ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 3, с. 276-280
ДИАГНОСТИКА ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ
УДК 533.952+533.9.082.79
ИСТОЧНИК С ВЫХОДОМ 1013 ДТ-НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ СФЕРИЧЕСКОЙ КАМЕРЫ С ПЛАЗМЕННЫМ ФОКУСОМ
© 2013 г. Н. В. Завьялов, В. В. Маслов, В. Г. Румянцев, И. Ю. Дроздов, Д. А. Ершов, Д. С. Коркин, Д. А. Молодцев, В. И. Смердов, А. П. Фалин, А. А. Юхимчук
ФГУП "Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной физики", Саров, Россия
e-mail: rumyantsev@expd.vniief.ru
Поступила в редакцию 17.05.2012 г.
Представлены результаты предварительных экспериментальных исследований нейтронного излучения, генерируемого сферической камерой с плазменным фокусом, заполненной равнокомпо-нентной смесью дейтерия и трития (ДТ). При максимальной амплитуде тока в газоразрядной камере ~1.5 МА зарегистрированы импульсы нейтронного излучения длительностью на полувысоте 75— 80 нс и интегральным выходом ~1.3 х 1013 ДТ-нейтронов.
DOI: 10.7868/S0367292112120074
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования физических явлений и процессов генерации нейтронного и рентгеновского излучений в сферических газоразрядных камерах с плазменным фокусом (ПФ) ведутся во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (ВНИИЭФ) с начала 1960-х гг. [1, 2]. С одной стороны, эти работы направлены на решение фундаментальных физических задач, с другой они открывают перспективы применения интенсивных источников нейтронного и рентгеновского излучений в научных исследованиях, промышленности и прикладных направлениях.
В настоящее время во ВНИИЭФ созданы два типа экспериментальных установок на основе сферических камер с ПФ, в которых применяются генераторы импульсов тока (ГИТ) с емкостным или индуктивным накопителем энергии. Установки охватывают широкий диапазон начальных энергий в накопителях, от 10-1 до 103 кДж, и обеспечивают протекание в газоразрядных камерах токов от ~100 кА до ~2 МА. В этих условиях сферические камеры генерируют импульсы нейтронного излучения длительностью ~10—100 нс с интегральным выходом от 7 х 105 до 3 х 1011 нейтронов с энергией 2.45 МэВ. В экспериментах при запитке камер, заполненных равнокомпонент-ной смесью дейтерия с тритием, от взрывомаг-нитного генератора зарегистрирован максимальный выход 4 х 1012 ДТ-нейтронов при разрядном токе ~1.5 МА [2].
При относительно простой конструкции импульсные нейтронные источники на базе сфери-
ческих камер с ПФ обладают рядом достоинств по сравнению с другими типами генераторов нейтронного излучения. Они имеют небольшие размеры излучающей области (порядка нескольких миллиметров) и малую длительность импульса, большую плотность потока (до 1018 нейтронов/см2 с) и высокую монохроматичность (АЕ/Е ~ 10 %). Такие импульсные нейтронные источники применяются для контроля подкри-тичности реакторных сборок, формирования дефектов в полупроводниках и калибровки детекторов проникающих излучений, в исследованиях в области нейтронной радиографии, для активаци-онного анализа элементного состава веществ и обнаружения делящихся материалов и взрывчатых веществ.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
За последние три года во ВНИИЭФ была создана конденсаторная передвижная установка КПУ-200. Установка представляет собой ГИТ, в котором происходит накопление электрической энергии, формирование импульса тока и передача его в плазменную нейтронную камеру (ПНК). Составные части КПУ-200, кроме пульта управления, расположены в транспортируемом фургоне. Управление установкой осуществляется с удаленного на расстояние до 100 м пульта на основе персонального компьютера. Запуск установки осуществляется от пульта управления или внешнего устройства.
В состав ГИТ входит конденсаторная батарея из 36 модулей, каждый из которых состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов
ИСТОЧНИК С ВЫХОДОМ 1013 ДТ-НЕЙТРОНОВ
277
КПИМ-50-6 (50 кВ, 6 мкФ), газонаполненного разрядника и устройств для подключения высоковольтных малоиндуктивных кабелей. Общая емкость батареи составляет 432 мкФ, а запас начальной энергии при напряжении 30 кВ равен 195 кДж (максимальный запас энергии ~0.54 МДж при напряжении 50 кВ). Разрядники модулей ГИТ запускаются от блока, который одновременно формирует 36 импульсов напряжения положительной полярности амплитудой до 30 кВ, длительностью не менее 0.5 мкс и длительностью фронта 60 нс. Конденсаторы модулей ГИТ при пуске разрядников разряжаются на коллектор с газоразрядной камерой ПФ по кабельной линии, состоящей из 72 высоковольтных малоиндуктивных кабелей типа ФКП длиной ~5.0—6.5 м.
В экспериментах использовалась разработанная во ВНИИЭФ плазменная нейтронная камера ПНК-13. Электроды камеры имели сферическую геометрию. Стальной катод диаметром 290 мм представлял собой герметичный корпус камеры. Внутри корпуса был помещен изготовленный из бескислородной меди анод диаметром 160 мм, который соединялся с цилиндрическим анодным вводом. Для уменьшения поступления паров меди в область сжатия плазмы разрядным током в полюсе анода было сделано отверстие. Анод с вводом электрически изолировались от катода составным изолятором из полиэтилена и керамики. Во внутреннем объеме камеры полиэтилен экранировался керамикой ВК94-1, стойкой к воздействию высокотемпературной плазмы. Снаружи камеры электроды изолировались полиэтиленом с развитой поверхностью для увеличения электрической прочности конструкции. Камера ПНК-13 имела общую длину 420 мм.
При сборке ПНК-13 внимание уделялось соблюдению условий вакуумной гигиены для уменьшения загрязнения плазмы примесями. После сборки камера проверялась на герметичность с помощью гелиевого течеискателя. Суммарное выделение газа элементами конструкции камеры определялось манометрическим методом. Затем проводилась серия тренировочных электрических разрядов, которые обеспечивали достаточную очистку электродной системы.
Рис. 2. Расположение активационных детекторов относительно камеры ПНК-13.
В дальнейшем при проведении экспериментов камера с ПФ предварительно откачивалась с помощью поста специальной конструкции до остаточного давления воздуха (10-1—10-2 Па) и затем наполнялась дейтерием или равнокомпонентной смесью дейтерия с тритием до рабочего давления (1—3) х 103 Па. Пост состоял из систем вакуумной откачки и газового наполнения, блока управления и контроля и пульта управления на основе персонального компьютера. Процедуры по откачке, наполнению и поглощению газа из ПНК выполнялись дистанционно.
Опыты проводились на поле экспериментальной площадки ВНИИЭФ. Во время проведения экспериментов измерялась производная разрядного тока в ПНК-13 с помощью дифференцирующего пояса Роговского, установленного в заземленном корпусе на выходе из камеры. Регистрация сигналов осуществлялась на цифровом осциллографе фирмы Tektronix. Зависимость разрядного тока от времени определялась численным интегрированием его производной.
Выход и распределение нейтронов плазменного источника по энергии определялись в экспериментах с применением активационных детекторов. Использовался набор детекторов из алюминия, меди, молибдена, индия, тефлона и цинка, которые размещались внутри кадмиевого чехла вблизи поверхности камеры ПНК-13 (см. рис. 1, 2). Детекторы имели форму дисков диаметром 20 мм и толщиной 1 мм. Характеристики рабочих реакций и их продуктов приведены в табл. 1.
Регистрация наведенной активности в актива-ционных детекторах осуществлялась с помощью сцинтилляционного детектора с кристаллом NaI(Tl) диаметром 76.2 мм и высотой 76.2 мм. В качестве анализатора импульсов использовался UniSpec производства Canberra. Предварительно проводилась градуировка регистрирующей аппаратуры по чувствительности к гамма-излучению. Процедура обработки результатов измерений приведена в [3].
Измерение интегрального нейтронного выхода проводилось также методом наведенной ра-
Таблица 1. Характеристики использованных в экспериментах реакций и их продуктов
Реакция Порог реакции (эффективный порог), МэВ Период полураспада продукта реакции Энергия гамма-излучения, кэВ Квантовый выход, %
63Cu (n, 2n) 62Cu 11.03 (13.5) 9.76 мин. 511 200
64Zn (n, 2n) 63Zn 12.05 (13.5) 38.3 мин. 511 185.5
19F (n, 2n) 18F 10.99 (13.5) 1.83 ч 511 193.5
27Al (n, a) 24Na 3.25 (12.0) 14.96 ч 1368.6 100
115In (n, n') 115mIn 0.339 (1.0) 4.48 ч 336.4 45.9
92Mo (n, 2n) 91Mo 12.83 (13.5) 15.49 мин. 511 190
100Mo (n, 2n) 99Мо 8.37 (13.0) 2.79 сут. 140.5 92
27Al (n, p) 27Mg 1.90 (6.8) 9.46 мин. 843.8 71.8
64Zn (n, p) 64Cu 1.00 (3.4) 12.7 ч 511 36.8
диоактивности с помощью блока газового счетчика, принцип действия которого основан на регистрации ß-излучения, возникающего при захвате замедленных в парафине нейтронов изотопами серебра. Блок устанавливался на расстоянии 9.2 м от источника нейтронов под углом -20° к оси камеры ПНК-13 на высоте -1.5 м от земли.
Для измерений флюенсов, длительности импульсов и выхода нейтронного излучения применялся аппаратурный комплекс со сцинтилляци-онными детекторами типа ССДИ [4]. На рис. 3 схематично показана геометрия измерений в экспериментах с ДТ-нейтронами. Чувствительность детекторов к гамма-излучению источника из радионуклида Co60 определялась с погрешностью 10%. Сигналы с детекторов по кабелям РК75-9-13 длиной -100 м подавались через многоканальный блок защиты на цифровые осциллографы фирмы Tektronix. Блок защиты ограничивал выходные сигналы по амплитуде на уровне 200 В.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Измерения нейтронного излучения первоначально проводились при разряде ГИТ установки КПУ-200 на камеру, заполненную дейтерием. Ре-
гистрация гамма-нейтронных импульсов осуществлялась сцинтилляционным детектором ССДИ8-2, установленным на расстоянии 4.6 м от камеры ПНК-13. Детектор закрывался фильтром из свинца толщиной 10 мм. При начальном напряжении на конденсаторной батарее и0 = 25 кВ
з
и рабочем давлении дейтерия Р0 = 1.6 х КГ Па в камере ПНК-13 протекал разрядный ток с максимальной амплитудой I = 1.4 МА. В этих опытах был зарегистрирован выход, равный (7.5—8.0) х х 1010 ДД-нейтронов за импульс, длительность которого на полувысоте составляла -110 нс.
Затем газо
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.