Газоразрядная камера плазменного фокуса

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, состоящий из газоразрядной камеры, заполненной изотопами водорода и содержащей газоразрядные электроды, и источника электрического питания. Газоразрядная камера состоит из изолятора 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. Авторское свидетельство СССР №347006, МПК Н05Н 1/06, 09.02.1995.
Недостатком данного источника является небольшой ресурс работы (10-100 кумуляций Z-пинча с генерацией нейтронного и рентгеновского излучений).
Известен 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. Патент РФ на полезную модель №141449, МПК H05H 1/00, 10.06.2014.
Недостатком прототипа является малый ресурс работы газоразрядной камеры из-за высокого теплового и механического воздействия плазменной оболочки на катод в месте соединения с изолятором.
Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение ресурса работы газоразрядной камеры за счет сниженного теплового и механического воздействия плазменной оболочки на катод в месте соединения с изолятором.
Технический результат достигается тем, что газоразрядная камера плазменного фокуса, содержащая последовательно коаксиально расположенные относительно оси газоразрядной камеры внутренний электрод - анод, цилиндрический изолятор, внешний электрод - катод, при этом электроды газоразрядной камеры анод и катод выполнены в виде коаксиальных расположенных одно в другом тел вращения с криволинейной образующей, соосных оси газоразрядной камеры, анод и катод герметично закреплены с изолятором и имеют электрические контакты для соединения с источником электрического тока, промежуток между анодом и катодом заполнен изотопами водорода, на внутренней поверхности катода вблизи цилиндрического изолятора равномерно и радиально симметрично относительно оси газоразрядной камеры выполнены поперечные прорези, количество прорезей равно шести, размеры прорезей удовлетворяют следующим соотношениям: ширина прорези равна расстоянию между прорезями, глубина прорезей не менее ширины прорезей, длина прорезей не более двух размеров ширины прорези.
Схема газоразрядной камеры плазменного фокуса приведена чертеже, где: 1 - анод, 2 - катод, 3 - плазменный фокус, 4 - изолятор, 5 - конденсаторная батарея, 6 - высоковольтный коммутатор, 7 - зарядный резистор, 8 - прорези, 9 - ось газоразрядной камеры.
В таблице представлены сравнительные данные прототипа и предлагаемого устройства - расчетные значения напряженностей электрического поля вблизи изолятора и ресурс работы.
Газоразрядная камера плазменного фокуса содержит последовательно коаксиально расположенные относительно оси 9 газоразрядной камеры внутренний электрод - анод 1, цилиндрический изолятор 4, внешний электрод - катод 2. Металлические газоразрядные электроды анод 1 и катод 2 герметично закреплены с изолятором 4, при этом соблюдается следующее расположение электродов 1, 2 и изолятора 4 относительно оси 9 газоразрядной камеры в области расположения изолятора 4 также как и в прототипе: на оси 9 расположен анод 1, далее от оси 9 герметичное соединение анода 1 с внутренней поверхностью изолятора 4, далее изолятор 4, герметичное соединение изолятора 4 с катодом 2, далее от оси 9 катод 4.
п
м
п
Анод 1 и катод 2 имеют электрические контакты для соединения с источником электрического тока, и подсоединяются к источнику электрического тока, анод 1 является внутренним электродом, катод 2 является внешним электродом. Изолятор 4 имеет цилиндрическую форму и обеспечивает электрическую прочность изоляторного узла и герметичность закрепления газоразрядных электродов анода 1 и катода 2. Промежуток между анодом 1 и катодом 2 заполнен изотопами водорода (дейтерий, тритий или их смесь), электроды газоразрядной камеры имеют форму фигур вращения вокруг оси 9 камеры, на внутренней поверхности катода 2 вблизи цилиндрического изолятора 4 равномерно и радиально симметрично относительно оси 9 газоразрядной камеры выполнены поперечные прорези 8, количество прорезей 8 не менее шести, размеры прорезей 8 удовлетворяют следующим соотношениям: ширина прорези 8 d равна расстоянию между прорезями 8 d, глубина прорезей 8 h не менее ширины прорезей 8, длина прорезей не более двух размеров ширины прорези 8.
Электроды газоразрядной камеры анод 1 и катод 2 выполнены в виде коаксиальных расположенных один в другом тел вращения с криволинейной образующей и соосных оси 9 газоразрядной камеры. Электроды газоразрядной камеры анод 1 и катод 2 могут иметь любую форму фигур вращения вокруг оси 9 камеры, позволяющую обеспечивать развитие электрического разряда в газоразрядной камере, на фиг.1 для иллюстрации представлен вариант электродов сферической формы с восемнадцатью прорезями 8.
По изолятору 4 происходит электрический пробой газа, наполняющего газоразрядную камеру, и формируется плазменная оболочка, затем двигающаяся с ускорением между электродами 1, 2 до формирования плазменного фокуса 3 на оси 9 газоразрядной камеры. Прорези 8, расположенные равномерно вокруг изолятора 4, являются обострителями электрического поля и используются для формирования равномерного электрического пробоя газа по изолятору 4. Форма прорезей 8 одинаковая для всех прорезей 8. Газоразрядные электроды 1 и 2, разделенные изолятором 4, присоединяются к источнику электрического тока.
Источник электрического тока содержит конденсаторную батарею 5, высоковольтный коммутатор 6 и зарядный резистор 7. Конденсаторная батарея 5 заземленными обкладками электрически соединена с внешним газоразрядным электродом катодом 2, заряжаемые обкладки конденсаторной батареи 5 электрически соединены с зарядным резистором 7, через который осуществляется зарядка от внешнего источника напряжения («+»), и с высоковольтным коммутатором 6. Высоковольтный коммутатор 6 электрически соединен с внутренним газоразрядным электродом анодом 1, внешний газоразрядный электрод 2 заземлен. Схема подключения показана на чертеже.
Газоразрядная камера соединяется жестким цанговым соединением с источником электрического тока, цанговое соединение используется для удобства разъединения камеры от источника и для обеспечения равномерной подачи тока от источника тока на электроды 1, 2. Все элементы источника тока (конденсаторная батарея 5, высоковольтный коммутатор 6, зарядный резистор 7) жестко закреплены в едином корпусе болтовыми соединениями для обеспечения надежности электрических контактов и защиты от воздействия внешних факторов.
Устройство работает следующим образом.
После подачи импульса запуска «Пуск» и срабатывания высоковольтного коммутатора 6, предварительно заряженная через зарядный резистор 7 конденсаторная батарея 5 разряжается на электроды 1, 2 газоразрядной камеры, состоящей из двух коаксиально расположенных металлических газоразрядных электродов 1 и 2, разделенных изолятором 4. В газоразрядной камере по изолятору 4 происходит формирование электрического разряда в виде плазменной оболочки. Под действием электродинамической силы плазменная оболочка открывается от изолятора 4 и движется с ускорением между газоразрядными электродами 1 и 2. Затем, плазменная оболочка сжимается на оси 9 газоразрядной камеры и формируется разряд типа плазменный фокус 3, который является источником нейтронного и рентгеновского излучений.
Стабильность процессов формирования плазменной оболочки при пробое по изолятору 4 являются определяющей для формирования однородной плазменной оболочки. Однородность плазменной оболочки обеспечивает стабильное формирование плазменного фокуса 3 и получение максимального выхода нейтронного и рентгеновского излучений. Однородность плазменной оболочки связана со скоростью развития пробоя по изолятору 4 в газоразрядной камере, то есть с пространственным распределением первичных свободных электронов и напряженностью электрического поля у изолятора 4. Целесообразно обеспечивать наибольшее значение напряженности электрического поля у изолятора 4.
4
5
Обычно увеличение напряженности электрического поля обеспечивается применением специальной конструкции электродов 1 и 2 вблизи цилиндрического изолятора 4 (острые кромки, проточки треугольного сечения и т.п.). В случае применения острых кромок, проточек и т.п. усилители (обострители) электрического поля располагаются поперек движения плазменной оболочки и подвергаются температурному и механическому воздействию плазмы плазменной оболочки. На этапе отрыва плазменной оболочки от цилиндрического изолятора 4, разрядный ток, сформированный в результате разряда конденсаторной батареи 5, протекает по тонкому слою (скин-слой) на поверхности электродов 1 и 2. Значение разрядного тока на этом этапе составляет от десятков до нескольких сотен килоампер. Это обеспечивает температуру плазменной оболочки на уровне 1÷10 эВ (1,16⋅10÷1,16⋅10 К). В газоразрядной камере после прохождения оболочки и ее взаимодействия с внутренней поверхностью электродов 1 и 2, наблюдаются следы подплавления электродов 1 и 2. Поэтому при каждом формировании плазменной оболочки происходит механическое и тепловое воздействие на обострители напряженности электрического поля, находящиеся на пути движения плазменной оболочки на электродах 1 и 2 (как правило, внешний электрод 2 является катодом и усилители поля располагаются на этом электроде). При их деформации распределение напряженности электрического поляискажается, что приводит к ухудшению условий формирования плазменной оболочки. Поэтому ресурс работы газоразрядной камеры (количество рабочих включений) снижается.
п
м
п
м
п
п
п
п.
п
п
п
В предлагаемой конструкции напряженность электрического поля увеличивается за счет снятия части материала (внесение прорезей 8 в конструкцию) газоразрядного электрода - катода 2. При выполнении прорезей 8 образовавшиеся поперечные грани приводят к локальному усилению электрического поля, при расположении прорезей 8 равномерно вокруг изолятора 4, электрическое поле усилится со всех сторон, что приведет к оптимальной работе устройства. В данном случае усиление (обострение) электрического поля обеспечивается без размещения на пути плазменной оболочки дополнительных элементов, движение плазменной оболочки происходит по поверхности электрода 2 над прорезями 8, что приводит к отсутствию или к существенному уменьшению деформации геометрии прорезей 8 в процессе работы, и, следовательно, к увеличению ресурса работы устройства. Поскольку усиление (обострение) электрического поля происходит на поперечных гранях прорезей 8, равномерность усиления электрического поля со всех сторон изолятора 4 обеспечивается одинаковым расстоянием между всеми поперечными гранями прорезей 8, что выполняется при равенстве ширины прорези d и расстояния между прорезями d, то есть d=d. Глубина прорези h выбирается исходя из толщины газоразрядного электрода 2 и должна быть не меньше ширины прорези d для получения максимального обострения электрического поля, то есть: h ≥ d Количество прорезей 8 определяется диаметром используемого цилиндрического изолятора 4 и рабочим током источника электрического тока. С увеличением тока и с увеличением диаметра цилиндрического изолятора 4 количество прорезей 8 увеличивается. С целью обеспечения равномерности усиления электрического поля со всех сторон изолятора 4 и с учетом волокнистой структуры плазменной оболочки количество прорезей 8 должно быть не менее шести. Длина прорезей 8 l определяется формой катода и не более двух размеров ширины прорези 8: l ≤ 2d.
7
п
м
п
п
Для сравнения эффективности работы типовых конструкций прототипа и полезной модели рассмотрены два вариантов конструкции газоразрядной камеры: плазменных источников проникающего излучения с разрядной камерой с обострителем электрического поля в виде проточки треугольного сечения (прототип) и с газоразрядной камерой с обострителем электрического поля в виде шести и восемнадцати прорезей 8. Результаты сравнения представлены в Таблице. Расчетное значения напряженности электрического поля вблизи изолятора на катоде в рассматриваемых случаях составляет ≈3,7×10 В/м при значения зарядного напряжения конденсаторной батареи 20 кВ источника тока. При использовании проточки треугольного сечения увеличение эффективности работы газоразрядной камеры сопровождалось уменьшением ресурса работы источника из-за механического и теплового воздействия плазменной оболочки на обостритель и его разрушения. Экспериментальные значения ресурса работы газоразрядной камеры в прототипе составляют от 100 до 180 включений. В случае использования обострителя электрического поля в виде поперечных прорезей 8, расположенных на газоразрядном электроде 2 равномерно вокруг цилиндрического изолятора 4, в оптимальных условиях (d=d и h ≥ d) наблюдалась эффективность работы плазменного источника, аналогичная случаю использования острой кромки, но ввиду отсутствия непосредственного контакта обострителя с плазменной оболочкой разрушение обострителя не наблюдалось, в результате чего ресурс работы (количество рабочих включений) газоразрядной камеры плазменного фокуса увеличен и составлял от 200 до 500 включений.
Таким образом, в полезной модели достигается заявленный технический результат, а именно увеличение ресурса работы газоразрядной камеры из-за сниженного теплового и механического воздействия плазменной оболочки на катод в месте соединения с изолятором.
Газоразрядная камера плазменного фокуса
Напряженность электрического поля в области обострителя (зарядное напряжение 20 кВ), В/м
Ресурс (количество рабочих включений)
Плазменный источник проникающего излучения с газоразрядной камерой с обострителем электрического поля в виде проточки треугольного сечения (прототип)
3,7×10<sup>7</sup>
(100÷180)
Газоразрядная камера плазменного фокуса с обострителем электрического поля в виде шести прорезей
3,7×10<sup>7</sup>
(200÷500)
Газоразрядная камера плазменного фокуса с обострителем электрического поля в виде восемнадцати прорезей
3,6×10<sup>7</sup>
(200÷500)