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 и т.п.
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 металлических электродов в виде коаксиально расположенных один в другом тел вращения с криволинейной образующей, ввод внутреннего электрода имеет диаметр, меньший диаметра рабочей части 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 электроды, и источника электрического тока, электроды газоразрядной камеры герметично закреплены в изоляторе, в состав газоразрядной камеры введен генератор газа, герметично установленный в отверстии катода 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 и изолятора.
Недостатком прототипа является то, что генерация нейтронного излучения происходит с большим разбросом значений выхода нейтронов N.
ср
ch
Для оценки разброса на практике обычно используется понятие относительного среднеквадратичного отклонения (ОСКО) выхода нейтронов, выраженного в процентах: ОСКО=СКО/N·100%, где N и среднеквадратичное отклонение (СКО) рассчитываются по формулам:
,
,
i
ср
где N - выход нейтронов при i-том включении, N - средний выход нейтронов, m - количество включений. Для прототипа ОСКО выхода нейтронов принимает значения от 40% до 70%.
Техническим результатом предлагаемого устройства является то, что генерация нейтронного излучения происходит с меньшим разбросом значений выхода нейтронов N.
Технический результат достигается тем, что плазменный источник проникающего излучения, состоящий из генератора импульсного тока и газоразрядной камеры, содержащей коаксиально расположенные два газоразрядных электрода и изолятор, электроды герметично закреплены в изоляторе, в состав газоразрядной камеры введен генератор газа, герметично установленный в отверстии катода газоразрядной камеры, рабочий элемент генератора газа насыщен изотопами водорода, генератор газа соединен через ключ с источником электрического тока, электроды разрядной камеры соединены с генератором импульсного тока, в газоразрядную камеру введена примесь тяжелого инертного газа с давлением, составляющим в процентном соотношении от 3% до 10% от давления изотопов водорода, выделяющихся в объем газоразрядной камеры из рабочего элемента генератора газа во включенном состоянии.
В качестве примеси тяжелого инертного газа используется, например, аргон Ar либо криптон Kr с давлением в процентном соотношении от 3% до 10% от давления изотопов водорода, выделяемых в камеру при включенном генераторе газа, входящего в состав камеры. ОСКО выхода нейтронов полезной модели составляет от 10% до 30%.
Схема плазменного источника проникающего излучения приведена на чертеже, принятые обозначения:
1 - анод, 2 - катод, 3 - генератор газа, 4 -изолятор, 5 - молекулы тяжелого инертного газа, 6 - конденсаторная батарея, 7 - высоковольтный коммутатор, 8 - высоковольтный источник напряжения, 9 - резистор задания потенциала анода, 10 - источник электрического тока, 11 - ключ, 12 - плазменный фокус.
В качестве примера приведена конструкция разрядной камеры со сферической формой газоразрядных электродов - анода 1 и катода 2, однако их формы могут отличаться от сферической.
Плазменный источник проникающего излучения содержит газоразрядную камеру, состоящую из двух коаксиально расположенных газоразрядных электродов: внутренний электрод является анодом 1, а внешний электрод - катодом 2. Анод 1 и катод 2 герметично соединены с изолятором 4. Изолятор 4 может быть выполнен, например, в виде цилиндра или может иметь грибообразную форму. В объеме камеры находится тяжелый инертный газ 5 в количестве от 3% до 10% от рабочего давления (от 12 до 20 мм рт. ст.) изотопов водорода. Генератор газа 3 содержит дейтерий или смесь дейтерия с тритием в связанном состоянии. Разрядная камера соединена с генератором импульсного тока, состоящим из конденсаторной батареи 6, высоковольтного коммутатора 7, высоковольтного источника напряжения 8, резистора 9 задания потенциала на аноде 1; источник электрического тока 10 через ключ 11 соединен с нагревательным элементом генератора газа 3.
Первый выход конденсаторной батареи 6 соединен с катодом 2 газоразрядной камеры и заземлен, второй выход конденсаторной батареи 6 соединен с высоковольтным источником 8 напряжения, а также соединен через высоковольтный коммутатор 7 с анодом 1 газоразрядной камеры, одни конец резистора 9 задания потенциала анода соединен с анодом 1 и высоковольтным коммутатором 7, а второй конец резистора 9 соединен с катодом 2, первым выходом конденсаторной батареи 6 и заземлен.
Устройство работает следующим образом:
В нерабочем состоянии плазменного источника проникающего излучения изотопы водорода содержатся в генераторе 3 газа. Рабочий элемент генератора 3 газа представляет собой, например, мелкодисперсный порошок титана, насыщенный тяжелыми изотопами водорода, спрессованный в виде тонкостенного цилиндра. Внутри цилиндра располагается нагревательный элемент. В объеме камеры находится тяжелый инертный газ 5. Титан не поглощает инертный газ, поэтому он находится в объеме камеры постоянно. Перед работой включают нагреватель генератора 3 газа путем замыкания ключа 11 и подачи питания с источника 10 электрического тока, происходит выделение изотопов водорода (дейтерий или смесь дейтерия с тритием) из рабочего элемента генератора 3 газа в объем газоразрядной камеры до давления от 12 до 20 мм рт. ст.
Используя высоковольтный источник напряжения 8, производится зарядка конденсаторной батареи 6. При срабатывании высоковольтного коммутатора 7 заряженная конденсаторная батарея 6 разряжается на разрядную камеру. Резистор 9 задает потенциал анода 1, катод 2 заземлен. Вблизи изолятора 4 происходит пробой газа с образованием цилиндрической плазменной оболочки. Под действием электродинамических сил плазменная оболочка отходит от изолятора 4 и движется с ускорением но межэлектродному зазору к области фокусировки на оси разрядной камеры вблизи поверхности анода 1. Формирующийся плазменный фокус 12 является источником нейтронов и рентгеновского излучения.
Добавки тяжелых инертных газов 5 (Ar, Kr), давлением в процентном соотношении от 3% до 10% от давления изотопов водорода, улучшают процесс ионизации, способствуют формированию однородной плазменной оболочки, повышают эффективность сгребания газа в фазе осевого движения оболочки. При использовании добавок тяжелых инертных газов 5 наблюдается уменьшение разброса значений выхода нейтронов газоразрядной камеры, ОСКО нейтронного выхода принимает значения от 10% до 30%.
При добавлении легких инертных газов (гелий He, неон Ne) уменьшения разброса выходов не наблюдается. В таблице приведены экспериментальные значения ОСКО выхода нейтронов разрядной камеры при различном количестве примесей инертных газов (гелия, неона, аргона и криптона) при зарядном напряжении конденсаторной батареи 22 кВ и токе, протекающем через разрядную камеру 330 кА. Как следует из данных таблицы, при введении Ar, Kr в процентном соотношении от 3% до 10% от давления изотопов водорода ОСКО выхода нейтронов уменьшается до значений от 10% до 30%, при введении He и Ne такой эффект не наблюдается.