ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 11, с. 1016-1024
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.07
ГЕНЕРАЦИЯ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ В УСТАНОВКАХ ПЛАЗМЕННОГО ФОКУСА
© 2014 г. А. К. Дулатов, Б. Д. Лемешко, Ю. В. Михайлов, И. А. Прокуратов, А. Н. Селифанов
Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, Москва
e-mail:bogolubov@vniia.ru Поступила в редакцию 07.02.2014 г. Окончательный вариант получен 12.05.2014 г.
Представлены результаты измерения временных параметров импульсов жесткого рентгеновского излучения экспериментальных установок плазменного фокуса. Проведен анализ механизмов генерации электронных пучков в пинче плазменного фокуса. На основе обобщения известных механизмов и экспериментальных данных измерения временных параметров импульсов жесткого рентгеновского излучения предложен механизм генерации высокоэнергетичных электронов, учитывающий влияние аномального сопротивления пинча и перераспределение тока по области плазмы, окружающей пинч. Проведено моделирование процессов в плазме пинча на основе предложенного механизма в программе МюгоСар. Показано, что только незначительная часть разрядного тока (1— 10%) может переходить в ток электронного пучка.
БО1: 10.7868/80367292114100035
1. ВВЕДЕНИЕ
Среди современных импульсных устройств значительную нишу занимают установки плазменного фокуса (ПФ). Установки ПФ являются источниками нейтронного и рентгеновского излучений наносекундной длительности, мощных электронных и ионных пучков и плазменных струй.
В основе работы установок ПФ лежит эффект формирования нецилиндрического г-пинча в камере ПФ вследствие схлопывания движущейся токоплазменной оболочки на оси камеры. Процессы, происходящие внутри пинчевого образования, приводят к возникновению различного рода излучений. В частности, жесткое рентгеновское излучение (ЖРИ) возникает вследствие торможения электронного пучка, образованного в пинче, в материале анода камеры ПФ или в специальной мишени со стороны анода, поэтому параметры ЖРИ определяются параметрами электронного пучка (длительностью, током и энергией ускоренных электронов) и свойствами мишени, определяющими характеристическое рентгеновское излучение. В данной работе проведено изучение параметров ЖРИ и возможного механизма генерации электронного пучка в пин-че ПФ.
Обсуждаемые механизмы генерации электронного пучка в ПФ основаны на эффекте аномального сопротивления и возникновении ускоряющей э.д.с. (омический и индукционный механизмы соответственно) [1—3], на появлении слоя
"плазма—пар—металл" вблизи анода [4, 5]. Также генерацию пучка связывают с процессами в мик-ропинчевых образованиях внутри пинча [6, 7].
Однако данные механизмы не заостряют внимания на том, какая часть тока пинча может перейти в ток электронного пучка. Ряд исследований указывает на отсутствие явных ограничений для перехода всего тока пинча в ток электронного пучка [5], но экспериментальные измерения показывают, что величина тока электронов составляет от 0.3 до 30 % от общего разрядного тока [8, 9]. Также непонятным остается соотношение между энергией ускоренных электронов [10, 11], которая доходит до сотен кэВ, с измеряемым напряжением на камере ПФ, составляющее лишь десятки кВ [12].
С целью прояснения данных вопросов проведены экспериментальные исследования генерации ЖРИ и описан возможный механизм генерации электронного пучка в установках ПФ.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Эксперименты проводились на двух экспериментальных установках (ЭУ-1 и ЭУ-2), использующих явление ПФ. В обеих установках в качестве импульсных источников тока используются емкостные накопители. ЭУ-1 имеет емкость батареи 14 мкФ и запасаемая в ней энергия до 3.7 кДж (зарядное напряжение 20—23 кВ). Амплитуда разрядного тока установки равна 360 кА, выход нейтронов составляет порядка 108 нейтрон/имп. при
Рис. 1. Схема проводимых экспериментов: 1 — катод, 2 — анод, 3 — изолятор, 4 — пинч, 5 — мишень, 6 — токовый коллектор, 7 — конденсаторная батарея, 8 — коммутатор, 9 — сцинтилляционный детектор, 10 — нейтронный детектор, 11 — дифференцирующий пояс Роговского, 12 — интегрирующий пояс Роговского, 13 — высоковольтный щуп, 14 — осциллограф.
работе с дейтерием при давлении 12—15 Торр. В состав установки входит камера ПФ мейзеров-ского типа [5], которая имеет внешний диаметр катода 55 мм, диаметр анода 30 мм, высоту анода 35 мм. Камера ПФ имеет медную мишень для генерации ЖРИ, углубленную внутрь анода (рис. 1).
Емкость установки ЭУ-2 равна 36 мкФ (максимальная запасаемая энергия в конденсаторной батарее 9 кДж), разрядный ток равен 660 кА, выход нейтронов до 109 нейтрон/имп. при работе с дейтерием при давлении 12—15 Торр. Камера ПФ, используемая в составе установки, является сферической [13] и имеет диаметр катода 120 мм, диаметр анода 60 мм. Камера ПФ имеет молибденовую мишень, углубленную внутрь анода. Данные давления рабочего газа в камерах ПФ соответствуют нейтронному режиму работы установок ПФ.
Для измерения электротехнических параметров генераторов использовались интегрирующий и дифференцирующий пояса Роговского и высоковольтный щуп осциллографа, подключающийся между катодом и анодом камеры. Для регистрации импульсов ЖРИ использовался сцинтилляцион-ный детектор ССДИ-38, обеспечивающий временное разрешение порядка 1.5 нс, а для измерения абсолютного выхода нейтронов — детектор нейтронов СИВН61, принцип работы которого заключается в замедлении быстрых нейтронов до тепловых энергий и активации серебряной фольги с последующей регистрацией Р-частиц, возникающих при радиоактивном распаде образовавшихся изотопов серебра.
Общая схема проведенных экспериментов приведена на рис. 1. Толщины катода и анода используемых камер ПФ составляют 2.5 мм. Таким образом, тормозное рентгеновское излучение,
образованное на мишени камеры, проходит через медь, суммарной толщины 5 мм, прежде чем попасть в сцинтилляционный детектор. Мягкое рентгеновское излучение не проходит через медные стенки камеры, поэтому ССДИ-38 регистрирует только жесткую компоненту излучения, начиная с энергии 60 кэВ. Характеристическое рентгеновское излучение на материале мишени (медь или молибден) меньше 60 кэВ, поэтому оно не проходит через стенки камеры и не регистрируется сцинтилляционным детектором.
Проведены серии запусков установок ЭУ-1 и ЭУ-2 с регистрацией импульсов ЖРИ. На рис. 2. показана характерная осциллограмма сигналов с поясов Роговского и ССДИ-38, полученная при срабатывании ЭУ.
На сигнале разрядного тока 1 виден спад, который соответствует пику на производной тока 2. Наблюдаемый спад обычно называют особенностью, и он характеризует фазу распада пинчевого образования. В экспериментах производилось измерение длительностей импульсов ЖРИ, зарегистрированных сцинтилляционным детектором ССДИ-38.
На рис. 3 приведена характерная осциллограмма сигнала с ССДИ-38 при срабатывании установки ЭУ-1, на которой видны два импульса ЖРИ (у! и у2) и один импульс нейтронов (п^. Два импульса ЖРИ наблюдаются достаточно часто в экспериментах, около 20% случаев при работе камер ПФ на дейтерии. Одному из импульсов ЖРИ (у^) соответствует импульс нейтронного излучения (пх), а генерация второго импульса ЖРИ (у2) может происходить без генерации нейтронов. Интервал времени между пиками импульсов ЖРИ равен 7.2 нс. Ввиду малости этого интервала времени следует, что генерация двух импульсов ух и у2 связана с одной особенностью на разрядном
Рис. 2. Характерная осциллограмма сигнала с поясов Роговского и ССДИ-38: 1 — кривая разрядного тока, 2 — кривая производной разрядного тока, 3 — импульс ЖРИ.
токе. Возможно, в одном пинче происходит два последовательных сжатия вследствие неустойчи-востей.
Длительность каждого из импульсов ЖРИ на полувысоте равна 3—4 нс, что является характерной длительностью импульсов ЖРИ данной установки — средняя длительность импульса ЖРИ более чем по 100 срабатываниям установки составила (т1> = (3.7 ± 0.2) нс. Для ЭУ-2 средняя длительность равна (т2> = (5 ± 1) нс. Длительность
и, В 0
,... \13.6 ^
п1'
3.6 нс I
I 3.8 нс
- У1 7.2 нс У2 59.8 нс
| |
1.35
1.40
1.45
t мкс
Рис. 3. Осциллограмма сигнала с ССДИ-38: импульсы ЖРИ (у! и У2) и импульс нейтронов (п^).
нейтронного импульса для ЭУ-1 варьируется от 10 до 20 нс, длительность нейтронного импульса для ЭУ-2 варьируется от 15 до 35 нс, что является характерным значением длительности нейтронов для установок ПФ такого типа [5].
На осциллограмме на рис. 2 приведен сигнал с ССДИ-38 с одним импульсом ЖРИ. Импульс ЖРИ отстает по времени от особенности на 40 нс. При этом суммарная задержка сигнала ЖРИ относительно сигнала производной разрядного тока складывается из задержки времени пролета ЖРИ от мишени до сцинтиллятора (4.9 нс), задержки за счет процессов внутри сцинтиллятора и ФЭУ (23.2 нс) и задержки за счет разницы прохождения сигналов по сигнальным кабелям из-за разницы их длин (12.0 нс). Таким образом, для того, чтобы проводить сравнение времен появления импульса ЖРИ и импульса на производной тока, необходимо учитывать суммарную задержку сигнала с детектора ССДИ-38, равную 40 нс. С учетом задержки сделан вывод, что импульс ЖРИ совпадает с моментом особенности (пик на производной разрядного тока), что также отмечалось в работах [14, 15]. Данный результат получен на обеих установках ПФ: для ЭУ-1 интервал времени между пиком на производной разрядного тока и максимумом импульса ЖРИ составляет (тр1> = = (2 ± 0.3) нс, а для ЭУ-2 <тр2> = (3 ± 0.5) нс.
Второй импульс ЖРИ не жестко привязан к времени особенности, как первый импульс ЖРИ,
2
4
6
и может появляться как до, так и после момента особенности.
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Генерация ЖРИ в установках ПФ связана с взаимодействием электронного пучка, образованного в пинче, с материалом мишени. Поэтому по временным параметрам импульса ЖРИ можно судить о временных параметрах электронного пучка и делать заключения о механизме его возникновения.
Эксперименты по измерению временных параметров импульсов ЖРИ показали, что максимум импульса ЖРИ соответствует максимуму пика на производной
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.