СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ПРОНИКАЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
PENETRATING RADIATION GENERATION METHOD

Изобретение относится к плазменной технике, в частности, к способам генерации нейтронного излучения и может быть применено при создании источников проникающего излучения. Такие источники используются для калибровки рентгеновских датчиков, определения радиационной стойкости элементов электронной аппаратуры и в других целях.
Известен ряд способов и источников проникающего излучения, основанных на разрядах с плазменным фокусом. Они, как правило, представляют собой два коаксиальных электрода, разделенных изолятором. В промежутке между электродами находится рабочий газ, потом происходит формирование плазмы (так называемой токово-плазменной оболочки, ТПО), которая под действием собственного магнитного поля тока, протекающего в устройстве, ускоряется. На заключительном этапе движения ТПО сходится на оси устройства, и в результате развития неустойчивости типа «перетяжка» происходит сжатие и разогрев плазмы (т.н. эффект пинчевания). Возникающее плазменное образование является источником проникающего излучения высокой интенсивности.
Известен плазменный источник проникающего излучения на основе разряда с плазменным фокусом, описанный в авторском свидетельстве SU 347006 А1, опубликованном в 1971 г., электроды которого представляют собой криволинейные поверхности вращения. Недостатком данного устройства является нестабильность работы и невысокая интенсивность нейтронного излучения.
В качестве прототипа к данному изобретению выбран способ генерации нейтронных импульсов, описанный в патенте РФ 2362277 (МПК Н05Н 1/00), опубликованном 20.07.2009 г. Способ генерации нейтронных импульсов, описанный в этом патенте, основан на формировании разряда с плазменным фокусом путем подачи высоковольтного импульса на разрядную камеру, заполненную рабочим газом (изотопами водорода). При этом рабочий газ в разрядной камере предварительно ионизируют путем подачи на электроды газоразрядной камеры предварительного высоковольтного импульса, а затем воздействуют основным высоковольтным импульсом.
Недостатком данного способа является нестабильность работы и невысокая интенсивность нейтронного излучения. Причина этого в том, что нейтронный выход Y в разряде с плазменным фокусом имеет степенную зависимость от протекающего тока и определяется выражением:
где I - сила тока, текущего непосредственно через перетяжку в момент сжатия плазмы, а показатель степени n=3÷4,5. Отсюда следует, что для максимальной эффективности работы момент максимального сжатия плазмы разряда (τ) должен совпадать по времени с моментом максимума силы тока, выдаваемого источником питания устройства (т.н. согласование по току). Как правило, электрическая энергия в источниках питания подобных устройств запасается в конденсаторной батарее. В таком случае зависимость величины силы тока, текущего в разрядном контуре устройства, будет иметь вид затухающей синусоиды с периодом
где L - индуктивность контура, С - емкость контура. Максимальный ток в разрядном контуре будет протекать в момент времени  Условие согласования по току запишется следующим образом:
где, как сказано выше, τ - момент времени максимального сжатия плазмы разряда.
Увеличить максимальный ток, протекающий в устройстве, можно путем увеличения энергозапаса конденсаторной батареи. Энергия, запасаемая в конденсаторной батарее, определяется выражением:
где С - емкость батареи, U - зарядное напряжение. Увеличивать зарядное напряжение батареи достаточно проблематично, так как большинство современных конденсаторов имеют техническое ограничение на зарядное напряжение порядка 30÷50 кВ. Поэтому увеличивать энергозапас конденсаторной батареи можно только за счет увеличения ее емкости. Увеличение емкости, согласно (2), неизбежно приведет к увеличению периода колебаний разрядного тока, и условие согласования по току (3) перестанет выполняться. В момент времени максимального сжатия плазмы ток разряда еще не успеет достигнуть своего максимального значения, и нейтронный выход разряда согласно (1) будет невысок.
Техническим результатом заявленного изобретения является большая стабильность работы устройств и повышение выхода нейтронного излучения.
Это достигается тем, что в межэлектродном промежутке с помощью системы импульсного напуска задается нестационарное начальное распределение рабочего газа таким образом, что концентрация рабочего газа возрастает в направлении движения токово-плазменной оболочки от места ее образования до места ее максимального сжатия, а начальное место образования токово-плазменной оболочки задается с помощью дополнительного электрода, между которым и внешним электродом зажигается предварительно однородный тлеющий разряд.
Тем самым выполняется условие согласования параметров по току. Следствием является большая стабильность работы устройств и повышение выхода нейтронного излучения.
На фиг. 1 представлена схема использования способа генерации плазменного источника проникающего излучения.
Принятые обозначения:
1 - Внешний электрод;
2 - Внутренний электрод;
3 - Изолятор;
4 - Межэлектродный промежуток;
5 - Дополнительный электрод - место зажигания тлеющего разряда;
6 - Токово-плазменная оболочка;
7 - Место сжатия плазмы - источник нейтронного излучения;
8 - Основной источник питания;
9 - Источник питания для зажигания тлеющего разряда;
10 - Система напуска газа.
Плазменный источник проникающего излучения состоит из двух цилиндрических металлических электродов - внешнего электрода 1, и расположенного внутри него соосно внутреннего электрода 2, разделенных изолятором 3. В межэлектродном промежутке 4 движется токово-плазменная оболочка 6, образованная возле дополнительного электрода 5, где происходит начальное зажигание разряда в рабочем газе. Внутренний 2 и внешний 1 электроды подключены к полюсам основного источника питания 8. Источник питания 9 для начального зажигания тлеющего разряда в газе подключен к внешнему 1 и дополнительному 5 электродам. Рабочий газ подается в межэлектродный промежуток 4 с помощью системы импульсного напуска газа 10, при котором до установления стационарного распределения обеспечивается возрастание плотности газа в направлении движения токово-плазменной оболочки от места ее образования до места ее максимального сжатия вблизи вершины внутреннего электрода. Область, из которой испускается проникающее излучение, находится в месте 7 максимального сжатия плазмы токово-плазменной оболочки 6. На фиг. 1 градиентной заливкой межэлектродного промежутка 4 от белого к темно-серому показано направление нарастания плотности рабочего газа, напускаемого системой 10.
Плазменный источник проникающего излучения работает следующим образом. В начальный момент времени через систему напуска газа 10 в межэлектродный промежуток 4 подается рабочий газ. Заранее от источника питания 9 подается предварительный высоковольтный импульс напряжения между внешним 1 и дополнительным 5 электродами. В результате между электродами 1 и 5 зажигается тлеющий разряд. (Оптимальные условия для возникновения равномерного пробоя межэлектродного промежутка 4 и образования токово-плазменной оболочки 6 для каждого рабочего газа определяется соотношением подаваемого на электроды 1 и 2 напряжения и произведения ширины межэлектродного промежутка 4 на давление рабочего газа в области пробоя). После зажигания тлеющего разряда на внешний 1 и внутренний 2 электроды подается высоковольтный импульс от основного источника питания 8. Это приводит к пробою межэлектродного промежутка 4 вблизи дополнительного электрода 5 (так как там горит тлеющий разряд) и образованию токово-плазменной оболочки 6. Под действием давления собственного магнитного поля тока, текущего через токово-плазменную оболочку 6, эта оболочка начинает ускоренное движение вдоль межэлектродного промежутка 4. На конечном этапе развития разряда токово-плазменная оболочка 6 сходится на оси устройства возле вершины внутреннего электрода 2. Под действием магнитного поля происходит сжатие и разогрев плазмы сходящейся оболочки 6, получившаяся область горячей плотной плазмы 7 становится источником различных видов проникающих излучений - рентгеновского, корпускулярного, нейтронного. Нейтронное излучение возникает в случае, если рабочим веществом разряда являются изотопы водорода -дейтерий или смесь дейтерия с тритием.
Как сказано выше, нейтронный выход такого источника зависит от силы тока, протекающего в разрядном контуре устройства в момент максимального сжатия плазмы, согласно (1). Для повышения нейтронного выхода необходимо увеличивать энерговклад в разряд (см. выше), для этого, согласно (4), необходимо увеличивать емкость конденсаторной батареи основного источника питания 8. Это будет приводить к увеличению периода колебаний тока разряда (2) и нарушит условие согласования устройства по току (3). Нарушение этого условия приведет к тому, что сила тока в момент сжатия плазмы еще не достигнет максимального значения, а, следовательно, по (1) нейтронный выход источника будет недостаточно высок. Для того чтобы условие (3) выполнялось при возросшем периоде разряда (2) необходимо, чтобы время т движения токово-плазменной оболочки 6 от места 5 начального пробоя газа до места 7 ее сжатия тоже увеличилось, т.е. необходимо «замедлять» скорость токопроводящей оболочки по мере ее движения в межэлектродном промежутке. Добиться этого можно путем организации такого распределения плотности рабочего газа в межэлектродном промежутке 4, при котором обеспечивается начальное возрастание его плотности в направлении движения токово-плазменной оболочки от места ее образования до места ее максимального сжатия вблизи вершины внутреннего электрода.
Итак, из всего вышесказанного следует, что при повышении начального энергозапаса основного источника питания 8 устройства, выполнение условия согласования (3), достигается путем создания в межэлектродном промежутке 4 с помощью системы напуска 10 нарастающего по ходу движения токово-плазменной оболочки 6 профиля концентрации рабочего газа. А стабильность начального пробоя в заранее определенном месте с оптимальными параметрами газа для формирования однородной токово-плазменной оболочки 6 осуществляется за счет размещения в этом месте дополнительного электрода 5, между которым и внешним электродом 1 предварительно зажигается тлеющий разряд. В результате этого время г движения токово-плазменной оболочки 6 до места ее сжатия 7 увеличивается и выполняется условие (3) согласования по току. Это позволяет повысить ток в разрядной цепи в момент сжатия плазмы, и согласно (1) повышается нейтронный выход. Таким образом достигается технический результат, а именно, большая стабильность работы устройства и повышение выхода нейтронного излучения.