Газоразрядная камера плазменного фокуса

Полезная модель относится к плазменной технике, к устройствам для генерации нейтронов, в частности к генераторам разовых импульсов нейтронного и устройствам с плазменным фокусом, 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).
В качестве прототипа по наибольшему количеству совпадающих конструктивных признаков принят плазменный источник проникающего излучения, состоящий из газоразрядной камеры, заполненной изотопами водорода и содержащей газоразрядные электроды, и источника электрического тока, отличающийся тем, что электроды газоразрядной камеры герметично закреплены в изоляторе, в состав газоразрядной камеры введен генератор газа, герметично установленный в отверстии корпуса 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 изолятора. Патент РФ №2342810, МПК Н05Н 1/00, 27.12.2008.
Недостатком прототипа является то, что генерация нейтронов сопровождается большим потоком квантов жесткого рентгеновского излучения.
Это вызывает сложности при регистрации нейтронного импульса, т.к. при использовании для регистрации нейтронных импульсов сцинтилляционные детекторы регистрируют так же импульс рентгеновского излучения.
Техническим результатом предлагаемого устройства является то, что генерация нейтронов сопровождается уменьшенным потоком квантов жесткого рентгеновского излучения.
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 один 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, в верхней части анода газоразрядной камеры (со стороны области формирования плазменного фокуса) имеется цилиндрическая полость, соосная оси газоразрядной камеры, к внутренним стенкам анода прикреплен экран, имеющий форму цилиндра с несквозным отверстием и изготовленный из металла с атомным номером ядра Z от 74 до 82, толщина стенок экрана от 1 до 4 мм, на нижнем торце экрана с внутренней стороны установлена мишень, изготовленная из твердого материала, состоящего из элементов с атомным номером ядра Z от 4 до 14 или их соединениями между собой, имеющая форму диска, расположенного перпендикулярно оси газоразрядной камеры, толщиной от 1 до 4 мм и диаметром, равном диаметру несквозного отверстия экрана, мишень и экран соосны оси газоразрядной камеры.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
1 - анод, 2 - катод, 3 - плазменный фокус, 4 - изолятор, 5 - конденсаторная батарея, 6 - высоковольтный коммутатор, 7 - зарядный резистор, 8 - мишень, 9 - экран, 10 - электронный пучок.
Схема газоразрядной камеры плазменного фокуса приведена на фиг.1.
На фиг.2 представлен спектр рентгеновского излучения (зависимость количества квантов в данном интервале энергий от энергии рентгеновских квантов) после прохождения через различные поглощающие материалы.
Типичные осциллограммы сигналов, полученных с сцинтилляционного детектора, представлены на фиг.3 и фиг.4.
На фиг.3. представлена осциллограмма, на которой регистрируются импульсы нейтронного и рентгеновского излучения, полученные при работе плазменного источника - прототипа.
На фиг.4 - осциллограмма сигнала, регистрируемого при работе рассматриваемой газоразрядной камеры плазменного фокуса.
Газоразрядная камера плазменного фокуса (фиг.1) содержит последовательно коаксиально расположенные относительно оси 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 газоразрядной камеры в области расположения изолятора 4: на оси расположен анод 1, далее от оси герметичное соединение анода 1 с внутренней поверхностью изолятора 4, далее изолятор 4, герметичное соединение изолятора 4 с катодом 2, далее от оси катод 2.
Анод 1 и катод 2 имеют электрические контакты для соединения с источником электрического тока, состоящего из последовательно соединенных конденсаторной батареи 5 и высоковольтного коммутатора 6, зарядный резистор 7 подсоединен к незаземленным обкладкам конденсаторной батареи 6, анод 1 является внутренним электродом, катод 2 является внешним электродом, промежуток между анодом 1 и катодом 2 заполнен изотопами водорода (дейтерием, смесью дейтерия и трития или тритием).
2
3,
2
2
3
В верхней части анода 1 газоразрядной камеры (со стороны места формирования плазменного фокуса 3) имеется цилиндрическая полость. Полость соосна оси газоразрядной камеры, к внутренним стенкам анода 1 прикреплен экран 9, имеющий форму цилиндра с несквозным отверстием и изготовленный из металла с атомным номером ядра Z от 74 до 82, например W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl, Pb, толщина стенок экрана 9 от 1 до 4 мм. На нижнем торце экрана 9 с внутренней стороны установлена мишень 8, изготовленная из твердого материала, состоящего из элементов с атомным номером ядра Z от 4 до 14 или их соединений между собой. Например, в качестве материала мишени 8 могут быть использованы Be, AlO SiO, BO, BeO, Al. Мишень 8 имеет форму диска, расположенного перпендикулярно оси газоразрядной камеры, толщиной от 1 до 4 мм и диаметром, равном диаметру несквозного отверстия экрана 9. Экран 9 закреплен в полости анода 1. Экран 9 и мишень 8 соосны оси газоразрядной камере. В газоразрядной камере формируются плазменный фокус 3 и электронный пучок 10.
Электроды газоразрядной камеры анод 1 и катод 2 выполнены в виде коаксиально расположенных одно в другом тел вращения с криволинейной образующей и соосных оси газоразрядной камере; анод 1 и катод 2 имеют электрические контакты для соединения с источником электрического тока. Электроды газоразрядной камеры анод 1 и катод 2 могут иметь любую форму фигур вращения вокруг оси камеры, позволяющую обеспечивать развитие электрического разряда в газоразрядной камере; на фиг. 1 для иллюстрации представлен вариант электродов сферической формы.
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 фиг. 1.
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 срабатывании высоковольтного коммутатора 6 заряженные через зарядный резистор 7 конденсаторы конденсаторной батареи 5 разряжаются на газоразрядную камеру, в которой формируется электрический разряд типа плазменный фокус 3.
19
-3
Более детальное описание процессов в газоразрядной камере плазменного фокуса. После срабатывания коммутатора 6 вследствие приложения напряжения к электродам 1, 2 газоразрядной камеры вблизи изолятора 4 происходит разряд с образованием цилиндрической плазменной оболочки. Под действием электродинамических сил плазменная оболочка отходит от изолятора 4 и движется с ускорением по межэлектродному зазору между катодом 2 и анодом 1 к области фокусировки (плазменный фокус 3), которая находится на оси газоразрядной камеры вблизи поверхности анода 1. Формируется плазменный фокус 3 со сжатой плазмой, плотность которой достигает ~ 10 см. Из плазменного фокуса 3 начинается эмиссия электронов, которые формируют электронный пучок 10, и эмиссия ионов, формирующих ионный пучок. Электронный пучок 10, взаимодействуя с материалом анода 1 и мишени 8, генерирует импульс рентгеновского излучения длительностью 5-10 нс. Ионный пучок, взаимодействуя с плотной плазмой плазменного фокуса 3, вызывает генерацию нейтронов.
Энергия рентгеновских квантов, образованных в газоразрядной камере, лежит в диапазоне 1,5 кэВ<hν<400 кэВ. Спектр рентгеновского излучения слабо зависит от элементного состава плазмы и связан с энергией электронов, инжектированных из плазменного фокуса 3, и материала анода 1, в поверхность которого попадает электронный пучок 10. При замене дейтерия на дейтерий-тритиевую смесь нейтронный выход возрастает ~ 100 раз из-за разницы сечений D-D и D-T реакций, а величина рентгеновского импульса при этом остается неизменной.
При взаимодействии электронного пучка 10 с поверхностью мишени 8 электроны, попадающие в вещество мишени 8, испытывают ускорение при взаимодействии с электрическим полем электронов атома или полем ядер и теряют свою энергию на ионизацию вещества и на электромагнитное радиационное излучение. Это электромагнитное радиационное излучение называется тормозным или рентгеновским, а потери энергии - радиационными. Величина излучаемой энергии пропорционально квадрату ускорения частицы. Так как ускорение обратно пропорционально массе частицы, то потери энергии на тормозное излучение существенны лишь для электронов. Радиационные потери для тонкой мишени 8 пропорциональны квадрату заряда ядер вещества Z (формула Бете-Блоха) и увеличиваются с ростом энергии почти линейно. Для толстой мишени 8 (толщина от 1 до 4 мм) в результате торможения электронов интенсивность рентгеновского излучения пропорциональна заряду ядра Z. Поэтому для уменьшения генерации рентгеновского излучения при изготовлении мишени 8 выбирается материал из вещества с небольшим атомным номером ядра Z, что позволяет ослабить исходную интенсивность рентгеновского излучения практически на порядок.
Поглощение генерированного в мишени 8 рентгеновского излучения происходит цилиндрическим экраном 9. Экран 9, изготовленный из материала толщиной x с большим атомным номером Z, например из вольфрама или тантала, поглощает рентгеновское излучение всех энергий по закону
I(x)=I0⋅exp(-μ(E)⋅x),
где μ(E) - полный массовый коэффициент ослабления данным материалом гамма квантов энергии Е, I0 - количество рентгеновских квантов, попадающих на поверхность материала, I - количество квантов после прохождения материала толщиной х. Так, при использовании бериллия с зарядом ядра Z=4 при энергии рентгеновских квантов 150 кэВ массовый коэффициент ослабления μ(E)=0,0215, а для тантала с Z=74 для той же энергии рентгеновских квантов μ(E)=0,948. Это означает, что для одинакового поглощения рентгена с энергией квантов 150 кэВ достаточно иметь толщину тантала в 44 раза меньше толщины бериллия. Для наиболее эффективного поглощения квантов экраном 9 его толщина x может принимать значения от 1 мм и ограничена геометрическими размерами анода 1 газоразрядной камеры.
Как видно из приведенного на фиг. 2 графика, достаточно толщины экрана 1 мм тантала или свинца для практически полного поглощения рентгена с энергией рентгеновских квантов вплоть до 150 кэВ.
Be
Tl
Tl
Be
При регистрации формы нейтронного импульса нейтронов с энергией 2,5 МэВ (D-D реакция) возникают сложности из-за относительно большой величины импульса жесткого рентгеновского излучения. В случае применения мишени 8 из материала, состоящего из элементов с небольшим атомным номером ядра Z, происходит уменьшение количества излучаемых квантов. Так, при применении мишени 8 из бериллия (Z=4) происходит уменьшение количество энергии на радиационные потери по сравнению с танталом (обычно используемым материалом в качестве рентгеновской мишени, Z=74) в отношении Z/Z=74/4=18,5 раз. Экран 9 из материала с большим атомным номером Z, например из тантала, поглощает излученные мишенью 8 рентгеновские кванты. Так, для диапазона энергий квантов 1,5 кэВ<hν<200 кэВ происходит уменьшение количества излучаемых камерой рентгеновских квантов более чем в 100 раз.
Таким образом, использование мишени 8 из легкого материала с малым Z уменьшает в десятки раз количество генерируемого рентгеновского излучения, а наличие экрана 9 из материала с большим атомным номером Z дополнительно ослабляет генерируемое в мишени 8 рентгеновское излучение, общее ослабление рентгеновского излучения составляет примерно 100-200 раз.
На фиг. 3 представлена типичная осциллограмма, на которой регистрируются импульсы нейтронного и рентгеновского излучения, полученные при работе плазменного источника - прототипа. На данной осциллограмме показано, что при регистрации импульса нейтронов также регистрируется импульс рентгеновского излучения, при этом оба импульса сливаются в один, что затрудняет дальнейший анализ полученных данных по нейтронному импульсу. На фиг. 4 представлена осциллограмма сигнала, регистрируемого при работе газоразрядной камеры плазменного фокуса, в полость анода 1 которого установлены экран 9 и мишень 8. На данной осциллограмме регистрируется импульс нейтронного излучения, а импульс рентгеновского излучения ослаблен до фоновых значений.
Полезная модель дает возможность сократить поток квантов жесткого рентгена из газоразрядной камеры плазменного фокуса 3 при генерации нейтронного излучения. Генерация нейтронного излучения из газоразрядной камеры сопровождается уменьшенным более чем в сто раз потоком квантов жесткого рентгена.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно генерация нейтронов сопровождается уменьшенным потоком квантов жесткого рентгеновского излучения.