ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 9, с. 828-834
ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 537.531.04
МОЩНЫЙ ВИРКАТОР В РЕЖИМЕ ГЕНЕРАТОРА ТОРМОЗНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2004 г. В. Д. Селемир, А. Е. Дубинов, Е. А. Ряслов, В. И. Каргин, И. А. Ефимова, М. В. Лойко
Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной физики Поступила в редакцию 23.06. 2003 г.
Окончательный вариант получен 04.09.2003 г.
Впервые создан и введен в эксплуатацию мощный виркатор с многократным пролетом электронов сквозь оптически тонкую анодную фольгу для генерации мощных импульсов рентгеновского излучения. Виркатор реализован на базе электронного ускорителя прямого действия с питанием от индуктивного накопителя энергии с плазменным прерывателем тока. Приведены результаты двумерных самосогласованных расчетов динамики электронного пучка в камере виркатора и определены спектры сопутствующего СВЧ-излучения. Приведены также результаты одномерных самосогласованных расчетов динамики электронного пучка с учетом рассеяния на анодной фольге и определены спектры тормозного рентгеновского излучения. Представлены результаты первых экспериментов по исследованию тормозного рентгеновского излучения виркатора для тонкой (10 мкм, Та) и толстой (100 мкм, Та) анодной фольги. Для тонкой фольги доза рентгеновского излучения (Еу > 30 кэВ) в 8 раз превысила дозу, полученную при толстом аноде, а средняя энергия квантов снизилась с 80 до 30 кэВ.
ВВЕДЕНИЕ
Для некоторых радиационных исследований необходимы интенсивные импульсы рентгеновского излучения в спектральном диапазоне Еу = = 20-60 кэВ. 2-пинчи, в которых кинетическая энергия сжимающейся плазмы конвертируется в тепловое излучение, позволяют получать интенсивные потоки излучения с энергией квантов Еу < 5 кэВ [1]. Использование же электронных пучков с энергией электронов Ее = 100-200 кэВ ограничено сравнительно небольшими токами пучков и малым сечением радиационных потерь. Решить проблему интенсивности можно только при повышении ускоряющего напряжения. Но при использовании электронных пучков с энергией электронов Ее = 1-10 МэВ высокая эффективность преобразования их энергии в тормозное излучение достигается лишь на достаточно толстых мишенях (0.1-1 мм Та - тантал). Большая часть квантов из таких мишеней имеет энергию выше 200 кэВ, кванты с меньшей энергией поглощаются в мишени. Один из вариантов увеличения доли мягких квантов - использование многократного пролета электронов через оптически тонкую (в смысле рентгеновского излучения) мишень, роль которой может выполнять анодная фольга в отражательных триодах или виркаторах [2]. При этом генерируется тормозное излучение, максимум интенсивности которого приходится на более мягкую область спектра рентгеновского диа-
пазона, чем в генераторах тормозного излучения с толстыми мишенями.
В отражательных триодах и виркаторах происходят осцилляции электронного потока в потенциальной яме, образуемой катодом, анодной фольгой и виртуальным катодом, а генерация рентгеновского излучения осуществляется за счет многократного прохождения электронов через тонкую фольгу (10-30 мкм, Та) из материала с большим атомным номером. Возможность генерации мощных импульсов рентгеновского излучения с помощью отражательного триода была успешно продемонстрирована в [3]. Результаты расчетов отражательного триода применительно к установке "ЮПИТЕР" (энергозапас - 30 МДж) представлены в [4], где утверждается, что с его помощью при параметрах пучка электронов (5 МэВ, 60 МА) энергия излучения, приходящаяся на диапазон 20-60 кэВ, может составлять 160 кДж.
Отметим, что в работах [3, 4] рассмотрены только отражательные триоды, в которых, как известно, высокое напряжение подается на анодную фольгу, а катод и отражающий электрод (за-анодный коллектор) заземлены. Наличие же отражающего электрода может затруднить утилизацию рентгеновского излучения в радиационных исследованиях.
В данной работе для генерации рентгеновского излучения впервые используется виркатор. На преимущества виркаторов перед отражательны-
мощный виркатор в режиме генератора
829
ми триодами для генерации импульсов рентгеновского излучения нами неоднократно указывалось в [2, 5]: их конструкция более простая, высокое напряжение в них подается на катод, а анодная фольга и коллектор заземлены. Таким образом, в виркаторах при использовании продольного магнитного поля, однородного в области анодной фольги и спадающего в области коллектора, проблемы утилизации рентгеновского излучения не существует.
Приведены результаты дву- и одномерных самосогласованных расчетов динамики электронного пучка в виркаторе и результаты первых экспериментов по исследованию тормозного рентгеновского излучения виркатора для тонкой и толстой анодной фольги.
1. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИРКАТОРА
Эксперименты предварялись компьютерным моделированием виркатора. Целью моделирования являлось решение следующих задач:
- моделирование простраственно-временной 2-мерной самосогласованной динамики электронного пучка в неоднородном магнитном поле для определения места "осаждения" электронов на коллектор и поиска места установки датчиков рентгеновского излучения, наиболее защищенного от электронов;
- моделирование двумерной самосогласованной динамики формирования виртуального катода для расчета величины предельного тока и спектра сопутствующего СВЧ-излучения (в экспериментах наличие мощного СВЧ-излучения соответствующего спектрального диапазона свидетельствовало бы о наличии в пучке виртуального катода);
- моделирование одномерной самосогласованной динамики пучка с виртуальным катодом с учетом рассеяния электронов на анодной фольге для расчета спектров тормозного рентгеновского излучения.
При моделировании во всех случаях использовался раШе1е-т-ее11 метод решения задач, причем для первых двух задач использовался известный релятивистский электромагнитный код "КАРАТ" [6], а для третьей задачи - релятивистский электростатический код собственной разработки [7].
Приведем результаты моделирования виркатора с помощью кода "КАРАТ" для оптимизированной геометрии и режимов работы, использованных в экспериментах.
Геометрия электродной системы виркатора приведена на рис. 1а. Электродная система включала в себя трубчатый катод и анодный электрод, содержащий массивный коллектор, конический
анододержатель, выполненный из прозрачного для электронов материала с малым атомным номером, и танталовый анод, выполняющий функции мишени. Считалось, что на виркатор наложено внешнее магнитное поле величиной 4.4 кГс в однородной части. Пространственное распределение магнитного поля в виркаторе, соответствующее измерениям, также показано на рис. 1а.
Напряжение в диоде было равно 1 МВ, а ток пучка - 90 кА. Мгновенный конфигурационный портрет пучка показан на рис. 1а, из которого определено место "осаждения" электронов на коллектор.
На рис. 16 показан мгновенный фазовый портрет пучка, из которого видно, что в расчетной системе формируется виртуальный катод, то есть ток пучка превышает предельный ток.
В точке, помеченной на рис. 1а крестиком, рассчитывался временной ход электрического поля. Было определено, что при наличии в пучке виртуального катода в этой точке возникают интенсивные электромагнитные колебания СВЧ-диа-пазона. Поскольку вблизи расчетной точки пучок движется почти радиально, то наиболее информативны колебания радиальной компоненты электрического поля. Его фурье-образ показан на рис. 2, из которого был определен спектральный диапазон СВЧ-детектора для экспериментов (к = 3 см).
Приведем теперь результаты моделирования генерации тормозного излучения с помощью кода [7]. В этих расчетах виркатор состоял из двух цилиндрических металлических камер. Первая камера служит ускоряющим диодом, а вторая -промежутком дрейфа. Диодная и дрейфовая камеры разделены фольгой. В фольге предусмотрен расчет ионизационных потерь энергии электронов методом Монте-Карло, так что учитываются не только средние ионизационные потери энергии в фольге, но и флуктуации этих потерь. Задача решается раП1е1е-т-ее11 методом с учетом релятивистского движения электронов. Крупные частицы одинаковы и представляют собой тонкие шайбы с фиксированными и задаваемыми ранее внутренним радиусом и внешним радиусом. Модельные расчеты виркатора проводились при следующих параметрах. Диодная область виркатора: внешний диаметр пучка 5 см, толщина электронного пучка 1 см, длина ускоряющего зазора 0.7 см. Дрейфовая область виркатора имела длину 24 см. Внешний диаметр диодной и дрейфовой камер 21 см. К катоду прикладывалось напряжение 1 МВ. Инжектируемый ток катода составлял 90 кА. Толщина фольгового анода в первом случае 10 мкм, во втором случае 100 мкм. Материал анода - Та.
Энергетические спектры крупных частиц, пересекающих анодную фольгу, приведены на рис. 3.
Рис. 1. Результаты моделирования динамики электронного пучка в виркаторе: а) - мгновенный конфигурационный портрет пучка, показаны также силовые линии магнитного поля, крестиком обозначено положение "датчика", в котором рассчитывалось СВЧ-поле; б) - фазовый портрет пучка, ВК - виртуальный катод.
При толщине фольги 100 мкм (кривая 2 на рис. 3) наблюдается заметное снижение интенсивности частиц в низкоэнергетических областях спектра по сравнению со случаем фольги толщиной 10 мкм (кривая 1 на рис. 3).
На основе полученных данных спектры тормозного рентгеновского излучения рассчитывались при помощи следующей формулы из [8]:
7 7 2/3 -2Г/ ч-1/2 -1/2-.-2/3
¡V = кV V0 [(V0-V) -V0 ] , (1)
где ^ - спектральная интенсивность, V0 - частота коротковолновой границы спектра, V - частота тормозного излучения, к - коэффициент пропорциональности. Полученные спектры приведены на рис. 4. Их анализ показывает, что для тонкой
фольги рентгеновская генерация действительно смещается в мягкую область спектра.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИРКАТОРА
Виркатор для генерации импульсов рентгеновского излучения был создан на базе электронного ускорителя прямого действия с питанием от индуктивного накопителя энергии с плазменным
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.