ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

Полезная модель относится к импульсным источникам рентгеновского излучения (РИ), в частности, к генераторам разовых импульсов РИ, и может быть использована для проведения ядерно-физических исследований, изучения радиационной стойкости, калибровки детекторов ионизирующих излучений, исследований в области радиобиологии.
Известен плазменный источник проникающего излучения, представляющий собой модуль, содержащий емкостной накопитель, соединенный с высоковольтным коммутатором, коммутирующим разряд емкостного накопителя через кабельную линию на токовый коллектор с установленной в нем газоразрядной камерой, в которой формируется разряд типа “плазменный фокус” [а.с. СССР №347006, МПК H05H 1/06, опубликован 09.02.95]. Газоразрядная камера состоит из двух электродов: анода и катода, и заполнена газом - изотопами водорода. Электроды камеры могут быль выполнены в виде цилиндров или быть сферическими. При формировании Z-пинча в разрядной камере может быть получен импульс нейтронов и РИ.
Недостатком аналога является то, что большая часть рентгеновского излучения поглощается стенками (катодом) камеры, поэтому на внешней поверхности газоразрядной камеры плотность излучения мала.
Прототипом является импульсный источник проникающего излучения [А.С. Кингсеп “Энциклопедия низкотемпературной плазмы”, Серия Б, Том IX-2, Высокоэнергетичная плазмодинамика, Москва, 2007 г. Стр. 32], представляющий собой модуль, содержащий емкостной накопитель, соединенный с высоковольтным коммутатором, коммутирующим разряд емкостного накопителя через кабельную линию на токовый коллектор с установленной в нем газоразрядной камерой, в которой формируется разряд типа “плазменный фокус”. Камера плазменного фокуса (ПФ) имеет тонкое окно из материала с малым коэффициентом поглощения РИ для вывода наружу излучения, расположенное на катоде под углом 45 градусов к оси камеры. Удельный выход жесткого РИ снаружи окна определяется коэффициентом использования генерируемого РИ, который зависит от угла распространения излучения относительно оси газоразрядной камеры в соответствии с диаграммой направленности распространения РИ и расстоянием между окном и анодом камеры.
Недостатками прототипа являются:
1. Малый удельный выход жесткого рентгеновского излучения снаружи окна из-за удаленности окна от анода камеры плазменного фокуса.
2. Низкий коэффициент использования генерируемого жесткого РИ из-за расположения окна на катоде камеры под углом к оси камеры.
Техническим результатом является увеличение удельного выхода жесткого рентгеновского излучения за счет возможности иметь минимальное расстояние до анодной мишени - окна на котором тормозятся электроны и, как следствие, возникает жесткое рентгеновского излучение, а также увеличение коэффициента использования генерируемого жесткого РИ в результате взаимодействия пучка электронов с материалом анода, бьющего по оси камеры по направлению к аноду.
Технический результат достигается тем, что импульсный источник рентгеновского излучения наносекундной длительности, содержащий емкостной накопитель, соединенный с высоковольтным коммутатором, который с помощью кабельной линии соединен с токовым коллектором, с установленной в нем газоразрядной камерой плазменного фокуса, газоразрядная камера плазменного фокуса имеет полый анод отделенный от катода изолятором, полый анод имеет сквозное цилиндрическое отверстие - полость, полость расположена по оси газоразрядной камеры плазменного фокуса, в полый анод газоразрядной камеры плазменного фокуса вакуумноплотно на всю длину вставлен полый цилиндр, в торце полого цилиндра со стороны рабочего объема газоразрядной камеры плазменного фокуса вакуумноплотно расположено окно-мишень из материала с высокой плотностью.
Предлагаемая конструкция импульсного источника рентгеновского излучения, представляющего собой модуль, показана на чертеже.
Принятые обозначения:
1 - емкостной накопитель;
2 - высоковольтный коммутатор;
3 - кабельная линия;
4 - газоразрядная камера плазменного фокуса;
5 - полый анод;
6 - полый цилиндр;
7 - окно-мишень;
8 - ось камеры;
9 - полость,
10 - изолятор,
11 - катод.
Устройство содержит: емкостной накопитель 1, соединенный с высоковольтным коммутатором 2, коммутирующим разряд емкостного накопителя через кабельную линию 3 на токовый коллектор (на чертеже не указан) с установленной в нем газоразрядной камерой 4 плазменного фокуса, камера имеет катод 11, изолятор 10, полый анод 5, в который вставлен сменный полый цилиндр 6 с окном-мишенью 7 из материала с высокой плотностью, например из вольфрама или тантала. Полый цилиндр 6 с окном-мишенью 7 используется для вывода РИ по оси камеры 8 в полость 9 цилиндра 6.
Работает устройство следующим образом.
Емкостной накопитель 1, заряжается от высоковольтного источника питания, после чего срабатывает высоковольтный коммутатор 2 и вся запасенная энергия из емкостного накопителя 1 поступает на газоразрядную камеру 4 плазменного фокуса. В камере происходит пробой между полым анодом 5 и катодом 11 вдоль поверхности изолятора 10 и образуется первичная плазма, которая затем отрывается от изолятора 10 и начинает двигаться вдоль стенок газоразрядной камеры 4 плазменного фокуса по направлению к оси камеры 8 вследствие электродинамических сил. Электродинамические силы, ускоряющие токоплазменную оболочку (ТПО), вызваны протекающим по плазме разрядным током, имеющим диапазон значений от единиц до тысяч кА. Большая часть разрядного тока протекает по переднему фронту ТПО (на толщине скин-слоя), а создаваемое разрядным током магнитное поле приводит к эффекту, так называемого, магнитного поршня, толкающего ТПО вдоль электродов камеры. По мере движения ТПО вдоль электродов камеры температура плазмы возрастает до сотен эВ. После того, как ТПО доходит до края внутреннего электрода (полого анода 5), она заворачивает и продолжает движение по направлению к оси камеры 8.
Вблизи оси камеры 8 оболочка имеет форму воронки, обращенной к полому аноду 5 узкой частью, где образуется плотное высокотемпературное образование) с температурой плазмы, доходящей до тысяч эВ, и плотностью на несколько порядков превышающую начальную плотность рабочего газа в газоразрядной камере 4. Данное состоянии плазмы и называется нецилиндрическим Z-пинчем (плазменным фокусом), который является источником проникающих излучений. Время существования стабильного пинчевого образования составляет несколько десятков наносекунд. После достижения равновесного радиуса в пинче (электродинамическая сила в связи с действием магнитного поршня компенсируется кулоновской силой) развиваются различные неустойчивости (неустойчивости m=0 типа, m=1 типа, Рэлей-Тейлоровская неустойчивость, неустойчивость на нижний гибридной частоте и другие), которые приводят к разрушению пинча. Момент разрушения пинча сопровождается появлением больших наведенных электрических полей (порядка сотен кВ/см), которые приводят к возникновению электронного пучка вдоль оси 8 газоразрядной камеры 4 плазменного фокуса, направленного в сторону полого анода 5. Распад пинча характеризуется резким скачком на осциллограмме производной разрядного тока, так называемая «особенность».
Известно, что мягкое рентгеновское излучение возникает из плазмы нецилиндрического Z-пинча в течение его стабильного существования на оси камеры 8, а жесткое РИ в результате взаимодействия электронного пучка, образованного на фазе распада пинча, с материалом анода газоразрядной камеры ПФ 4. Использование направленности пучка электронов (повышение коэффициента использования направленности РИ), бьющего по анодному окну-мишени 7 вдоль оси камеры 8, расположения окна-мишени 7 и минимального расстояния до окна-мишени 7, на котором тормозятся электроны, выгодным образом позволяет увеличить удельный выход жесткого рентгеновского излучения. Наличие же полого цилиндра 6, который является составной частью полого анода 5 газоразрядной камеры 4 плазменного фокуса, позволяет максимально приблизиться к внешней поверхности окна-мишени 7, где удельная плотность жесткого РИ максимальна.