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 использована для проведения ядерно-физических исследований, изучения радиационной стойкости, например, электронной аппаратуры, калибровки детекторов ионизирующих излучений.
Известен плазменный источник проникающего излучения «передвижная конденсаторная установка КПУ-200» (Приборы и техника эксперимента, 2014, №2, с. 43-47, Физика плазмы, 2003, том 39, №3, с. 276-280), состоящий из конденсаторной установки, высоковольтных коммутаторов и газоразрядной камеры, в которой формируется разряд типа плазменный фокус.Газоразрядная камера источника состоит из катода-корпуса, анода, изолятора, анодного ввода и клапанов для откачки и наполнения камеры газом. Изоляторный узел камеры состоит из двух частей, из разных изоляционных материалов. Внутренний изолятор выполнен из полиэтилена, а внешний, соприкасающийся с плазмой, из керамики АЬОз ВК-94.
Недостатком данной газоразрядной камеры является недостаточная напряженность электрического поля вблизи керамического изолятора, вследствие чего условия формирования плазменной оболочки не оптимальны.
В качестве прототипа по наибольшему количеству совпадающих конструктивных признаком принят плазменный источник проникающего излучения (см. патент РФ на полезную модель №141449, кл. Н05Н 1/00, 2014 г.), содержащий газоразрядную камеру, заполненную изотопами водорода и содержащую газоразрядные электроды, герметично закрепленные в изоляторе, и источник электрического тока, подсоединенный к электродам газоразрядной камеры, отличающийся тем, что 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. Наличие проточки позволяет увеличить напряженность электрического поля вблизи изолятора, что приводит к формированию однородной симметричной оболочки и к повышению выхода нейтронов за импульс при срабатывании плазмофокусной установки.
Недостатком прототипа является малый ресурс работы газоразрядной камеры (малое количество рабочих включений), следовательно, малый ресурс работы и всего плазменного источника проникающего излучения, за счет теплового и механического воздействия плазменной оболочки на проточку треугольного сечения.
Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение ресурса работы газоразрядной камеры (увеличение количества рабочих включений), следовательно, увеличение ресурса работы и всего плазменного источника проникающего излучения. Это происходит за счет равномерного увеличения электрического поля вдоль периметра изолятора без механического и теплового воздействия на элементы конструкции, усиливающие (обостряющие) электрическое поле.
2
1
Технический результат достигается тем, что плазменный источник проникающего излучения, содержащий газоразрядную камеру, заполненную изотопами водорода и содержащую газоразрядные электроды, герметично закрепленные в изоляторном узле и источник электрического тока, подсоединенный к электродам газоразрядной камеры, изоляторный узел состоит из цилиндрического внутреннего изолятора с толщиной боковой стенки hi, цилиндрического проводящего слоя с толщиной боковой стенки и цилиндрического внешнего изолятора с толщиной боковой стенки h, при этом газоразрядные электроды, изоляторы и проводящий слой расположены коаксиально, в следующем порядке от оси газоразрядной камеры: внутренний газоразрядный электрод, цилиндрический внутренний изолятор, цилиндрический проводящий слой, цилиндрический внешний изолятор, внешний газоразрядный электрод; при этом внутренний газоразрядный электрод имеет длину D, изоляторы и проводящий слой заглублены во внутренний газоразрядный электрод на глубину 0≤d,≤D, толщины боковых стенок изоляторов и проводящего слоя удовлетворяют следующему неравенству: h<h<h, проводящий слой имеет электрический контакт с внутренним газоразрядным электродом.
Схема плазменного источника проникающего излучения приведена на Фиг. 1, принятые обозначения:
1 - внешний газоразрядный электрод, 2 - внутренний газоразрядный электрод, 3 - плазменный фокус, 4 - цилиндрический внешний
изолятор, 5 - цилиндрический внутренний изолятор, 6 - цилиндрический проводящий слой, 7 - конденсаторная батарея, 8 - высоковольтный коммутатор, 9 - плазменная оболочка, 10 - ось газоразрядной камеры, 11 -поверхность внешнего изолятора, вдоль которой формируется плазменная оболочка.
В таблице 1 приведены сводные экспериментальные и расчетные данные по использованию обострителей электрического поля разного типа в газоразрядных камерах с аналогичной чертежу конструкцией.
Плазменный источник проникающего излучения содержит газоразрядную камеру, состоящую из двух коаксиально расположенных металлических газоразрядных электродов 1 и 2. Электроды 1, 2 разделены изоляторным узлом, состоящим из цилиндрического внешнего изолятора 4, цилиндрического внутреннего изолятора 5 и цилиндрического проводящего слоя 6. Цилиндрический внешний изолятор 4 обеспечивает электрическую прочность изоляторного узла и герметичность закрепления газоразрядных электродов 1 и 2, цилиндрический внутренний изолятор 5 обеспечивает механическую прочность конструкции изоляторного узла. Вдоль поверхности 11 цилиндрического внешнего изолятора 4 происходит электрический пробой газа наполняющего газоразрядную камеру и формируется плазменная оболочка 9, затем двигающаяся с ускорением между электродами 1, 2 до формирования плазменного фокуса 3 на оси 10 газоразрядной камеры. Цилиндрический проводящий слой 6 расположен между цилиндрическим внутренним 5 и цилиндрическим внешним 4 изоляторами и имеет электрический контакт с внутренним электродом 2. Цилиндрический проводящий слой 6 предназначен для равномерного увеличения напряженности электрического поля вблизи поверхности 11 цилиндрического внешнего изолятора 4. Газоразрядные электроды 1 и 2, разделенные изоляторным узлом, присоединяются к источнику электрического тока, который может быть выполнен в виде соединенных электрически конденсаторной батареи 7 и высоковольтного коммутатора 8, конденсаторная батарея 7 электрически соединена с газоразрядным электродом 1, высоковольтный коммутатор 8 электрически соединен с газоразрядным электродом 2, как показано на чертеже, но также источник электрического тока может быть выполнен и в другом виде. Объем газоразрядной камеры заполнен изотопами водорода (дейтерием, смесью дейтерия и трития или тритием).
Устройство работает следующим образом:
После срабатывания коммутатора 8, предварительно заряженная конденсаторная батарея 7 разряжается на газоразрядную камеру. В газоразрядной камере вдоль поверхности 11 цилиндрического внешнего изолятора 4 происходит формирование плазменной оболочки 9. Под действием электродинамической силы плазменная оболочка 9 открывается от поверхности 11 цилиндрического внешнего изолятора 4 и движется с ускорением между газоразрядными электродами 1 и 2. Затем плазменная оболочка 9 сжимается на оси 10 газоразрядной камеры и формируется разряд типа плазменный фокус 3, который является источником нейтронного и рентгеновского излучений.
Процессы формирования плазменной оболочки 9 при пробое вдоль поверхности 11 цилиндрического внешнего изолятора 4 являются определяющими для формирования однородной плазменной оболочки 9, которая затем ускоряется вдоль электродов 1 и 2. Однородность плазменной оболочки 9 обеспечивает получение максимального выхода нейтронного и рентгеновского излучений. Однородность плазменной оболочки 9 связана со скоростью развития пробоя вдоль поверхности 11 цилиндрического внешнего изолятора 4 в газоразрядной камере, то есть пространственным распределением первичных свободных электронов и напряженностью электрического поля Е вблизи поверхности 11 цилиндрического внешнего изолятора 4. Целесообразно обеспечивать наибольшее значение напряженности Е.
4
5
Обычно увеличение напряженности Е обеспечивается применением специальной конструкции электродов 1 и 2 вблизи цилиндрического внешнего изолятора 4 (острые кромки, проточки треугольного сечения и т.п.). В случае применения острых кромок, проточек и т.п.данные конструктивные решениями подвергаются воздействию плазменной оболочки 9. На этапе отрыва плазменной оболочки 9 от цилиндрического внешнего изолятора 4, разрядный ток, сформированный в результате разряда конденсаторной батареи 7, протекает по тонкому слою (скин-слой) на поверхности электродов 1 и 2. Значение разрядного тока на этом этапе составляет от десятков до нескольких сотен кА. Это обеспечивает температуру плазменной оболочки 9 на уровне 1÷10 эВ (1,1610÷1,1610К). В газоразрядной камере после прохождения оболочки 9 наблюдаются следы ее взаимодействия с внутренней поверхностью электродов 1 и 2, наблюдаются следы филаментов оболочки 9 (локализации пространственного распределения разрядного тока в оболочке 9 относительно оси 10 газоразрядной камеры в виде токовых нитей - филаментов), видны участки подплавления электродов 1 и 2. Поэтому при каждом формировании плазменной оболочки 9 происходит механическое и тепловое воздействие на обострители напряженности электрического поля, расположенные на электродах 1 и 2 (как правило, внешний электрод 1 является катодом и усилители поля располагаются на этом электроде). При их деформации распределение напряженности Е искажается, что приводит к ухудшению условий формирования плазменной оболочки 9. Поэтому ресурс работы газоразрядной камеры (количество рабочих включений) снижается.
В предлагаемой конструкции напряженность электрического поля увеличивается за счет замены изолятора на составной изоляторный узел, состоящий из цилиндрического внешнего изолятора 4, цилиндрического внутреннего изолятора 5 и цилиндрического проводящего слоя 6. Напряженность электрического поля Е вблизи поверхности 11 определяется общей толщиной изоляционного материала до ближайшей проводящей поверхности (в данном случае цилиндрический проводящий слой 6 газоразрядной камеры). Напряженность электрического поля Е можно записать в виде:
0
где ε - диэлектрическая проницаемость вакуума, ε - диэлектрическая проницаемость среды (изолятора 4), U - напряжение заряда конденсаторной батареи, Н - толщина изоляционного материала. В предлагаемой конструкции значение Н определяется только толщиной h боковой стенки цилиндрического внешнего изолятора 4, поскольку механическим нагрузкам подвергается цилиндрический внутренний изолятор 5, а между изоляторами 4 и 5 расположен цилиндрический проводящий слой 6, имеющий электрический контакт с внутренним электродом 2. Поэтому толщина h боковой стенки цилиндрического внешнего изолятора 4 может быть минимизирована и ограничена только электропрочностью цилиндрического внешнего изолятора 4. Толщина боковой стенки цилиндрического проводящего слоя 6 П2 меньше h, поскольку механическую нагрузку обеспечивает цилиндрический внутренний изолятор hi. Данная конструкция приводит к увеличению напряженность электрического поля Е вблизи поверхности 11 цилиндрического внешнего изолятора 4, при этом, поскольку цилиндрический проводящий слой 6 не контактирует с плазменной оболочкой 9, в процессе работы не происходит его деформации, за счет чего увеличивается ресурс работы газоразрядной камеры. Изоляторный узел (цилиндрический внешний изолятор 4, цилиндрический внутренний изолятор
5 и цилиндрический проводящий слой 6) может быть заглублен во внутренний электрод 2 на любую глубину 0≤d≤D (определяется как минимальное расстояние от точки соприкосновения внутреннего электрода с внешним изолятором во внутреннем объеме газоразрядной камеры до верхней поверхности внутреннего электрода) для улучшения механических свойств конструкции и обеспечения ее соосности.
7
7
Для сравнения, проточка треугольного сечения использованная в прототипе (характерный диаметр изолятора 18 мм) при характерном значении зарядного напряжения 20 кВ обеспечивает напряженность электрического поля Е=3,7⋅10 В/м. Использование составного изоляторного узла с проводящим слоем, согласно проведенным расчетам, обеспечивает напряженность Е=4,0⋅10 В/м. При этом проводящий слой 6, не подвергается механическим и тепловым воздействиям, поскольку плазменная оболочка 9 с ним не контактирует.
Сравнение эффективности работы рассмотренных выше конструкций в относительных единицах приведено в таблице. При рассмотрении трех вариантов конструкции плазменных источников проникающего излучения: с газоразрядной камерой без обострителя электрического поля, с газоразрядной камерой с обострителем электрического поля в виде острой кромки и с газоразрядной камерой с обострителем электрического поля в виде цилиндрического проводящего слоя 6 между изоляторами 4 и 5, наблюдалось увеличение эффективности работы плазменного источника при использовании газоразрядной камеры с различными обострителями электрического поля. При использовании острой кромки увеличение эффективности сопровождалось уменьшением ресурса работы источника из-за механического и теплового воздействия плазменной оболочки 9 на острую кромку и ее разрушения. В случае использования обострителя электрического поля в виде цилиндрического проводящего слоя 6 между изоляторами 4 и 5 наблюдалась эффективность работы плазменного источника, аналогичная случаю использования острой кромки, но ввиду отсутствия непосредственного контакта обострителя с плазменной оболочкой 9 разрушение обострителя не наблюдалось, в результате чего ресурс работы (количество рабочих включений) плазменного источника увеличивался, таким образом, данные, приведенные в таблице подтверждают заявленный технический результат.
2
3
1
2
В качестве возможного варианта изоляторного узла газоразрядной камеры можно использовать цилиндрический внешний изолятор 4, изготовленный из керамики (АlО), с толщиной боковой стенки h, цилиндрический внутренний изолятор 5, изготовленный из капролона (ПА 6), с толщиной боковой стенки h>h, и цилиндрический проводящий слой 6 с толщиной боковой стенки h<h, например в виде медной фольги 300 мкм, проложенной между изоляторами 4 и 5.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно увеличение ресурса работы газоразрядной камеры (увеличение количества рабочих включений), следовательно, и увеличение ресурса работы всего плазменного источника проникающего излучения
Плазменный источник проникающего излучения