения определяется характерным поперечным размером сгустка, временем его циклотронного оборота и функцией распределения электронов сгустка по энергиям. Основным недостатком такого устройства является сложность генерации короткого импульсного тока в магнитных катушках при их значительной индуктивности. Кроме того, корректирующая катушка расположена в области генерации сгустка, что препятствует эффективному процессу резонансного нагрева плазмы и генерации кольца горячих электронов.
6
Известны устройства для генерации рентгеновского излучения на основе сильноточного разряда в плазменном диоде [3-7] или с помощью пучков энергичных электронов [8]. Основными недостатками таких устройств являются: необходимость применения мощных генераторов импульсного напряжения (с амплитудой выходного напряжения порядка ~10 В), применение элементов сильноточной коммутационной электроники, значительные габариты и вес. Эти факторы ограничивают область их использования, так как накладывают ряд требований к квалификации обслуживающего персонала, технике безопасности и транспортировке. Кроме того, устройства указанных типов обладают ограниченным эксплуатационным ресурсом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству являются микроволновый плазменный источник рентгеновского излучения [9] и его аналоги [10-16].
Все эти устройства содержат микроволновый резонатор, помещенный в магнитное поле пробочной конфигурации, в котором осуществляется нагрев создаваемой плазмы в условиях классического электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) либо его вариаций, как, например, нагрев на второй резонансной гармонике. В процессе резонансного взаимодействия в рабочем объеме резонатора создается неравновесная плазма с популяцией «горячих» электронов. Горячие электроны такой плазмы пространственно сосредоточены вблизи ЭЦР-поверхности и служат потенциальным источником тормозного излучения с широким спектральным диапазоном. Ширина спектральной области излучения и его интенсивность определяются мощностью и частотой СВЧ-генератора, пространственным распределением напряженности магнитного поля в ловушке, величиной давления и иными характеристиками плазмообразующего газа. Для генерации рентгеновского излучения используется либо твердотельная мишень, помещаемая в область ЭЦР взаимодействия, где сосредоточен слой горячих электронов [13-16], либо излучение генерируется при взаимодействии горячих электронов с ионами создаваемой плазмы и стенками резонатора.
Основными недостатками устройств такого типа являются: отсутствие выраженной анизотропии движения горячих электронов в пределах области их взаимодействия с мишенью, отсутствие выраженной направленности генерируемого излучения, низкая интенсивность излучения ввиду низкой плотности горячих электронов, взаимодействующих с мишенью, узкий спектральный диапазон генерируемого излучения и его малая интенсивность в области высоких энергий, определяемая энергетическим распределением популяции горячих электронов, малая интегральная мощность излучения, ввиду того, что для генерации излучения задействована незначительная часть электронов, сосредоточенных на ЭЦР-поверхности.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является создание устройства, обеспечивающего повышение интенсивности излучения, наличие четкой диаграммы направленности излучения, возможность контролируемого смещения спектра излучения в сторону жесткого рентгеновского излучения, при сохранении всех преимуществ таких систем: компактность, отсутствие высоких напряжений, катодных узлов и т.п.
Технический результат достигается тем, что плазменный генератор тормозного излучения, содержит микроволновой резонатор, помещенный в магнитостатическое поле пробочной конфигурации, на микроволновом резонаторе в межполюсном пространстве электромагнита размещены импульсные магнитные катушки, обеспечивающие дополнительное ускорение электронов в авторезонансном режиме до релятивистских энергий и генерацию тормозного излучения при взаимодействии ускоренных электронов с твердотельной мишенью, находящейся вне зоны формирования исходной плазмы в резонаторе, и/или с газовой мишенью, формируемой подключенным к резонатору импульсным газовым клапаном, создающим газовую струю, направленную в область локализации сгустка ускоренных электронов.
Принципиальная возможность генерации рентгеновского излучения в широком диапазоне длин волн была показана в [17-20]. Основой такой генерации служат физические процессы ЭЦР-взаимодействия, а также получение плазменных релятивистских образований в режиме гиромагнитного авторезонанса (ГА). В этом режиме условие резонанса автоматически самоподдерживается за счет квазисинхронного с ростом магнитного поля возрастания релятивистской массы захваченных в режим ускорения электронов плазмы. При этом создается удерживаемый магнитным полем долгоживущий релятивистский электронный сгусток, радиус вращения которого близок к радиусу всего плазменного образования.
Таким образом, предложенное устройство для генерации тормозного рентгеновского излучения содержит удерживаемый в магнитном поле пробочной конфигурации плазменный сгусток, образованный в результате оригинального авторезонансного способа ускорения электронов плазмы до релятивистских энергий, аналогичного [21]. Генерация рентгеновского излучения происходит в процессе взаимодействия сгустка ускоренных электронов с твердотельной и/или газовой мишенью.
Следует отметить, что в предлагаемом устройстве могут быть реализованы различные методы создания популяции энергичных электронов, как при ЭЦР-взаимодействии, аналогично прототипу [9-16], так и в режиме ГА [17, 21], что может быть широко использовано в прикладных целях.
Конструкция устройства и его работа поясняется рисунками 1-4. Схема заявляемого устройства приведена на рис.1. Распределение магнитного поля вдоль оси устройства во времени приведено на рис.2. На рис.3 показано взаимное расположение импульсов СВЧ и импульсного магнитного поля во времени. На рис.4 приведен временной ход процессов в импульсно-периодическом режиме.
-4
-5
Устройство представляет собой осесимметричную систему (см. рис.1), в которой в межполюсном пространстве электромагнита 1 размещаются вакуумный (10-10 Торр) высокочастотный резонатор 2, заполненный плазмообразующим газом (например, инертным), и катушки импульсного магнитного поля 3, представляющие единый блок; для генерации рентгеновского излучения используется твердотельная мишень 4, расположенная вне зоны нагрева, и/или импульсный газовый клапан 5.
Устройство работает следующим образом: электромагнит 1 создает в межполюсном пространстве стационарное магнитное поле пробочной конфигурации; протекающий импульсный ток в катушках 3 создает дополнительное импульсное реверсивное магнитное поле, что обеспечивает снижение результирующего магнитного поля до величины, соответствующей резонансному значению; в тот же момент резонатор 2 импульсно запитывается от генератора СВЧ, осуществляется пробой газа, заполнение резонатора исходной плазмой и захват электронов в режим авторезонансного ускорения; в процессе восстановления результирующего магнитного поля к исходному на электроны исходной плазмы воздействуют одновременно электрическое поле электромагнитной волны и нарастающее во времени магнитное поле; по достижению исходного значения магнитного поля, соответствующего значению стационарного магнитного поля, выключается импульс СВЧ; в этом случае сгусток ускоренных электронов сосредоточен в центральном сечении резонатора с радиусом вращения, соответствующим положению мишени 4, что приводит к выводу сгустка на мишень и генерации рентгеновского излучения; для повышения интенсивности излучения может быть использован импульсный газовый клапан 5, обеспечивающий импульсный ввод мощной газовой струи в область локализации сгустка.
Магнитное поле устройства (рис.2) представляет собой суперпозицию стационарного и импульсного (реверсивного) полей пробочной конфигурации. Такая конфигурация предусмотрена для длительного удержания создаваемых плазменных образований в рабочем объеме резонатора. Временной профиль магнитного поля показан на рис.2: 6 - исходный профиль стационарного магнитного поля (в начальный момент времени), 5-1-5 профиль результирующего магнитного поля (стационарное и реверсивное импульсное поле).
111
Высокочастотное электрическое поле, вектор напряженности которого ориентирован перпендикулярно вектору магнитной индукции, создается с помощью перестраиваемого цилиндрического резонатора ТЕ.
Все устройство функционирует в импульсно-периодическом режиме. Взаимное расположение импульсов СВЧ и импульсного магнитного поля во времени представлены на рис.3.
1
2
се
2
3
3
4
Заявляемое устройство работает следующим образом: при стартовых условиях величина стационарного магнитного поля со значением напряженности магнитного поля в геометрическом центре ловушки существенно превышает значение, необходимое для ЭЦР-взаимодействия, в момент времени t (рис.3) включается импульсное магнитное поле, снижающее напряженность поля в центре ловушки до уровня, обеспечивающего ЭЦР-взаимодействие (процесс 6-1, рис.2); в момент времени t (рис.3) включается импульсный СВЧ генератор. При достижении условий, близких к резонансным, т.е. при значении магнитного поля в центре резонатора, при котором электронная циклотронная частота ω совпадает с частотой волны накачки ω (частота СВЧ поля), в результате пробоя ловушка в пределах рабочего объема резонатора заполняется низкотемпературной плазмой (интервал t-t, рис.3); либо используется внешний плазменный инжектор; воздействие импульсного магнитного поля и электромагнитного СВЧ поля обеспечивают захват электронов исходной плазмы в режим ГА (рис.3); во временном интервале t-t (рис.3) происходит ускорение электронов плазмы до релятивистских энергий в режиме ГА и восстановление исходного профиля стационарного магнитного поля (6, рис.2); во временном интервале (4-15 происходит высадка сгустка на мишень и/или осуществляется импульсный напуск газа в область локализации сгустка (рис.3), что приводит к генерации мощного импульса рентгеновского излучения. На рис.4 приведен временной ход процессов в импульсно-периодическом режиме.
Максимально достижимый уровень энергии электронов при ГА определяется значением величины магнитной индукции, достижимой в пределах длительности СВЧ-импульса.
Для повышения квантового выхода излучения в устройстве применяется импульсный быстродействующий клапан для создания локализованной в пространстве газовой струи, обеспечивающий инжекцию нейтральных атомов в область удержания релятивистского плазменного сгустка.
Взаимодействие плазменного сгустка с мишенью (твердотельной и/или, газовой) с целью генерации рентгеновского излучения обеспечивается:
- движением релятивистского плазменного сгустка по радиусу и его выводом на мишень;
- импульсным напуском газовой струи в область удержания плазменного сгустка.
Эти методы позволяют быстро и эффективно вывести сгусток на мишень, расположенную вне зоны захвата и ускорения электронов.
Плазмообразующий газ должен обеспечивать эффективное зажигание разряда (т.е. иметь низкий потенциал ионизации). Кроме того, для уменьшения потерь плазмы на стенках вакуумной камеры газ должен обладать большой атомной массой. В этой связи подходящими газами являются инертные газы, такие как аргон, криптон или ксенон. Возможно применение сторонней инжекции, обеспечивающей заполнение ловушки плазмой с плотностью ниже критической для частоты волны накачки.
Для эффективных процессов создания плазмы и последующего захвата электронов плазменного сгустка в режим ГА достаточно мощности СВЧ генератора ~1 кВт.
9
При максимальной энергии электронов 500 кэВ ток электронов в сгустке при захвате 10 частиц в режим ГА составит 60 мА, что эффективно соответствует электрической мощности около 30 кВт. При 10% кпд преобразования электрической мощности в мощность рентгеновского излучения величина последней составит ~3 кВт, что достаточно для большинства практических приложений.
Наряду со спектром и интенсивностью излучения важным потребительским параметром источника рентгеновского излучения являются габариты источника. Линейные размеры технически реализуемого устройства не превышают 50×50×50 см.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет расширить рабочий спектральный диапазон, значительно повысить мощность излучения и обеспечить его направленность.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. United States Patent # 4,553,256, Dec.13, 1982 K.G.Moses. Apparatus and method for plasma generation of X-ray bursts.
2. N.A.Uckan et al. Physics of hot electron rings in EBT: Theory and Experiment, ORNL/TM-7585, NTIS.1981, pp.1-4.
3. A.F Popkov, V.I Kargin et al. Plasma X-ray Radiation Source. Journal of X-ray Science and Technology, 5, 289-294, 1995.
4. United States Patent # 3,946,236, Mar.23, 1976 T.G.Roberts et al. Energetic electron beam assisted X-ray generation.
5. Патент RU №2253194 от 26.10.2000 Партло В., Фоменков И.В., Оливер И., Несс Р., Биркс Д. Источник излучения на основе плазменного фокуса с улучшенной системой импульсного питания.
6. Патент RU №2393581 от 28.10.2008 Новиков Г.К., Смирнов А.И., Маркова Г.В., Новиков В.Г., Новикова Л.Н. Газоразрядное устройство - источник рентгеновского излучения.
7. Патент RU №2342810 от 17.05.2007 Боголюбов Е.П., Голиков А.В., Дулатов А.К. и др. Плазменный источник проникающего излучения.
8. Патент RU №2214018 от 22.06.2001 Щелкунов Г.П. Рентгеновский излучатель.
9. United States Patent # 5,323,442, Jun.21, 1994 K.S.Golovanivsky et al. Microwave X-ray source and methods of use.
10. United States Patent # 5,355,399, Oct.11, 1994 K.S.Golovanivsky et al. Portable X-ray source and method for radiography.
11. United States Patent # 5,577,090, Nov.19, 1996 K.G.Moses. Method and apparatus for product X-radiation.
12. United States Patent # 6449338, 09.10.2002, Bacal Verney, Marthe (Paris, FR) et al. X-ray source and use in radiography.
13. T.J. Castagna, J.L.Shohet, D.D.Denton, N.Hershkowitz. X-rays in electro-cyclotron-resonance processing plasmas Appl. Phys. Lett. 60(23), 8 June 1992, 2856.
14. K.S.Golovanivsky, V.D. Dougar-Jabon and D.V.Reznikov. Proposed physical model for very hot electron shell structures in electron resonance-driven plasmas Physical Review 1995, E 52, 2969.
15. S.V.Golubev et al. Soft x-ray Emission from millimeter-wave Electron Cyclotron Resonance Discharge. Journal of x-ray Science and technology 6, pp.244-248 (1996).
16. B.B.Андреев, А.А.Балмашнов, А.М Умнов и др. ЭЦР плазма как источник рентгеновского излучения: эксперимент и численное моделирование Известия Академии наук, серия физическая. 2003 г., т.67. №9. С.1314-1321.
17. V.V.Andreev, К.S.Golovanivsky. An experiment on ECR in a magnetic field which is growing in time. Physics Letters 1984 v.100A, p.357-359.
18. В.В.Андреев, K.C.Голованивский. Плазменный синхротрон ЖИРАК-0 Физика плазмы 1985 t.11, 3, c.300-306.
19. V.V.Andreev, A.M.Umnov. Experiments with relativistic plasma produced by a microwave discharge in time de pendent magnetic field. Physica Scripta 1991, 43, p.490-494.
20. V.V.Andreev, A.M. Umnov. Relativistic plasma and electron bunches in plasma synchrotrons of GYRAC. Plasma Sources Sci. Tech. 8 (1999) p.479-487.
21. В.В.Андреев, К.С.Голованивский. Способ нагрева плазмы до релятивистских температур Авторское свидетельство: №1322962, 8 марта 1987.