научная статья по теме НЕЙТРОННЫЙ ИСТОЧНИК НА ОСНОВЕ X-ПИНЧА Физика

Текст научной статьи на тему «НЕЙТРОННЫЙ ИСТОЧНИК НА ОСНОВЕ X-ПИНЧА»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 7, с. 644-652

^ ДИНАМИКА

ПЛАЗМЫ

УДК 537.531.533.952

НЕЙТРОННЫЙ ИСТОЧНИК НА ОСНОВЕ Х-ПИНЧА

© 2010 г. С. С. Ананьев, Ю. Л. Бакшаев, П. И. Блинов, В. А. Брызгунов, В. В. Вихрев, С. А. Данько, А. А. Зеленин, Е. Д. Казаков, Ю. Г. Калинин, А. С. Кингсеп, В. Д. Королев, Е. А. Смирнова, Г. И. Устроев, А. С. Черненко, В. А. Щагин

РНЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия Поступила в редакцию 21.10.2009 г.

Окончательный вариант получен 16.11.2009 г.

Приведены результаты исследования параметров нейтронного источника, выполненного на основе Х-пинча. При токе до 1.7 МА с фронтом нарастания ~150 нс в области перекрестия нитей диаметром 70—80 мкм, изготовленных из дейтерированного полиэтилена, образовывались высокотемпературные плазменные точки. Формирование горячих точек сопровождалось возникновением коротких импульсов мягкого рентгеновского излучения длительностью 2—4 нс и эмиссией нейтронов. Энергия нейтронов измерялась времяпролетным методом в 4-х направлениях, составляющих с осью нагрузки следующие углы: 0°, 90°, 180°, 270°. Средняя энергия нейтронов оказалась равной: вдоль оси по направлению к аноду и катоду соответственно 2.0 ± 0.2 МэВ, и 2.6 ± 0.1 МэВ, а в двух диаметрально противоположных радиальных направлениях 2.5 ± 0.1 МэВ и 2.4 ± 0.1 МэВ. Максимальный нейтронный выход при токе 1.6 МА составлял 1010 нейтронов.

1. ВВЕДЕНИЕ

Х-пинч является уникальным объектом, позволяющим получить рекордные параметры мягкого рентгеновского излучения. В многочисленных работах, выполненных с Х-пинчами для создания горячей плазменной точки с температурой порядка нескольких килоэлектроновольт и размерами ~10 мкм, в качестве нагрузки использовались металлические проволочки [1, 2]. В работе [3], выполненной на установке С-300, было показано, что в экспериментах с многопроволочным Х-пинчем при мегаамперных токах формируется плазменный объект с яркостью излучения в мягком рентгеновском диапазоне до 1015 Вт/(см2 ср) при размере горячей точки ~20 мкм и мощности излучения ~120 ГВт.

Возможность создания нейтронного источника на основе Х-пинча при использовании перекрещенных дейтерированных нитей была продемонстрирована в работе [4], в которой был получен нейтронный выход 4.5 х 108 при токе 370 кА.

В настоящей работе приведены первые экспериментальные результаты, полученные на установке С-300 [5], по созданию яркого нейтронного источника на основе Х-пинча. Импульсный нейтронный источник субмиллиметрового размера может найти применение в нейтронной радиографии короткоживущих и движущихся с высокой скоростью объектов, для измерения разрешающей способности приборов, используемых для регистрации нейтронного излучения в быстро-протекающих процессах.

2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для создания интенсивного нейтронного источника, выполненного на основе Х-пинча, на установке С-300 [5] при токах до 1.7 МА с фронтом ~150 нс были проведены эксперименты со скрещенными нитями из дейтерированного полиэтилена диаметром 70—80 мкм. Нити устанавливались в диодном промежутке (зазор 14 мм) мишенного узла установки (см. рис. 1). Перекрестие создавалось в результате скручивания 4— 16 нитей на угол 225°, угол перекрещивания составлял 60°, начальная погонная масса сборки нитей изменялась от 0.2 до 0.8 мг/см. Выбранный

1 2 3

Рис. 1. Диодный узел установки С-300: 1 — анод, 2 — Х-пинч, 3 — катод.

7

8

Рис. 2. Диагностический комплекс: 1 — система формирования высоковольтных импульсов с водяной изоляцией, 2 — рентгеновский ЭОП, 3 — камера-обскура, 4 — щелевая камера со ступенчатым ослабителем, 5 — рентгеновский вакуумный диод, 6 — Х-пинч, 7 — оптическая щелевая развертка, 8 — оптические ЭОП'ы, 9 — магнитные зонды, 10 — полупроводниковый диод, 11 — сцинтилляционные детекторы.

угол обеспечивал надежное касание скрученных толстых нитей.

Энергия нейтронов определялась по время-пролетной методике. Нейтроны регистрировались в четырех пролетных базах с помощью шести сцинтилляционных детекторов ССДИ-8 и двух детекторов, выполненных на основе фотоумножителя Я1828-01 фирмы Нашаша18и (см. рис. 2). По два детектора одного типа устанавливались в двух аксиальных направлениях на расстояниях: 2.6 м и 5.1 м (над анодом) и 2.6 и 7.4 м (под катодом) и в двух диаметрально противоположных радиальных направлениях (под углом 90° к оси) на расстояниях: 5.1 м, и 8.3 м, и 2.6 м, и 8.3 м соответственно. В качестве сцинтиллятора в детекторах с фотоумножителем Я1828-01 использовались пластмассовые цилиндры на основе полистирола СПС Б18 с диаметром 50 мм и высотой 50 мм, соединенные оптическим контактом с фотоумножителем. Временное разрешение детекторов ССДИ-8 и выполненных на основе фотоумножителя Я1828-01 соответственно было равно 8—10 нс

и 4—6 нс. Для защиты детекторов от жесткого рентгеновского излучения (ЖР) они экранировались свинцовыми фильтрами толщиной 1—10 см. Для измерения полного количества нейтронов, испускаемых плазмой, применялся индиевый ак-тивационный детектор [6], который устанавливался на расстоянии 115 мм от Х-пинча под углом 22° к его оси (над анодом).

Информация о поведении плазмы в перетяжке Х-пинча была получена с помощью набора диагностик [3], расположенных в плоскости, перпендикулярной оси нагрузки (см. рис. 2). Излучение из плазмы в видимом и рентгеновском диапазонах спектра выводилось с помощью вакуумных диагностических патрубков, симметрично расположенных в горизонтальной плоскости установки. Динамика плазмы в приосевой области изучалась с помощью оптической щелевой развертки с временным разрешением ~1 нс (щель шириной 50 мкм ориентировалась вдоль оси нагрузки). Три световых ЭОП'а позволяли получать изображение перетяжки с экспозицией кадра 6 нс и за-

держкой между кадрами, изменяющейся в интервале 20 нс. Фотографирование в мягком рентгеновском (МР) излучении было выполнено с помощью рентгеновского ЭОП'а на основе микроканальной пластины (МКП), обеспечивающего 4 кадра с экспозицией 3—5 нс. Изображение на входе МКП формировалось четырьмя камерами-обскурами с диаметром отверстий 100 мкм.

Структура плазмы, излучающей в рентгеновском спектральном диапазоне, изучалась с помощью интегрального по времени фотографирования (в масштабе 1 : 1) трехканальной камерой-обскурой с диаметрами отверстий 50 мкм. Отверстия были закрыты рентгеновскими фильтрами. Размер объекта в рентгеновском излучении в различных спектральных диапазонах определялся также по ширине полутени краев изображений щели, участки которой закрывались разными фильтрами. Щель шириной 50 мкм располагалась перпендикулярно оси нагрузки на расстоянии 90 см от нее, что обеспечивало получение изображений плазмы с пространственным разрешением вдоль оси нагрузки ~20 мкм. Одномерные изображения, полученные с помощью щели, регистрировались с девятикратным увеличением рентгеновскими пленками "Микрат-100" и "Kodak CX", расположенными за набором рентгеновских фильтров, которые устанавливались вертикальными полосками шириной 5 мм.

Для регистрации импульсного мягкого рентгеновского (МР) излучения использовались: в области >0.2 кэВ вакуумный фотоэмиссионный диод с никелевым катодом, а в области 3—8 кэВ — кремниевые полупроводниковые детекторы AXUV-5 фирмы IRD Inc. с временным разрешением 1—2 нс. При этом детекторы снабжались рентгеновскими фильтрами.

Измерение тока, протекающего через нагрузку, осуществлялось с помощью магнитных зондов, установленных в обратном токопроводе мишенного узла. Напряжение на мишенном узле регистрировалось омическим делителем.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

При протекании разрядного тока 1.4—1.7 МА длительностью ~150 нс через скрещенные нити на сцинтилляционных детекторах времяпролет-ной диагностикой во всех направлениях регистрировались нейтронные импульсы. Была зарегистрирована следующая длительность импульсов, измеренная на полувысоте х1/2 = 18—40 нс на ближних детекторах, установленных на расстояниях 2.6 м; х1/2 = 20—60 нс на детекторах, установленных на расстояниях 5.1 м и х1/2 = 30—75 нс на дальних детекторах, установленных на расстояниях 7.4 м и 8.3 м. Осциллограммы импульсов (PY, „), зарегистрированные сцинтилляционными

детекторами в аксиальных и радиальных направлениях, а также полупроводниковыми и вакуумным диодами (Ру, Ау), приведены на рис. 3. Видно, что нейтронные импульсы (п) следуют за импульсами жесткого (у) и мягкого рентгеновского излучения (hv). Первый импульс жесткого рентгеновского излучения (у) на осциллограммах, зарегистрированных сцинтилляционными детекторами (Ру п), появляется из-за возникновения электронных утечек в передающих линиях концентратора С-300, а второй — в момент, близкий к возникновению высокочастотной модуляции на переднем фронте тока, сопровождавшейся особенностью на ее производной. В этот же момент времени вакуумный и полупроводниковые диоды регистрировали мягкое рентгеновское излучение в диапазоне энергий Е > 0.2 кэВ и Е > 3 кэВ.

Средние значения энергий нейтронов, вычисленные с помощью времяпролетной методики, оказались равными: вдоль оси в направлениях к аноду и катоду соответственно: 2.0 ± 0.2 МэВ, и 2.6 ± 0.1 МэВ и в двух диаметрально противоположных радиальных направлениях: 2.5 ± 0.1 МэВ и 2.4 ± 0.1 МэВ. Средняя энергия во всех направлениях определялась из времени пролета нейтронов, равного временному интервалу между моментами, соответствующими серединам длительностей х1/2 нейтронных импульсов, зарегистрированных двумя детекторами, установленными в одном направлении. Нейтронный выход в этих экспериментах при токах 1.4—1.7 МА изменялся в диапазоне 109—1010.

Вычисленные средние энергии для каждого направления и известные пролетные расстояния от нагрузки до детекторов позволяли определить момент возникновения эмиссии нейтронов. При этом в каждом эксперименте можно было вычислить восемь таких значений. Момент появления эмиссии основной группы нейтронов с энергией, соответствующей средним значениям, с точностью ±10нс, совпал с возникновением импульсов МР-излучения. Следует отметить, что точность определения момента нейтронной эмиссии в значительной степени определяется большой длительностью нейтронных импул

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.

Показать целиком