ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 89-91
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 533.952+539.95:537.8
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО СОЗДАНИЮ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ИСТОЧНИКА ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА УСТАНОВКЕ "АНГАРА-5-1"
© 2014 г. Е. В. Грабовский, Г. М. Олейник, В. П. Смирнов
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований "
Россия, 142190, Москва, Троицк, ул. Пушковых, владение 12 E-mail: oleinik@triniti.ru
Поступила в редакцию 22.08.2013 г. После доработки 09.10.2013 г.
Для получения на установке "Ангара-5-1" мощного тормозного излучения электронного пучка в области 50 кэВ—1 МэВ был реконструирован многоканальный концентратор с магнитной самоизоляцией. Магнитное самосжатие электронного пучка было уменьшено за счет использования восьми отдельных диодов вместо одного. В результате проведенной реконструкции выходного узла установки при токе 3.5 МА и напряжении 900 кВ получена мощность дозы 350 МГр/с на расстоянии 60 мм от диодов.
DOI: 10.7868/S0032816214030173
Установка "Ангара-5-1", предназначенная для проведения исследований в области инерциаль-ного термоядерного синтеза, была запущена в 1985 г. [1]. Длительность импульса тока на установке 100 нс, амплитуда тока до 5 МА, напряжение >1 МВ.
Основное направление исследований, проводимых на установке, — сверхбыстрое токовое сжатие каскадных лайнеров [2], 2-пинчей и лайнеров [3—8]. При их сжатии возникает мягкое рентгеновское излучение в области 0.1—1 кэВ с энергией до 100 кДж [4] и длительностью до 6 нс.
Генератор импульсной электрической мощности установки "Ангара-5-1" состоит из восьми модульных генераторов, включенных параллельно. Для транспортировки и концентрации импульсной энергии на нагрузку применен многоканальный концентратор с магнитной самоизоляцией, состоящий из восьми вакуумных транспортирующих линий (в.т.л.) с магнитной самоизоляцией.
В некоторых экспериментах возникла необходимость в получении на установке жесткого рентгеновского (тормозного) излучения в области 50 кэВ—1 МэВ. Для создания источника тормозного излучения высокой интенсивности потребовалось перевести ускоритель в режим генерации электронного пучка. Восемь независимых генераторов сверхвысокой электрической мощности установки "Ангара-5-1" (восемь модулей) изначально были соединены параллельно для работы в режиме электродинамического сжатия проволочных сборок. Однако такое соединение не поз-
воляет использовать полную электрическую мощность установки при работе на электронный пучок, поскольку один диод не может пропускать ток из-за магнитного самосжатия электронного пучка собственным магнитным полем. Для устранения этого пришлось реконструировать многоканальный концентратор с магнитной самоизоляцией. Параллельное соединение модулей было
5 6 7
Рис. 1. Схематичный разрез выходного узла вакуумного концентратора электромагнитной мощности установки "Ангара-5-1" с дополнительными в.т.л. (сечение концентратора по двум модулям). 1 — катод основной в.т.л.; 2 — основная в.т.л.; 3 — анод в.т.л.; 4 — дополнительный анод; 5 — танталовая фольга; 6 — дополнительный катод; 7 — катодный коллектор.
90
ГРАБОВСКИЙ и др.
Рис. 2. Схема облучения образцов и расположения дозиметров на установке "Ангара-5-1" с дополнительными в.т.л. (сечение концентратора по двум модулям). 1 — основная в.т.л.; 2 — один из восьми диодов; 3 — дюралевая крышка контейнера; 4 — цилиндрический металлический контейнер; 5 — термолюминесцентные дозиметры; 6 — облучаемые образцы; 7 — крышка вакуумной камеры; 8 — три алмазных дозиметра.
исключено таким образом, чтобы каждый модуль работал на свой диод.
Полный ток установки после суммирования на катодном коллекторе был разделен на восемь частей, каждая из этих восьми часть тока протекала через свой отдельный диод. Такое разделение тока использовалось ранее в работе [9], где полный
Ток, 106 А
Время, нс
ток установки разделялся на три части для питания трех кольцевых диодов.
Вышеупомянутые вакуумные транспортирующие линии с магнитной самоизоляцией назовем основными в.т.л., поскольку в процессе переделки концентратора пришлось ввести еще и дополнительные в.т.л.
На рис. 1 приведен схематичный разрез выходного узла вакуумного концентратора электромагнитной мощности установки "Ангара-5-1" с дополнительными в.т.л. Восемь анодов в.т.л. в новой конструкции не объединены вместе. Конец каждого анода в.т.л. дополнен небольшим полым цилиндрическим дополнительным анодом. Восемь катодов основных в.т.л., хотя и объединены вместе на катодном коллекторе, затем разделяются на восемь отдельных дополнительных катодов, расположенных внутри дополнительных анодов. Восемь дополнительных анодов и восемь дополнительных катодов изготовлены из нержавеющей стали и образуют дополнительные в.т.л. В конце каждой дополнительной в.т.л. имеется электронный диод. Катодом в нем является торцевая поверхность дополнительного катода, а анодом — танталовая фольга толщиной 50 мкм. Зазор между анодом и катодом ~4 мм. При напряжении несколько сотен киловольт с катода эмитирует электронный пучок за счет автоэмиссии.
Восемь дополнительных диодов расположены в вакуумной камере. Поскольку облучаемые образцы не могут быть размещены в вакууме, пришлось через отверстие в крышке вакуумной камеры вставить с уплотнением цилиндрический металлический контейнер, открытый сверху на атмосферу. Чтобы приблизить облучаемые образцы к диодам, дно контейнера располагалось на расстоянии 57 мм от танталовой фольги. Для уменьшения ослабления жесткого излучения дно контейнера было из-
Напряжение, 105 В
Время, нс
Рис. 3. Электротехнические параметры диодной сборки на установке "Ангара-5-1": суммарный ток (а) и напряжение (б) в зависимости от времени.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
91
Мощность дозы, 1010 рад/с 3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
0.5
700 750 800 850
900 950 1000 Время, нс
Рис. 4. Временной профиль мощности дозы.
готовлено из дюраля толщиной 7 мм. Внутри контейнера располагались облучаемые образцы и дозиметры.
Геометрические параметры перечисленных выше дополнительных элементов следующие: диаметр дополнительного катода 20 мм; внутренний диаметр дополнительного анода 28 мм; длина дополнительного катода 95 мм; центры восьми дополнительных диодов расположены на окружности диаметром 98 мм.
Расположение образцов (в виде прямоугольников) и дозиметров (в виде окружностей) условно показано на рис. 2.
Для измерения тока на выходе в.т.л. использовались восемь калиброванных датчиков производной тока. Датчики представляли собой петли и располагались на радиусе 102 мм. Для измерения напряжения на катодном коллекторе применялся индуктивный делитель напряжения [10]. Осциллограммы тока и напряжения представлены на рис. 3.
Для дозиметрии использовались термолюминесцентные дозиметры. Замеры проводились прибором КДТ-02 с дозиметрами типа ДПГ-03.
Для регистрации мощности дозы использовались алмазные рентгеновские дозиметры типа САД1М [11]. Профиль мощности дозы на расстоянии 60 мм от диодов показан на рис. 4. Длительность тормозного излучения на половине высоты составила 36 нс.
При ветвлении тока на катоде образуются точки с нулевым магнитным полем, в которых отсутствует магнитная самоизоляция и происходят утечки тока. Образующаяся при этом плазма до-
вольно быстро перекрывает зазор, так что напряжение на диодах и токи диодов будут меньше указанных выше величин.
В результате проведенной реконструкции выходного узла установки при измеренном на радиусе 102 мм токе 3.5 МА и напряжении на катодном коллекторе 900 кВ получена мощность дозы 350 МГр/с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Альбиков З.А., Велихов Е.П., Веретенников А.И., Глухих В.А., Грабовский Е.В., Грязное В.М., Гусев О.А., Жемчужников Г.Н., Зайцев В.И., Золотовский О.А., Истомин Ю.А., Козлов О.В., Крашенинников И.С., Курочкин С.С., Латманизова Г.М., Матвеев В.В., Минеев Г.В., Михайлов В.Н., Недосеев С.Л., Олейник Г.М., Певчев В.П., Перлин А.С., Печерский О.П., Письменный В.Д., Рудаков Л.И., Смирнов В.В., Цар-фин В.Я., Ямпольский И.Р. // Атомная энергия. 1990. Т. 68. Вып. 1. С. 26.
2. Branitsky A.V., Vikharev V.D., Grabovsky E.V., Smirnov V.P., Tsarfin V.Ya. // Proc. 8-th Int. Conf. on High-Power Particle Beams (Beams'90). Novosibirsk. 1990. V. 1. P. 437.
3. Батюнин А.В., Булатов А.Н., Вихарев В.Д., Волков Г.С., Зайцев В.И., Захаров С.В., Комаров С.А., Недосеев С.Л., Никандров Л.Б., Олейник Г.М., Смирнов В.П., Трофимов С.В., Утюгов Е.Г., Федулов М.В., Фролов И.Н., Царфин В.Я. // Физика плазмы. 1990. Т. 16. № 9. С. 1027.
4. БехтевМ.Б., ВихаревВ.Д., Захаров С.В., Смирнов В.П., Царфин В.Я. // ЖЭТФ. 1989. Т. 95. С. 1653.
5. Грабовский Е.В., Грицук А.Н., Смирнов В.П., Александров В.В., Олейник Г.М., Фролов И.Н., ЛаухинЯ.Н., Грибов А.Н., Самохин А.А., Сасоров П.В., Митрофанов К.Н., Медовщиков С.Ф. // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 89. Вып. 7. С. 371.
6. Грабовский Е.В., Александров В.В., Волков Г.М., Га-силов В.А., Грибов А.Н., Грицук А.Н., Дьяченко С.В., Зайцев В.И., Медовщиков С.Ф., Митрофанов К.Н., Лаухин Я.Н., Олейник Г.М., Ольховская О.Г., Самохин А.А., Сасоров П.В., Фролов. И.Н. // Физика плазмы. 2008. Т. 34. № 10. С. 885.
7. Александров В.В., Грабовский Е.В., Грицук А.Н., Лаухин Я.Н., Медовщиков С.Ф., Митрофанов К.Н., Олейник Г.М., Сасоров П.В., Федулов М.В., Фролов И.Н. // Физика плазмы. 2010. Т. 36. № 6. С. 520.
8. Александров В.В., Грабовский Е.В., Грибов А.Н., Грицук А.Н., Медовщиков С.Ф., Митрофанов К.Н., Олейник Г.М. // Физика плазмы. 2009. Т. 35. № 2. С. 161.
9. Петин В.К., Ратахин Н.А., Федущак В.Ф. // Изв. вузов. Физика. 1995. Т. 38. Вып. 12. С. 40.
10. Олейник Г.М. // ПТЭ. 2000. № 3. С. 49.
11. Бублик М.А., Даниленко К.Н., Дроняев В.П., Мельник О.В., Михеев Б.К., Грунин А.В, Крылевский Е.Н., Куимова Н.А., Лазарев С.А., Лойко Т.В. // Сб. докл. IX Межотраслевой конференции по радиационной стойкости. Ч. 2. (Снежинск, 2010) Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2010. С. 142.
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.