научная статья по теме РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРТАТИВНОГО НЕЙТРОННОГО ИСТОЧНИКА НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЕННОГО ФОКУСА Физика

Текст научной статьи на тему «РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРТАТИВНОГО НЕЙТРОННОГО ИСТОЧНИКА НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЕННОГО ФОКУСА»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 2, с. 172-186

ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 533.9.07

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРТАТИВНОГО НЕЙТРОННОГО ИСТОЧНИКА НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЕННОГО ФОКУСА

© 2014 г. В. П. Виноградов*, А. В. Нашилевский**, В. И. Крауз*, Г. Е. Ремнев**, Ю. В. Виноградова*, Г. Г. Канаев**, К. Н. Митрофанов***, В. В. Мялтон*

*НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия ** Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия *** ГНЦ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Москва, Россия

е-таП:кгаы1@пА.к1ае.гы Поступила в редакцию 22.08.2013 г.

Работа посвящена разработке компактного импульсного источника нейтронного излучения на базе плазмофокусного разряда. Основной задачей являлось исследование физических закономерностей развития ПФ-разряда в субкилоджоулевом диапазоне энергии разряда в частотном режиме работы установки. Разработана и создана установка с энергией источника питания до 600 Дж, работающая с частотой следования импульсов до 10 Гц. Исследованы экспериментальные зависимости нейтронного выхода от частоты следования импульсов. Получен нейтронный поток ~108 нейтр/с при работе в пакетном режиме длительностью 3 с с частотой 10 Гц (разрядный ток 80—90 кА).

БО1: 10.7868/80367292114020085

1. ВВЕДЕНИЕ

Известно, что эмиссионные параметры установок типа "плазменный фокус" (ПФ) сильно зависят от энергии разряда. В частности, нейтронное излучение в достаточно широком диапазоне энергии источника питания растет с увеличением последней в квадратичной степени. Среди широкого многообразия ПФ-установок можно выделить по энергетическому принципу три основные группы. Наиболее хорошо изученным является класс установок с энергией источников питания от единиц до нескольких сотен килоджоулей, см. обзоры [1, 2]. Именно для этой группы установок получен известный экспериментальный скей-линг N ~ W2 [3]. Следующий класс установок появился как естественное следствие этого скей-линга. Это установки с запасаемой энергией порядка одного мегаджоуля. На настоящий момент известны всего 4 действующие установки соответствующего диапазона энергии: ПФ-3 (НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Wmax = 2.7 МДж, Г/4 = 20 мкс, I = 2-5 МА) [4], PF-1000 (ИФПИЛМ, Варшава, Wmax = 1.06 МДж, Г/4 = = 6 мкс, I =2 МА) [5], КПФ-4 "Феникс" (СФТИ, Сухум, Wmax = 1.8 МДж, Г/4 = 8 мкс, I = 2-3.5 МА) [6] и GEMINI (NSTec, Лас Вегас, Wmax = 1 МДж, I = 3-4 МА) [7]. Основной задачей этих установок являлось подтверждение скейлинга в следующем энергетическом диапазоне и получение выхода D-D-нейтронов >1013 нейтр/импульс. Вследствие высокой стоимости количество таких установок неве-

лико, и поставленной цели пока что достичь не удалось.

В последнее время довольно активно разрабатываются установки с субкилоджоулевыми источниками питания. Это связано с разработкой широкого спектра практических применений ПФ, таких как ЕиУ-литография, обнаружение взрывчатых веществ, радиационная медицина, радиационное материаловедение, получение новых наноструктурированных покрытий и многих других [8—20]. Основными требованиями к таким установкам являются: высокая эмиссионная способность при работе в частотном режиме, воспроизводимость, компактность, энергетическая эффективность преобразования энергии, запасаемой в конденсаторной батарее, в излучение и ряд других. В частности, для устранения неравномерности облучения образцов, связанной с разбросом эмиссионных параметров от импульса к импульсу, необходимо обеспечить работу установки в частотном режиме, что накладывает ограничения на энергию разряда. Так, в случае хорошо исследованных установок с энергией в несколько килоджоулей при работе с частотой 1 Гц, потребляемая мощность составит несколько кВт. Для многих практических применений необходима более высокая частота следования импульсов в десятки и сотни Гц (и даже в несколько кГц в случае ЕиУ-литографии). Понятно, что для сохранения потребляемой мощности в разумных пределах необходимо уменьшение энергии единичного разряда. При этом необходимо искать оптимум между энергией разряда (чем меньше энергия,

тем меньше выход излучения) и частотой следования импульсов. Несмотря на предпринятые в последнее время усилия по исследованию скей-линговых закономерностей в этом энергетическом диапазоне, в том числе для нейтронного излучения [21], эта проблема еще далека от своего разрешения. Имеющиеся литературные данные свидетельствуют о широком разбросе (на порядок величины и более) достигаемых эмиссионных параметров. Ситуация становится еще более неопределенной при переходе в частотный режим работы.

В настоящее время эксперименты на установках килоджоулевого и субкилоджоулевого диапазона являются одной из наиболее интенсивно развивающихся областей исследований ПФ-си-стем. В частности, активно ведутся работы в этом направлении в Чили, где создан целый ряд установок интересующего нас энергетического диапазона. Так, на установке PF-400J (880 нФ, 38 нГн, 2035 кВ, 176-539 Дж) получено 1 х 106 нейтронов при разрядном токе 127 кА [22]. На установке PF-50J (160 нФ, 38 нГ, 20-30 кВ, 32-72 Дж) достигнуто 4 х 104 нейтронов при 67 Дж [23]. Недавно появилось сообщение о создании ультраминиатюрной установки с энергетикой 60-250 мДж [24, 25], на которой зарегистрировано рентгеновское излучение при энергии разряда всего ~0.1Дж и получено нейтронное излучение ~102 нейтронов.

Активно ведутся аналогичные работы также в Наньянском технологическом университете (Сингапур). На установке FMPF-1 (2.4 мкФ, 27 нГн, Г/4 ~ 400 нс, 12-15 кВ, 170-270 Дж) получен выход ~104 нейтронов при токе 70 кА [26]. Исследуются такие установки в России (ПФ-0.2, 200 Дж [27]), Аргентине, Индии и других странах. Один из лучших результатов был сообщен в работе [28], где на установке МапоЮсш зарегистрировано 106 нейтронов при энергии источника питания всего 125 Дж.

Практически во всех приведенных выше работах подчеркивается, что для перехода к конкретным практическим приложениям необходимо обеспечить работу установок в частотном режиме. Однако публикации, посвященные этой проблеме, встречаются крайне редко. В частности, в частотном режиме работали установки с энергией в несколько килоджоулей. Например, на установке с 4.7 кДж и частотой следования импульсов 0.2 Гц в течение 3-5 минут получен средний выход 108 нейтр/имп для первых 20 импульсов с последующей деградацией нейтронного выхода [29]. На более высокую частоту (до 16 Гц) рассчитаны установки ЫХ1 и МХ2 в Сингапуре (Ж ~ 2 кДж, разрядный ток до 400 кА) [30].

Сведения о частотном режиме работы установок в субкилоджоулевом диапазоне энергии ис-

точника питания появились сравнительно недавно. Несколько особняком стоят работы корпорации CYMER (США), где для целей литографии был разработан плазменный фокус, работавший в "пакетном" режиме с частотой до 2 кГц при энергии разряда в отдельном импульсе в несколько джоулей [12]. Однако эта установка не была исследована в режиме генерации нейтронного излучения. Лучшие результаты при разработке источника нейтронного излучения, работающего в частотном режиме, достигнуты в цикле работ, выполненных на установках FMPF-2 и FMPF-3 [31, 32]. В этих работах получен нейтронный поток (1.4 ± 0.2) х 107 нейтр/с при работе с частотой 10 Гц при энергии разряда 200 Дж и разрядном токе 103 кА.

В то же время, для целого ряда практических применений, например, для технологий комплексного фотон-нейтронного сканирования для обнаружения скрытых объектов, в том числе взрывчатых веществ, требуются нейтронные потоки >108 нейтр/с [32].

Целью настоящей работы являлось исследование и оптимизация эмиссионных характеристик субкилоджоулевого ПФ при работе в частотном режиме.

Для решения поставленной цели была разработана и создана новая плазмофокусная установка. Работа включала в себя три основных этапа:

разработка оптимальной конструкции плазмо-фокусного устройства;

создание источника питания, обеспечивающего разрядный ток на нагрузку ~100 кА в импульсе при работе с частотой импульсов до 10 Гц;

исследование динамики и эмиссионных характеристик разряда как в режиме одиночных разрядов, так и в частотном режиме.

2. ОТРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ РАЗРЯДНОЙ СИСТЕМЫ НА МАКЕТЕ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ В РЕЖИМЕ ОДИНОЧНЫХ РАЗРЯДОВ

Поскольку физика разряда в частотном режиме изучена слабо, на первом этапе основной целью являлась отработка конструкции и поиск оптимальных рабочих условий в режиме одиночного разряда. Отработка оптимальной конструкции разрядной системы производилась на макете источника питания. В качестве емкостного накопителя был использован конденсатор ИК50-3 емкостью 2.7 мкФ и максимальным зарядным напряжением 50 кВ. В качестве коммутирующего элемента использовался трехэлектродный разрядник, работавший при атмосферном давлении. Величиной межэлектродного зазора определялось максимальное зарядное напряжение конденсатора (в экспериментах оно не превышало

Рис. 1. Фотографии различных вариантов анодного узла с диаметром изолятора 20 мм (а, б) и разрядной системы в сборе (в).

24 кВ, что соответствует рабочему энергозапасу 800 Дж). Изоляция электродной системы была рассчитана на такое же рабочее напряжение. Основная часть экспериментов проводилась при зарядном напряжении 20 кВ (540 Дж).

Для уменьшения индуктивности разрядник и камера ПФ крепились непосредственно на конденсаторе с помощью плоских токоподводящих шин. Измеренная полная индуктивность макета в сборе с разрядной камерой оказалась равной 112 нГн, что позволяло бы в контуре без потерь при напряжении 20 кВ получить максимальный разрядный ток до 100 кА при времени нарастания <1 мкс. В реальном случае при наличии потерь в конденсаторе и разряднике, а также при нагрузке на ПФ с изменяющейся индуктивностью и активными потерями наблюдалась максимальная величина разрядного тока порядка 75 кА.

Поджигающий импульс напряжения 20 кВ подводился к среднему (управляющему) электроду разрядника кабелем РК-75-4 длиной 5 м. В результате удвоения на открытом конце кабеля формировался импульс напряжения с амплитудой 40 кВ и длительностью 50 нс.

На этом макете было исследовано 8 р

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