СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНОГО ИМПУЛЬСА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H05G1/24 H03K3/53 

Изобретение относится к областям импульсной рентгенотехники, инерциального термоядерного синтеза (ИТС), сильноточной электроники и физики высоких плотностей энергии и может быть использовано для генерации мощных импульсов рентгеновского излучения (МРИ).

Проблема генерации МРИ, а также основная проблема в каждой из указанных областей сводится к получению импульсов с большими уровнями общей энергии, мощности и потока энергии, а именно с уровнями энергии в электромагнитном импульсе (ЭМИ) до десятков МДж, мощности в сотни ТВт, энергии в МРИ до нескольких МДж. Известно, что продвижение в области управляемого термоядерного синтеза (УТС) происходит через последовательное наращивание энергоемкости первичных накопителей, выходной мощности формирующих устройств и повышение концентрации энергии на мишени установок, предназначенных как для изучения процессов на достигнутом уровне мощности, так и для отработки отдельных систем. Реализация этих задач возможна различными способами. В проблеме инерциального термоядерного синтеза характеристики рентгеновского излучения несут ценную информацию о процессах в реакторной камере. Поэтому помимо собственной ценности генераторов МРИ они входят в общее семейство установок ИТС.

Известен способ генерации МРИ, заключающийся в накоплении энергии в емкостных накопителях, преобразовании ее в магнитную энергию тока, протекающего по пинчующемуся плазменному слою, генерировании ЭМИ при самопроизвольном прерывании тока, обусловленном внезапным появлением сильной турбулентности и аномального сопротивления в системах плазменного фокуса (Г.Л. Сахлин. В кн. "Накопление и коммутация энергии больших плотностей". Изд-во "Мир". М. 1979, стр.199-214). Недостатком способа является невысокий общий к. п. д, ограниченный эффектами плазменных неустойчивостей, результатом чего является низкий уровень энергии в импульсе рентгеновского излучения (РИ) и вследствие этого необходимость увеличения энергоемкости первичного источника питания. Последнее возможно либо увеличением числа конденсаторов, либо увеличением напряжения на накопителе. Первое приводит к увеличению паразитной индуктивности и дальнейшему снижению эффективности метода. Второй путь ограничен электропрочностью диэлектрических элементов конструкции. Таким образом, увеличение энергии рентгеновского импульса неизбежно связано со снижением надежности, увеличением громоздкости и стоимости установок для получения МРИ.

Известен способ генерации импульса МРИ, выбранный за прототип (J.J. Ramirez. The Jupiter program. Proceedings of the 10^th IEEE International Pulsed Power Conference, Albukerkque, NM, 1995, p.91-98), заключающийся в накоплении энергии в накопителе путем подключения его к первичному источнику энергии, формировании электромагнитного импульса при подключении к накопителю формирующих линий и последующем преобразовании энергии ЭМИ в рентгеновское излучение коллапсирующим лайнером. На первой стадии осуществляют накопление электростатической энергии в первичном источнике - емкостных накопителях (генераторах Маркса), входящих в состав импульсных генераторов мощности. На второй стадии после включения (коммутации) генераторов Маркса путем подключения к ним формирующих линий генерируются индивидуальные высоковольтные импульсы большим числом модулей - импульсных генераторов мощности, включающих в себя генераторы Маркса и формирующую линию. Токи этих модулей складываются на третьей стадии и подводятся с помощью передающих линий к цилиндрической плазменной нагрузке (лайнеру), помещенной в центре вакуумной камеры. Во время четвертой стадии магнитное поле, генерируемые током, вызывает взрыв лайнера, приводящий к генерированию плазмы, которая продолжает поглощать подводимую энергию, конвертируемую в кинетическую энергию частиц. На конечном этапе кинетическая энергия преобразуется в энергию рентгеновского излучения, когда плазма останавливается вблизи оси взрыва. Магнитная энергия, накопленная вблизи области нагрузки, продолжает ускорять коллапсирующую плазму, создавая дополнительное излучение. Мощный радиационный импульс может быть получен в коротких (~100...200 нc) токовых импульсах.

Недостаток этого способа: плотность энергии в емкостном накопителе ограничивается электропрочностью изоляционных материалов. Известно, что плотность энергии, запасаемой в генераторах Маркса, не превышает 5 кДж/м³ при выходном напряжении 2-2,5 MB (Котов Ю.А., Лучинский А.В. Усиление мощности емкостного накопителя энергии прерывателем тока на взрывающихся проволочках. В кн. "Физика и техника мощных импульсных систем. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 189-211). Низкая плотность энергии приводит к значительной индуктивности разрядной цепи, что ограничивает возможную выходную мощность генераторов Маркса и среднюю скорость ее нарастания. Учет последнего фактора приводит к необходимости многокаскадной компрессии ЭМИ в последовательно работающих импульсных генераторах мощности. Способ прототипа предопределяет большие габаритные размеры генераторов мощных рентгеновских импульсов. Необходимость создания крупногабаритных сооружений для емкостных накопителей и их многоэлементность приводят к тому, что при увеличении выходной энергии в МРИ способ становится все более громоздким и менее надежным, а также к значительному увеличению стоимости его реализации из-за дороговизны энергоемких емкостных накопителей и их обслуживания.

Задача состоит в создании более надежного и относительно простого способа генерации мощного импульса РИ, позволяющего осуществить более простую и дешевую реализацию этапов накопления энергии и формирования ЭМИ, снять ограничения, связанные с повышенными требованиями к множеству элементов емкостного накопителя, характерному для прототипа, что в конечном счете приведет к повышению надежности способа генерации МРИ.

Технический результат, реализуемый с помощью заявляемого способа, состоит в снятии ограничения на плотность энергии на стадии накопления.

Он достигается тем, что в способе генерации мощного импульса рентгеновского излучения, заключающемся в накоплении энергии в накопителе энергии путем подключения его к первичному источнику энергии, формировании электромагнитного импульса, преобразовании энергии электромагнитного импульса в импульс рентгеновского излучения, согласно изобретению при использовании в качестве первичного источника энергии взрывомагнитного генератора накопление энергии осуществляют в индуктивном накопителе энергии, формируют обостренный электромагнитный импульс размыканием токового контура индуктивного накопителя энергии, по крайней мере, а два этапа при последовательном прерывании электрического тока в предварительно организованном плазменном слое токового контура индуктивного накопителя энергии с нелинейной зависимостью его проводимости от протекающего через его токовый контур электрического тока.

Для увеличения средней мощности, выделяемой в нагрузке, размыкание электрического тока в плазменном слое токового контура индуктивного накопителя энергии осуществляют за время, меньшее времени пробега электромагнитной волны по нему.

Преобразование энергии электромагнитного импульса в рентгеновское излучение можно осуществлять посредством превращения энергии электромагнитного импульса в кинетическую энергию потока заряженных частиц.

Техническое решение обеспечивается тем, что плотность энергии, запасаемой в магнитном поле неразрушаемых соленоидов достигает 40-100 МДж/м³ (Е.А. Абрамян, Б.А. Альтеркоп, Г.Д. Кулешов. "Интенсивные электронные пучки. Физика, техника, применение. М.: Энергоатомиздат, 1984, с.173). Это дает возможность создания индуктивных накопителей энергии с объемом, в тысячи раз меньшим, чем у емкостных накопителей, и соответственно существенного уменьшения стоимости всего способа, особенно реализуемого в устройствах с мощностью в десятки тераватт и более. Индуктивные накопители могут быть коаксиального, радиального или иного типа.

Однако индуктивный накопитель не является первичным источником энергии и сам должен запитываться от сильноточного генератора. В качестве такового обычно используются конденсаторные батареи или генераторы Маркса. Это, однако, сохраняет недостатки, присущие способу прототипа. В изобретении эти недостатки устраняются заменой накопления электростатической энергии на первом этапе генерированием мощного потока магнитной энергии путем преобразования химической энергии ВВ в электромагнитную. Это преобразование происходит при совершении работы проводниками, движущимися во взрывомагнитном генераторе (ВМГ) под действием продуктов взрыва заряда взрывчатого вещества против давления магнитного поля. Эта работа выражается в увеличении электромагнитной энергии в контуре ВМГ. Благодаря большому энергосодержанию и высокой мощности ВВ этап накопления от первичного источника, основанный на преобразовании химической энергии в электромагнитную, является высокоэффективным и компактным. Удельная энергоемкость источников электромагнитной энергии, с помощью которых осуществляют накопление энергии, примерно на три порядка выше удельной энергоемкости емкостных накопителей. Для создания в первичном контуре ВМГ начального магнитного поля необходима небольшая конденсаторная батарея, подключаемая к ВМГ. Генерируемая таким образом энергия передается в энергоемкие индуктивные накопители путем подключения их к ВМГ. Высоковольтный ЭМИ формируется путем размыкания контура, образуемого токовым генератором, индуктивным накопителем и прерывателем тока (ПТ). При реализации этого этапа способа в прерывателе тока вследствие специального подбора вещества, проводящего ток, и выбора конструкции прерывателя электрическое сопротивление меняется от малой величины на стадии накопления энергии и резко растет при достижении критического уровня тока.

Использованием первичного источника, основанного на взрывомагнитном принципе, - взрывомагнитного генератора (ВМГ) - и осуществлением накопления в накопителе с большими удельными энергоемкостями в результате отказа от способа накопления электростатической энергии в сочетании с формированием ЭМИ при размыкании контура накопителя достигается увеличение надежности способа и его упрощение.

Одним из возможных конкретных способов разрыва тока, способствующих достижению заявляемого технического результата, является разрушение проводника (фольги) на ребристой преграде взрывчатым веществом или диэлектрическими кумулятивными струями. Другим способом разрыва тока является электровзрыв проводников, когда энергия, запасаемая в накопителе, во много раз превосходит энергию, необходимую для плавления и испарения материала проводника. Для осуществления быстрого разрыва контура необходим специальный подбор длины, сечения, материала проводников и конструкции самого прерывателя. Все эти характеристики сильно зависят от используемого индуктивного накопителя, параметров токового импульса и плохо поддаются теоретическим расчетам. Таким образом, использование электровзрывных прерывателей предполагает проведение определенных операций по оптимизации их характеристик. Использование "простейших" типов ПТ - взрывных и электровзрывных - целесообразно, в частности, в тех вариантах формирования ЭМИ, когда энергия индуктивного накопителя передается в формирующую линию (ФЛ), являющуюся накопителем емкостного типа. Известно, что ограничения на допустимую плотность энергии емкостных накопителей существенно ослабляются при их быстрой (короче 1 мкс) зарядке. Высокая скорость зарядки ФЛ обеспечивается малой величиной индуктивности используемых индуктивных накопителей. Высоковольтный ЭМИ формируется затем путем коммутации ФЛ.

В настоящее время широко используются наиболее "быстроходные" плазменные прерыватели тока (ППТ), с помощью которых могут быть достигнуты требуемые уровни выходной мощности при разрыве тока за время меньше или порядка 100 нc. Включение в схему генератора мощности ППТ требует выполнения ряда операций, связанных с генерированием плазмы в ПТ до включения токового генератора и организации плазменного токового канала в ПТ. Существует широкий набор генераторов плазмы, используемых для заполнения ПТ. Для реализации быстрого прерывания тока, что обеспечивает генерирование высоковольтного ЭМИ, подбирают электрофизические (связанные с характеристиками плазмы) и конструктивные параметры плазменного прерывателя тока.

Условия эффективной генерации МРИ включают не только необходимость передачи в нагрузку большой энергии при высокой пиковой мощности, но и требования предотвращения предымпульса ЭМИ на мишени и формирование ЭМИ с коротким фронтом нарастания тока. Условие более быстрого прерывания тока в ППТ достигается путем специального подбора электрофизических и конструктивных параметров плазменного прерывателя тока или использованием, например, каскадного ППТ, когда применяют два или более прерывателей, соединенных последовательно с тем, чтобы каждый последующий каскад размыкал ток быстрее предыдущего вследствие более быстрого процесса накопления магнитной энергии, в результате чего не успевают развиваться процессы, стабилизирующие проводимость плазменного токового канала.

Каскадный способ обострения основан (упрощенно) на следующем. Допустим, первоначально энергия накапливается в индуктивности L₁ при протекании тока через прерыватель ПТ₁. При срабатывании ПТ₁ к первичному контуру подключается контур с индуктивностью L₂ и прерывателем ПТ₂. ЭДС, возникающая на L₁, приложена ко второму контуру, т.е. E₁=L₁•dI₁/dt равна Е₂=L₂•dI₂/dt. Очевидно, что условие L₁>>L₂ означает существенное увеличение скорости роста тока на ПТ₂ по сравнению с этим параметром для первого контура. Использование многокаскадного способа формирования ЭМИ способствует как предотвращению предымпульса на мишени, так и условиям для более быстрого разрыва тока в конечном каскаде.

Кроме того, возможен дополнительный технический результат, улучшающий совмещение функций накопления и формирования. В отличие от вышеописанного способа он может быть реализован при размыкании тока в плазменном слое за время, меньшее двойного пробега электромагнитной волны по индуктивному накопителю. При указанном условии индуктивный накопитель становится линией с распределенными параметрами, формирующей на выходе ток, напряжение и длительность импульса в соответствии с ее волновым сопротивлением и электрической длиной, что приводит к увеличению средней за импульс мощности генерируемого ЭМИ и тем самым к увеличению итоговой эффективности конверсии энергии в рентгеновское излучение.

Для реализации изобретения электрическую длину индуктивного накопителя выбирают большей времени размыкания тока (задавая геометрические параметры или вид диэлектрического заполнителя индуктивного накопителя, выполненного в виде длинной линии с распределенными параметрами). Однако длительность формируемого импульса не должна превышать времени развития процессов, ограничивающих эффективность конечного этапа конверсии энергии в РИ.

Известно, что в проблемах инерционного термоядерного синтеза и генерации МРИ рассматриваются как варианты конверсии энергии ЭМИ в энергию высокотемпературной плазмы или мощное рентгеновское излучение либо методом взрывающегося и схлопывающегося лайнера (как в прототипе), так и при передаче ЭМИ на ускорители заряженных частиц (Дж. Йонас. Термоядерная энергия и пучки заряженных частиц. Успехи физ. наук, 1981, т.133, вып.1, с.159). Во втором варианте генерируемые в ускорителях электронные или ионные потоки концентрируют на мишени. При торможении потока заряженных частиц кинетическая энергия последних приводит к генерированию рентгеновского излучения и образованию высокотемпературной плазмы. Поскольку одни и те же формирователи ЭМИ используются как источники энергии в обоих вариантах, очевидно, что описываемый способ допускает использование на последних этапах конверсии энергии как лайнерного варианта (как в прототипе), так и ускорителей заряженных частиц (корпускулярных потоков).

Таким образом, совокупность предложенного вида запитки, основанного на преобразовании химической энергии взрывчатых веществ в магнитную посредством сжатия начального магнитного потока, с накоплением энергии по индуктивному типу и формированием ЭМИ путем создания определенного разрядного контура с прерыванием тока позволяет совместить свойства первичного источника энергии, связанные с накоплением энергии, и особенности формирования импульса при размыкании контура накопителя с усилением мощности. Существенное снижение количества этапов преобразования энергии на стадиях накопления энергии и формирования ЭМИ в заявляемом способе (количество элементов многоэлементного накопителя электростатической энергии снижено использованием энергоемкого ВМГ в сочетании с энергоемким индуктивным способом накопления) и формирование ЭМИ прерыванием тока позволяют снять ограничения на плотность энергии на стадии накопления и расширяет возможности генерирования МРИ при снижении габаритов устройства, упрощает конструкцию устройства и его эксплуатацию, снимает повышенные требования к надежности множества элементов исключенного емкостного накопителя. Помимо этого, следует отметить и снижение полной стоимости установки для получения МРИ по заявляемому способу в сравнении со способом прототипа. Это снижение связано с тем, что удельная стоимость получения магнитной энергии в дисковых ВМГ оценивается величиной 0,001÷0,005 $/Дж (А. И. Павловский, Р.З. Людаев. "Магнитная кумуляция". В кн. "Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики". Под ред. А.П. Александрова. Л.: Наука, 1984, с.2, 6-270), соответствующая величина для электрической энергии в конденсаторных батареях 1÷1,5 $/Дж (проектная стоимость установки "Атлас" 40 млн. $ при энергии в конденсаторах 36 МДж) (W.A. Reass et al. Capacitor and Railgap Development for the Atlas Machine Marx Modules. 10 th IEEE International Pulsed Power Conference, p.522, July, 1995).

Реализуемость предлагаемого способа основана на следующем. Современный уровень техники генерирования мощных ЭМИ предполагает модульность конфигурации установки с суммированием ЭМИ отдельных модулей. Модуль на параметры, близкие к модулю прототипа, реализующий изобретение, может запитываться от дискового ВМГ нового поколения ([1] V.A. Demidov, S.A. Kazakov, A.S. Kravchenko, L. N. Plyashkevich, V.D. Selemir. Power Energy Sources Based on the FCG Parallel and Series Connection. Proc. of the 11^th IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Ed. G. Cooperstein and Vitkovitsky. Baltimore, Maryland, 1997, pp.1459-1464), позволяющего генерировать ток до 50 МА за характерное время ~ 3 мкс. Оценим характеристики ЭМИ, формируемые генератором рассматриваемого типа. Если использовать в качестве накопителя энергии две последовательно соединенные однородные радиальные линии с внешним диаметром 3 м, внутренним - 1 м с волновым сопротивлением ρ_o=0,5 Ом, то полная индуктивность линии с учетом индуктивностей участков ввода энергии составляет ~40 нГ. Индуктивность подводящих линий можно также оценить величиной ~40 нГ, что дает полную индуктивность одного индуктора с кабельными линиями ~80 нГ. Допустим, базовый блок генератора-формирователя состоит из 5 индукторов. Его полная индуктивность <20 нГ. Использование дискового ВМГ диаметром 240 мм ДВМГ-240 позволяет получить амплитуду зарядного тока индуктора I₀=8 МА [1].

Если прерыватель тока идеальный, то по передающей линии с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению короткозамкнутой линии индуктора, будет передаваться импульс длительностью 2t₀ с амплитудой тока I= 0,5I₀= 4 МА. Если сопротивление прерывателя имеет конечную величину, например, R_k= 2 Ом, то для согласованной работы индуктора волновое сопротивление ρ₁ передающей линии целесообразно выбрать из условия

При соблюдении этого условия можно оценить амплитуду импульса тока на выходе из передающей линии:

На согласованной с передающей линией нагрузке Z=ρ₁=1 Ом получим импульс напряжения U~ 3 MB. Предполагая, что потери на выходной индуктивности могут достигать ~30%, выходное напряжение одного индуктора можно оценить величиной ~ 2 MB. В этом случае полная амплитуда импульса, формируемого 5 индукторами, включенными на стадии запитки параллельно, а при формировании ЭМИ последовательно, на нагрузке Z=5 Ом достигнет 10 MB. Пиковая мощность, выделенная на нагрузке, составит 20 ТВт. Длительность импульса по основанию при выбранных размерах индуктора 120 нc.

Современный уровень плазменных прерывателей тока (А.В. Лучинский, Н.А. Ратахин, В. Ф. Федущак, А.Н. Шепелев. Изв. вузов, 1997, 12, с.67-75; С.П. Бугаев, А.М. Волков, А.А. Ким и др. Изв. вузов, 1997, 12, с.38-46; J.R. Thompson, J. E. Rauch, J.R. Goyer et al. The Proc. 11th IEEE Int. Pulsed Power Conf. (1997), pp.269-274) позволяет размыкать токи мегаамперного диапазона, переключая до половины накопленного тока в нагрузку при укорочении фронта импульса до <100 нc и генерировании ЭМИ мегавольтного диапазона.

Для генерации МРИ возможно использование как электронных, так и ионных ускорителей. Примером электронных ускорителей рассматриваемого типа могут служить ускорители "Сатурн" (D.D. Bloomquist, R.W. Stinnett, D.H. McDaniel et al. "Saturn. A Large Area x-ray Simulation Accelerator". Proc. 6th IEEE Pulsed Power Conf, Arlington, VA, June 29-July 1. 1987, pp.310-317), "Гермес III" (J. J. Ramirez et al."Hermes III - A 16 TW, Short Pulse, Gamma Ray Simulator". Proc. 7th International Conference on High Power Patricle Beams. Karlsruhe, West Germany, Yuly 4-8, 1988, pp.148-157), примером ионного ускорителя - PBFA-II (B. N. Turman et al. "PBFA-II - A 100 TW Pulsed Power Driver for the Inertial Confinement Fusion Program". Proc. of the 5th IEEE I Pulsed Power Conference, Arlington, VA, June 10-12, 1985, pp.155-161).

Таким образом, снятие ограничения на плотность энергии на стадии накопления обеспечивает возможность генерации МРИ в более простом варианте, с более высокой степенью надежности при снижении стоимости установок сравнимого класса.

Использование: в импульсной рентгенотехнике, инерциальном термоядерном синтезе, сильноточной электронике и физике высоких плотностей энергии. Способ заключается в накоплении энергии в накопителе путем подключения его к первичному источнику энергии, формировании электромагнитного импульса при подключении к накопителю формирующих линий и последующем преобразовании энергии электромагнитного импульса в рентгеновское излучение. На первом этапе в цепи преобразования энергии в мощное рентгеновское излучение используется химическая энергия взрывчатых веществ в сочетании с накоплением генерируемой магнитной энергии в индуктивном накопителе и формированием высоковольтного сильноточного электромагнитного импульса путем прерывания тока в контуре накопителя. Размыкание контура производится либо с использованием взрывчатых веществ, либо электровзрывом проводников, либо в специально организованном плазменном слое, либо каскадным образом, сочетающим эти виды прерывания тока. Технический результат заключается в снятии ограничения на плотность энергии на стадии накопления и возможности генерирования мощных импульсов при снижении габаритов и упрощении конструкции устройства. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ генерации мощного импульса рентгеновского излучения, заключающийся в накоплении энергии в накопителе энергии путем подключения его к первичному источнику энергии, формировании электромагнитного импульса, преобразовании энергии электромагнитного импульса в импульс рентгеновского излучения, отличающийся тем, что при использовании в качестве первичного источника энергии взрывомагнитного генератора, накопление энергии осуществляют в индуктивном накопителе энергии, формируют обостренный электромагнитный импульс размыканием токового контура индуктивного накопителя энергии, по крайней мере, в два этапа при последовательном прерывании электрического тока каскадом прерывателей, по крайней мере, на одном этапе в предварительно организованном плазменном слое токового контура индуктивного накопителя энергии с нелинейной зависимостью его проводимости от протекающего через его токовый контур электрического тока, а на другом этапе - с размыканием указанного токового контура с помощью взрывчатого вещества и/или посредством электровзрыва проводников. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что размыкание электрического тока в плазменном слое токового контура индуктивного накопителя энергии осуществляют за время, меньшее времени пробега электромагнитной волны по нему. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование энергии электромагнитного импульса в рентгеновское излучение осуществляют посредством превращения энергии электромагнитного импульса в кинетическую энергию потока заряженных частиц.