RU214548U1 - Газоразрядная камера плазменного фокуса - Google Patents

Газоразрядная камера плазменного фокуса Download PDF

Info

Publication number
RU214548U1
RU214548U1 RU2022122904U RU2022122904U RU214548U1 RU 214548 U1 RU214548 U1 RU 214548U1 RU 2022122904 U RU2022122904 U RU 2022122904U RU 2022122904 U RU2022122904 U RU 2022122904U RU 214548 U1 RU214548 U1 RU 214548U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
discharge chamber
anode
gas
screen
axis
Prior art date
Application number
RU2022122904U
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Александрович Андреев
Александр Владимирович Голиков
Али Каюмович Дулатов
Виктор Анатольевич Лавренин
Борис Дмитриевич Лемешко
Юрий Владимирович Михайлов
Илья Александрович Прокуратов
Алексей Николаевич Селифанов
Дмитрий Игоревич Юрков
Original Assignee
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") filed Critical Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа")
Application granted granted Critical
Publication of RU214548U1 publication Critical patent/RU214548U1/ru

Links

Images

Abstract

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.
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, электроды газоразрядной камеры анод и катод выполнены в виде коаксиально 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, в верхней части анода газоразрядной камеры (со стороны области формирования плазменного фокуса) имеется цилиндрическая полость, 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 соединений 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. 4 ил.

Description

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).
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, Al2O3, SiO2, B2O3, 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.
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 ~ 1019 см -3 . 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.
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 (ZBe=4) происходит уменьшение количество энергии на радиационные потери по сравнению с танталом (обычно используемым материалом в качестве рентгеновской мишени, ZTl=74) в отношении ZTl/ZBe=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.

Claims (1)

  1. Газоразрядная камера плазменного фокуса, содержащая последовательно коаксиально расположенные относительно оси газоразрядной камеры внутренний электрод–анод, цилиндрический изолятор, внешний электрод–катод, при этом анод и катод выполнены в виде коаксиально 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, отличающаяся тем, что в аноде со стороны области формирования плазменного фокуса выполнена цилиндрическая полость, соосная оси газоразрядной камеры, к внутренним стенкам полости 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 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 соединений между собой, имеющая форму диска, расположенного перпендикулярно оси газоразрядной камеры, толщиной от 1 до 4 мм и диаметром, равным диаметру несквозного отверстия экрана, мишень и экран соосны оси газоразрядной камеры.
RU2022122904U 2022-08-26 Газоразрядная камера плазменного фокуса RU214548U1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU214548U1 true RU214548U1 (ru) 2022-11-03

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001037309A1 (en) * 1999-11-18 2001-05-25 Cymer, Inc. Plasma focus light source with improved pulse power system
US6297594B1 (en) * 1999-02-02 2001-10-02 Nissin Electric Co., Ltd Plasma source ion implanting apparatus using the same
RU2297117C1 (ru) * 2005-08-15 2007-04-10 Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии Устройство для получения импульсного рентгеновского и нейтронного излучения
RU2342810C1 (ru) * 2007-05-17 2008-12-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Плазменный источник проникающего излучения
RU2743572C1 (ru) * 2020-09-04 2021-02-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Эуф Лабс" Высокояркостный источник коротковолнового излучения (варианты)

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6297594B1 (en) * 1999-02-02 2001-10-02 Nissin Electric Co., Ltd Plasma source ion implanting apparatus using the same
WO2001037309A1 (en) * 1999-11-18 2001-05-25 Cymer, Inc. Plasma focus light source with improved pulse power system
RU2297117C1 (ru) * 2005-08-15 2007-04-10 Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии Устройство для получения импульсного рентгеновского и нейтронного излучения
RU2342810C1 (ru) * 2007-05-17 2008-12-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Плазменный источник проникающего излучения
RU2743572C1 (ru) * 2020-09-04 2021-02-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Эуф Лабс" Высокояркостный источник коротковолнового излучения (варианты)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2416439C2 (ru) Устройство для получения электронных пучков и пучков рентгеновских лучей для внутритканевой и интраоперационной лучевой терапии
Verma et al. Miniature plasma focus device as a compact hard X-ray source for fast radiography applications
Filippov et al. Filippov type plasma focus as intense source of hard X-rays (E/sub x//spl sime/50 keV)
Barbaglia et al. Experimental study of the hard x-ray emissions in a plasma focus of hundreds of Joules
Balovnev et al. Spectrometry of impulse high-current discharge-plasma X-rays
RU214548U1 (ru) Газоразрядная камера плазменного фокуса
RU2342810C1 (ru) Плазменный источник проникающего излучения
Elizondo-Decanini et al. Novel surface-mounted neutron generator
Jain et al. Observation and interpretation of neutron origin prior to hard X rays and pinch in a hundred joules plasma focus device
Brzosko et al. Breeding 10 10/s radioactive nuclei in a compact plasma focus device
Gribkov et al. New efficient low-energy dense plasma focus in IPPLM
US11378714B2 (en) Large depth-of-investigation pulsed neutron measurements and enhanced reservoir saturation evaluation
Iacobaeus et al. Sporadic electron jets from cathodes the main breakdown-triggering mechanism in gaseous detectors
Dulatov et al. Specific features of X-ray generation by plasma focus chambers with deuterium and deuterium–tritium fillings
USH407H (en) Electricity and short wavelength radiation generator
Bakshaev et al. Measurements of neutron emission from a Z-pinch constriction
Moldabekov et al. Study Neutron Emission in Plasma Focus Device by Silver Activation Method
Cikhardt High Energy Density Plasma Diagnostics Using Neutron and Gamma Detectors
El-Aragi et al. Scattered ionizing radiations from low-energy focus plasma and radiation dosimetery assessment
Goudarzi et al. Experimental study of the neutron emission mechanisms in a Filippov-type plasma focus device
Sadat Kiai et al. Preliminary results of IS plasma focus as a breeder of short-lived radioisotopes 12 C (d, n) 13 N
CN114488269B (zh) 一种正比计数器
Roshan et al. Plasma platform to investigate error structure in the electronic components
Kubes et al. Neutron production from a small modified plasma focus device
Soto et al. Dense transient pinches and pulsed power technology: research and applications using medium and small devices