ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ПРОНИКАЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к плазменной технике, к устройствам для генерации нейтронов, в частности к генераторам разовых импульсов нейтронного и рентгеновского излучения, и может быть использовано для проведения ядерно-физических исследований, изучения радиационной стойкости, например, электронной аппаратуры, калибровки детекторов ионизирующих излучений.
Известен плазменный источник проникающего излучения (см. патент РФ №347006, кл. H05H 1/06, 1970 г.), состоящий из газоразрядной камеры, заполненной изотопами водорода и содержащей газоразрядные электроды, и источника электрического питания. Газоразрядная камера состоит из изолятора, выполненного из алунда, и газоразрядных электродов в виде коаксиально расположенных один в другом электропроводных тел вращения с криволинейной образующей, ввод внутреннего электрода имеет диаметр, меньший диаметра рабочей части электрода. С целью равномерного распределения тока в разрядной камере, во внешнем электроде выполнены неоднородности в виде несквозных углублений, равномерно распределенных по поверхности внешнего электрода вблизи ввода внутреннего электрода.
Недостатком данного источника является небольшой ресурс работы (10-100 кумуляций Z-пинча с генерацией нейтронного и рентгеновского излучений).
В качестве прототипа по наибольшему количеству совпадающих конструктивных признаков принят плазменный источник проникающего излучения (см. патент РФ №2342810, кл. H05H 1/00, 2008 г.), состоящий из газоразрядной камеры, заполненной изотопами водорода и содержащей газоразрядные электроды, и источника электрического тока, отличающийся тем, что электроды газоразрядной камеры герметично закреплены в изоляторе, в состав газоразрядной камеры введен генератор газа, герметично установленный в отверстии корпуса газоразрядной камеры, рабочий элемент генератора газа насыщен изотопами водорода, а нагревательный элемент подключен через ключ к источнику электрического тока, обеспечивая при включенном состоянии разогрев рабочего элемента генератора газа, выделяющего изотопы водорода в объем разрядной камеры, а при выключенном источнике электрического тока холодный рабочий элемент поглощает изотопы водорода, а также примеси, которые выделяются при разряде с поверхностей электродов изолятора. На катоде газоразрядной камеры в непосредственной близости от изолятора выполнены цилиндрические углубления, которые расположены равномерно по окружности, центр которой находится на оси камеры. Цилиндрические углубления необходимы для равномерного распределения тока в разрядной камере.
Недостатком прототипа является отсутствие равномерного искажения электрического поля вдоль всего периметра изолятора, поскольку выполненные цилиндрические углубления создают лишь локальные (неравномерные) искажения электрического поля вблизи изолятора.
Техническим результатом предлагаемого устройства является формирование равномерного искажения электрического поля вдоль всего периметра изолятора. Это способствует формированию более равномерной токовой оболочки и, как следствие, приводит к увеличению выхода нейтронов из камеры плазменного фокуса.
Технический результат достигается тем, что плазменный источник проникающего излучения, содержащий газоразрядную камеру, заполненную изотопами водорода и содержащую газоразрядные электроды, герметично закрепленные в изоляторе, и источник электрического тока, подсоединенный к электродам газоразрядной камеры, на внешнем электроде вблизи изолятора выполнена проточка треугольного сечения по окружности, центр которой находится на оси газоразрядной камеры, и которая располагается в плоскости, перпендикулярной оси газоразрядной камеры.
Схема плазменного источника проникающего излучения приведена на чертеже, принятые обозначения:
1 - анод, 2 - катод, 3 - плазменный фокус, 4 - изолятор, 5 - конденсаторная батарея, 6 - высоковольтный коммутатор, 7 - зарядный резистор, 8 - проточка.
Плазменный источник проникающего излучения содержит газоразрядную камеру, состоящую из двух коаксиально расположенных металлических газоразрядных электродов: внутренний электрод является анодом 1, а внешний электрод - катодом 2. Анод 1 и катод 2 герметично соединены с изолятором 4. На катоде 2 в непосредственной близости от изолятора 4 выполнена проточка 8 треугольного сечения, которая расположена равномерно по окружности, центр которой находится на оси камеры. Данная окружность располагается в плоскости, перпендикулярной оси газоразрядной камеры. Камера плазменного фокуса соединяется с малоиндуктивным источником электрического тока, который содержит конденсаторную батарею 5 и высоковольтный коммутатор 6, зарядный резистор 7 для зарядки емкостного накопителя. Объем разрядной камеры заполнен изотопами водорода (дейтерием, смесью дейтерия и трития или тритием).
Устройство работает следующим образом:
При срабатывании высоковольтного коммутатора 6 заряженные конденсаторы конденсаторной батареи 5 разряжаются на разрядную камеру, в которой формируется разряд типа «плазменный фокус» 3. В результате вблизи изолятора 4 происходит разряд с образованием цилиндрической плазменной оболочки. Под действием электродинамических сил плазменная оболочка отходит от изолятора 4 и движется с ускорением по межэлектродному зазору к области фокусировки (плазменный фокус 3), которая находится на оси разрядной камеры вблизи поверхности анода 1. Формирующийся плазменный фокус 3 является источником нейтронов и рентгеновских лучей.
Пространственное распределение и изменение во времени ионизации на начальной стадии развития импульсного высоковольтного разряда в газе главным образом определяется изменением во времени электрического поля в газоразрядной камере  а также пространственным распределением первоначальных свободных электронов. В самом начале формирующийся из-за ионизации пространственный заряд существенно не изменяет приложенное извне значение электрического поля:
где  определяется только геометрией и материалами электродов и изолятора.  не зависит от давления p, следовательно изменение p может повлиять только на глобальную скорость ионизации, а не на пространственное распределение ионизации.
В газоразрядной камере, в которой формируется плазменный фокус, имеется характерная зона с относительно большими значениями : в области сочленения изолятора и катода. Процесс ионизации начинается в этой области, независимо от давления заполняющего газа.
Основной задачей на начальной стадии развития разряда в камере является формирование однородной проводящей плазменной оболочки. При срабатывании разрядников и подаче напряжения на электроды разрядной системы распределение электрического поля в межэлектродном зазоре в начальный период времени определяется только геометрией электродов. Это поле первоначально максимально на границе катод-изолятор, откуда начинает распространяться волна ионизации вдоль поверхности изолятора, доходя до анодной кромки. С этого момента времени электрическое поле практически постоянно и газовый промежуток является омической нагрузкой, в которой продолжается рост проводимости за счет ионизации газа. В начальный момент первичная ионизация возникает во всем рабочем объеме камеры. Однако в быстро ионизующемся газе даже незначительное скинирование электрического поля вызывает сильную неоднородность степени ионизации. Поэтому уменьшение электрического поля при удалении от изолятора приводит к быстрому «ионизационному» скинированию тока вблизи изолятора. Возникает тонкий проводящий плазменный слой, который под действием пондеромоторных сил отрывается от изолятора и начинает движение вдоль электродов.
7
7
7
Введение проточки 8 треугольного сечения увеличивает напряженность поля в межэлектродном промежутке по всему периметру изолятора с E=1,6×10 В/м до значения E=3,7×10 В/м (при зарядном напряжении емкостного накопителя 20 кВ). Для сравнения, несквозные отверстия в прототипе лишь локально увеличивает напряженность до E=3,3×10 В/м (зарядное напряжение 20 кВ). Это способствует более равномерному формированию токовой оболочки и, как следствие, более эффективному линчеванию плазмы. В результате увеличивается выход нейтронов из газоразрядной камеры.
В таблице представлены оценочные значения напряженности электрического поля E в межэлектродном промежутке в области катод-изолятор газоразрядной камеры для рассмотренных вариантов исполнения катода и соответствующие экспериментальные значения относительного выхода нейтронов.
Типичные размеры проточки треугольного сечения (см. чертеж): глубина h от 2 до 8 мм, характерный угол α = от 30° до 60°. Расстояние проточки от изолятора L от 0 до 2 мм. Данные размеры обеспечивают увеличение напряженности в межэлектродном промежутке, при этом сохраняется его необходимая электропрочность за счет сохранения размера рабочей поверхности изолятора в межэлектродном промежутке.
Выполненная на поверхности катода проточка треугольного сечения, расположенная по окружности, центр которой находится на оси камеры, способствует равномерному формированию токовой оболочки в разрядной камере и, как показали испытания, увеличению нейтронного выхода в четыре раза, по сравнению с камерой, в которой выполнены цилиндрические углубления, за счет обострения напряженности поля вдоль всего изолятора.
Таблица
Область катод-изолятор
E, ×10<sup>7 </sup>В/м
Относительный выход нейтронов
Катод без неоднородностей
1,6
0,6
Несквозные отверстия на катоде
3,3
1,0
Проточка треугольного сечения на катоде
3,7
4,0