ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ПРОНИКАЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H05H1/24 

Область техники

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам с электрическим разрядом типа "плазменный фокус", и может быть использовано в качестве генератора разовых импульсов рентгеновского и нейтронного излучений для исследовательских и прикладных задач.

Уровень техники

В настоящее время в области техники, связанной с разработкой источников высокоэнергетичного ультрафиолетового и рентгеновского излучения, а также нейтронного излучения, широко используются импульсные электроразрядные устройства с формированием высокоплотных плазменных образований (пинчи, микропинчи, плазменный фокус). В момент максимального сжатия происходит сильный разогрев плазмы, что приводит к генерации мощных импульсов мягкого и/или жесткого рентгеновского излучения или нейтронов.

Используется различная геометрия электродов: линейная, коаксиальная, сферическая. В зависимости от требуемого спектра и типа излучения (рентгеновское, нейтронное) используется то или иное газонаполнение.

Известен источник высокоэнергетического ультрафиолетового и рентгеновского излучения с двумя электродами коаксиальной конфигурации (с центральным анодом) расположенных в вакуумной камере устройства для создания плазменного пинча [патент РФ №2253194 С2, 26.10.2000]. Камера содержит рабочий газ. Источник импульсного питания вырабатывает электрические импульсы с напряжением, достаточным для инициации электрического разряда между электродами. Этот разряд создает в рабочем газе высокотемпературные плазменные пинчи высокой плотности, которые генерируют импульсы излучения в спектральной линии рабочей среды (буферный и активный газы, пары лития) с частотой до 2000 Гц.

Источник имеет сложные дополнительные системы (литиевый контур и др.), системы электро- и газопитания питания и предназначен для работы в стационарных условиях в области литографии.

Мощные транспортабельные импульсные установки на плазменном фокусе (ПФ) с нейтронным выходом ~10¹² нейтр./имп.в импульсе (с энергией нейтронов 14,2 МэВ) и ресурсом 10³ включений и более востребованы в исследованиях по динамической нейтронографии, импульсной нейтронной радиографии, радиологии, материаловедению, радиобиологии и медицине и др. При разработке таких источников приоритетами являются простота конструкции, использование отечественной элементной базы, универсальность модулей блока управления и питания (возможность работы с разными разрядными модулями), эргономичность конструкции, малая себестоимость продукции (экономическая составляющая), качество, безопасность, удобство для потребителя.

В работе [А.В.Голиков, А.К.Дулатов, Б.Д.Лемешко, П.П.Сидоров, Д.И.Юрков. Разработка лабораторного макета импульсного генератора нейтронов на камере плазменного фокуса с разрядным током до 1,5 МА // Мощная импульсная электрофизика, т. 5, МИФИ, 2008] описан компактный (80×200×200 см³) модульный автономный генератор нейтронов с выходом до ~10¹¹ нейтр./имп. Генератор содержит камеру с рабочим газом, электроды внутри камеры, генератор импульсных токов до 1,5 МА (Т~12 мкс). Конструктивно мобильный генератор оформлен в виде модуля весом 700 кг.

Другим вариантом таких источников является малогабаритный импульсный генератор нейтронных потоков наносекундной длительности с выходом ~10⁸ нейтр./имп.[Б.Д.Лемешко, П.П.Сидоров, Д.И.Юрков, А.К.Дулатов, М.В.Колтунов. Разработка малогабаритного импульсного нейтронного генератора наносекундной длительности на камерах плазменного фокуса с возможностью применения в учебно-исследовательских целях // Мощная импульсная электрофизика, т. 5, МИФИ, 2008]. В качестве нагрузки в разрядных модулях использовались камеры ПФ с газогенератором.

Однако эти генераторы имеют разброс выхода -35% и ресурс ~10³ включений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению, который и принят в качестве прототипа, является плазменный источник проникающего излучения [патент РФ №2342810, кл. H05H 1/00, 2007 г.], состоящий из газоразрядной камеры, заполненной изотопами водорода и содержащей газоразрядные электроды, герметично закрепленные в изоляторе, и источника электрического питания.

Для увеличения ресурса работы плазменного источника в состав газоразрядной камеры введен генератор рабочего газа, герметично установленный в отверстии корпуса газоразрядной камеры, рабочий элемент генератора газа насыщен изотопами водорода. При разогреве рабочего элемента генератора газа начинается процесс десорбции окклюдированного газа и поступление изотопов водорода (дейтерий, тритий или их смесь) в объем разрядной камеры, а при выключенном источнике электрического тока холодный рабочий элемент поглощает изотопы водорода, а также газовые примеси, которые выделяются при разряде с поверхностей электродов и изолятора. Таким образом, имеется возможность многократно повторять рабочий цикл «откачка - напуск рабочего газа» в камере.

Однако, известно [Никулин В.Я., Полухин С.Н. К вопросу о нейтронном скэйлинге плазменного фокуса. Электротехнический подход // Препринт №12, Физический институт им. П.Н.Лебедева. М., 2006], что к моменту формирования плазменного фокуса около половины энергии остается в конденсаторной батарее - генераторе импульсных токов. Учитывая, что время жизни излучающего плазменного фокуса лежит в наносекундном диапазоне длительностей, оставшаяся часть энергии в значительной мере расходуется на дополнительную эрозию электродов (в основном, анода) и изолятора, что существенным образом влияет на состояние рабочей поверхности последнего (металлизация) и приводит к шунтирующим пробоям в начальной стадии формирования токовой оболочки, нарушению динамики развития разряда и снижению эффективности формирования плазменного фокуса, являющегося источником проникающего излучения (см. предыдущую ссылку). Кроме того, параметры плазмы плазменного фокуса, а следовательно, и его эмиссионная способность очень чувствительны к элементному составу плазмы, так что примесные ионы существенно снижают выход нейтронов.

В данном устройстве негативному воздействию продуктов эрозии подвергается также рабочий элемент генератора газа, приводящее к "забиванию" примесными атомами эмитирующей газ поверхности, что существенно снижает выход проникающего излучения и ресурс работы источника.

Таким образом, токовая эрозия электродов является паразитным процессом и неблагоприятно сказывается на рабочих характеристиках источника.

Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков, повышение ресурса работы плазменного источника и выхода проникающего излучения.

Раскрытие изобретения

Указанные результаты достигаются тем, что в конструкцию источника проникающего излучения введен коммутатор разрядного тока, размещенный на тыльных частях электродов и изолятора. Коммутатор может быть выполнен в виде газового или вакуумного кольцевых разрядников или сборки высоковольтных полупроводниковых коммутаторов.

Для предотвращения (существенного снижения) эрозии электродов и изолятора цепь межэлектродного газового разряда шунтируется замыканием разрядного тока через встроенный коммутатор в момент сразу после формирования фокуса и возникновения импульса проникающего излучения. Условия эффективного шунтирования заведомо выполняются, т.к. импеданс нагрузки (объемный межэлектродый разряд) существенно превышает импеданс коммутатора.

Осуществление изобретения.

Плазменный источник проникающего излучения содержит газоразрядную камеру, состоящую из двух сферических металлических электродов, разделенных изолятором, шунтирующий коммутатор, генератор импульсных токов - конденсаторную батарею с высоковольтным включающим коммутатором и генератор рабочего газа с источником электрического питания.

Достижение высокой эффективности формирования плазменного источника (плазменного фокуса) проникающего излучения требует достаточно строгого согласования параметров электрического контура и переменной нагрузки (камера с межэлектродным разрядом) (см., напр., ссылку [Никулин В.Я., Полухин С.Н. К вопросу о нейтронном скэйлинге плазменного фокуса. Электротехнический подход // Препринт №12, Физический институт им. П.Н. Лебедева. М., 2006]). Принимая во внимание достаточно высокий требуемый уровень значений скорости нарастания тока в плазменном разряде (~10¹¹ А/с), необходимый для формирования скользящего разряда с хорошей сплошностью на поверхности межэлектродного изолятора, собственная индуктивность электрического контура должна быть минимизирована, что, естественно, относится ко всем вышеупомянутым элементам контура. Максимальную эффективность излучения получают путем выбора величины емкости при учете полной индуктивности разрядного контура так, чтобы момент пинчевания электроразрядной плазмы, т.е. формирования излучающего плазменного фокуса, соответствовал максимальной величине разрядного тока.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), где представлен пример конструкции плазменного источника.

Сферические электроды 1 (катод) и 2 (анод) в разрядной камере разделены цилиндрическим изолятором 3. На тыльной части электродов (вне разрядной камеры) размещен высоковольтный коммутатор для программированного шунтирования межэлектродного разряда в газоразрядной камере, выполненный, например, в виде цилиндрического разрядника с высоковольтным электродом 5 и корпусом 6, а также одним или несколькими искровыми источниками 7 для инициации шунтирующего разряда, расположенными на корпусе разрядника.

Генератор импульсных токов с конденсаторной батареей 9 и инициирующим коммутатором 8 соединяется с электродами разрядника с помощью коаксиальных кабелей, либо жестких токоподводов (на фиг. 1 изображены схематично).

Объем разрядной камеры заполнен изотопами водорода (дейтерием, смесью дейтерия и трития или тритием) с помощью генератора газа 4.

Работает плазменный источник следующим образом.

При срабатывании высоковольтного коммутатора 8 заряженная конденсаторная батарея разряжается на электроды разрядной камеры, заполненной до нужного уровня давления газом - изотопом водорода из генератора газа. Межэлектродный разряд инициируется скользящим разрядом по поверхности изолятора с образованием плазменной (токовой) оболочки. Под действием электродинамических сил плазменная оболочка отходит от изолятора и движется с ускорением по межэлектродному зазору к области фокусировки («плазменный фокус») на оси разрядной камеры вблизи поверхности анода. Формирующийся «плазменный фокус» является источником проникающего излучения - нейтронов и рентгеновских лучей. Резкое возрастание индуктивности разряда при этом приводит к резкому уменьшению разрядного тока и появлению перенапряжения на электродах. Любой из этих сигналов с соответствующих датчиков используется для коммутации (например, запуска искровых источников поджига) шунтирующего разрядника. В вариантах вакуумного или газового разрядника шунтирующий коммутатор может также работать в пассивном режиме, т.е. срабатывать в момент возникновения перенапряжения на электродах. При уровне разрядных токов в килоамперном диапазоне возможно использование сборки промышленных высоковольтных полупроводниковых коммутаторов. В результате происходит шунтирование основного межэлектродного разряда и ток в разрядной камере существенно снижается.

Таким образом, обеспечиваются условия для минимизации токовой эрозии элементов разрядной камеры и поступления примесей - продуктов эрозии электродов и межэлектродного изолятора - в разрядную камеру, что в свою очередь повышает ресурс работы электродов и рабочего элемента генератора газа и, следовательно, источника излучения в целом, а также выход проникающего излучения.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к электроразрядным устройствам типа “плазменный фокус”, и может быть использовано в качестве генератора разовых импульсов рентгеновского и нейтронного излучений для исследовательских и прикладных задач. Устройство содержит газоразрядную камеру, состоящую из двух сферических металлических электродов, разделенных изолятором, генератор импульсных токов - конденсаторную батарею с высоковольтным включающим коммутатором, генератор рабочего газа с источником электрического питания, а также шунтирующий коммутатор, который расположен на тыльной части электродов вне камеры и выполнен, например, в виде цилиндрического разрядника с высоковольтным электродом и корпусом, на котором размещены искровые источники поджига. В качестве коммутатора возможно также использование сборки промышленных высоковольтных полупроводниковых коммутаторов. Технический результат - минимизация поступления примесей - продуктов эрозии электродов и межэлектродного изолятора - в разрядную камеру, повышение ресурса работы источника излучения, а также выхода проникающего излучения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Плазменный источник проникающего излучения, состоящий из газоразрядной камеры, заполненной изотопами водорода и содержащей газоразрядные электроды, генератора рабочего газа, герметично установленного в отверстии корпуса газоразрядной камеры, и генератора импульсных токов, отличающийся тем, что на тыльной части электродов размещен высоковольтный коммутатор для программированного шунтирования межэлектродного разряда в газоразрядной камере.

2. Плазменный источник проникающего излучения по п.1, отличающийся тем, что высоковольтный коммутатор для шунтирования межэлектродного разряда в газоразрядной камере выполнен в виде кольцевого газового или вакуумного разрядника.

3. Плазменный источник проникающего излучения по п.1, отличающийся тем, что высоковольтный коммутатор для шунтирования межэлектродного разряда в газоразрядной камере выполнен в виде радиально-лучевой сборки высоковольтных управляемых полупроводниковых коммутаторов на тыльных частях электродов.