Компактные излучатели нейтронов на основе явления инерциального электростатического удержания плазмы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Прокуратов Илья Александрович

• Прокуратов Илья Александрович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Прокуратов Илья Александрович

Оглавление

Введение

Глава 1 Литературный обзор. Установки инерциального электростатического удержания плазмы и их место среди источников нейтронного излучения

1.1 Излучатели нейтронов с твердотельными нейтронобразующими мишенями

1.2 Излучатели нейтронов с газовыми нейтронобразующими мишенями

1.3 Излучатели нейтронов с газовыми нейтронобразующими мишенями на базе систем инерциального электростатического удержания плазмы

1.4 Эффективность работы излучателей нейтронов на базе систем инерциального электростатического удержания плазмы

1.5 Сравнение эффективности работы излучателей нейтронов с твердотельными и газовыми нейтронобразующими мишенями

1.6 Выводы к главе

Глава 2 Метод расчета характеристик нейтронного излучения систем ИЭУП

2.1 Метод расчета потока нейтронов систем ИЭУП

2.2 Учет пространственных и временных распределений параметров системы для расчета импульсных систем инерциального электростатического удержания плазмы

2.3 Верификация метода расчета характеристик нейтронного излучения для систем инерциального электростатического удержания плазмы

2.4 Выводы к главе

Глава 3 Импульсный режим работы систем ИЭУП с субмикросекундной длительностью импульсов нейтронов

3.1 Влияние размеров излучателя ИЭУП на работу в импульсном режиме

3.2 Лабораторный стенд импульсного ИЭУП

3.3 Минимизация задержки формирования разряда в камере ИЭУП с предыонизацией

3.4 Генерация нейтронов субмикросекундной длительности в частотно-импульсном режиме работы камеры ИЭУП

3.5 Выводы к главе

Глава 4 Отпаянные компактные излучатели нейтронов на основе явления ИЭУП

4.1 Концепция построения компактной системы ИЭУП отпаянной конструкции на базе технологий изготовления выпускаемых электровакуумных приборов

4.2 Компактная камера инерциального электростатического удержания плазмы с внешними источниками ионов

4.3 Реализация систем ИЭУП на базе компактных излучателей нейтронов

4.3.1 Нейтронный генератор на основе камеры ИУ1-120

4.3.2 Излучатель нейтронов на базе компактной нейтронной трубки на основе явления ИЭУП с мощными ионными источниками

4.4 Выводы к главе

Заключение

Благодарности

Перечень принятых сокращений

Список литературы

Введение

Для решения широкого набора прикладных и исследовательских задач используют различные типы источников нейтронного излучения, например, радиоизотопные (25^ - 2,3 -1012 нейтр./с/г 1 - 3 МэВ, 241Am-Be - 7,7 -108 нейтр./с/г < 11,7 МэВ, и др.) или источники, использующие реакции ядерного синтеза. Радиоизотопные источники имеют ряд преимуществ, в частности, это независимость от источников электропитания и малые габариты. Однако использование реакций синтеза является более перспективным направлением, поскольку они позволяют управлять процессом генерации излучения и регулировать его параметры. Основной интерес для практического использования реакций ядерного синтеза представляют бинарные реакции, в которых в каждом акте ядерного взаимодействия участвуют два ядра, при этом энергетически более выгодными являются реакции, сопровождающиеся такой перегруппировкой нуклонов, при которой возрастает средняя удельная энергия связи ядер. Подобные реакции протекают между легкими ядрами, а наиболее эффективными являются реакции с использованием изотопов водорода дейтерия ф = 2Н) и трития (Г = 3Н), поэтому они являются наиболее востребованными.

Для генерации нейтронов в настоящее время используются реакции дейтерий-тритиевого цикла. Основными типами таких реакций являются:

1. Дейтерий-тритиевые или DT-реакции

^ + 1т ^

2. Дейтериевые или DD-реакции

^ + 1Т ^ 4Не (3,52 МэВ) + п (14,07 МэВ)

2 2Л 3Не(0,82 МэВ) + п(2,45 МэВ)

+ 1D ^ о

1 1 1т(1,01 МэВ) + р(3,03 МэВ)

3. Тритиевые или ТТ-реакции.

3Т + 1Т ^ 4Не + п + п + 11,33 МэВ

Данные реакции используются в нейтронных генераторах (НГ) на основе разных физико-технических принципов, которые реализуются, например, в НГ с твердотельными нейтронобразующими мишенями (ТНМ) на базе нейтронных трубок (НТ), в НГ с газовыми нейтронобразующими мишенями (ГНМ) с инерциальным электростатическим удержанием плазмы (ИЭУП) или в НГ на камерах плазменного фокуса (ПФ).

Широко распространённые на сегодняшний день излучатели нейтронов НГ на основе вакуумных и газонаполненных нейтронных трубок (ВНТ и ГНТ) имеют ряд недостатков. Ресурс ВНТ и ГНТ напрямую связан со временем жизни нейтронобразующей мишени. Мишени на твёрдой подложке подвержены процессу истощения сорбированных реагентов (О и Т), что приводит к невозможности обеспечения стабильности потока нейтронов в течение большого

времени работы. В среднем стабильная работа таких НГ обеспечивается на уровне порядка сотен часов.

Во многих странах изучают возможность использования явления ИЭУП для генерации потоков нейтронов. В системах данного типа реакции ядерного синтеза реализуются с использованием газовой нейтронобразующей мишени, которая формируется внутри газоразрядной камеры при удержании плазмы электростатическими полями специальной конфигурации или в электромагнитных ловушках. ГНМ не изнашивается при работе в отличие от мишеней НТ и может обеспечивать стабильность параметров при длительной наработке. В подобных излучателях взаимодействие ускоренных ионов Б и Т осуществляется с ядрами заполняющего устройство газа или со встречным потоком ускоренных ионов. Взаимодействие ускоренных ионов с конструкционными элементами минимизировано. Данное явление позволяет получать нейтроны в импульсном, частотном и непрерывном режимах.

Приводимые в литературе результаты исследований излучателей нейтронов на принципе ИЭУП показывают возможность получения хороших показателей по ресурсу работы и стабильности потока нейтронов [1,2]. Исследование данного явления для расширения его применения именно как компактных излучателей для промышленных НГ, а не только как исследовательских установок, является важной и актуальной задачей, решение которой позволило бы вывести на новый уровень области техники, связанные с нейтроноактивационным анализом, идентификацией скрытых веществ, досмотровыми системами и т.п. Конечно, ограничивающим фактором использования явления ИЭУП для генерации нейтронов является низкая плотность газовой мишени по сравнению с твердотельной в НТ, и вопрос эффективности генерации излучения в ИЭУП требует отдельного анализа. Но в описанных выше задачах, как правило, достаточно уровня нейтронного потока 106-109 нейтр./с [3,4] (такой уровень связан со временем облучения нейтронами объекта исследования и факторами обеспечения радиационной безопасности при эксплуатации), что является вполне достижимым значением для систем на основе ИЭУП [5,6,7].

Актуальность темы диссертации связана с анализом перспектив использования явления инерциального электростатического удержания плазмы в качестве компактного излучателя нейтронов и обоснованием возможности разработки промышленного образца такого излучателя с хорошей стабильностью и не уступающего другим излучателям по уровню генерируемого нейтронного потока для его внедрения в различные области науки и техники.

Степень разработанности темы исследований

В направлении теоретических и экспериментальных исследований явления ИЭУП и его применения в качестве излучателя нейтронов имеется существенное количество работ. Основной направленностью данных работ является изучение принципов его функционирования

и определение теоретических и экспериментальных пределов его рабочих характеристик. В источниках отсутствуют результаты, обобщающие уровень технической проработанности систем, использующих явление ИЭУП применительно к созданию излучателей нейтронов НГ. Недостаточно проработанным является вопрос эффективности работы данных устройств и возможностей увеличения данного параметра. Наиболее важным является то, что во всех проведенных на данный момент исследованиях и разработках авторы используют уникальные технические решения, которые зачастую сложны в реализации и не обладают должной степенью проработанности, что ограничивает технические характеристики данных устройств. Исследования, направленные на обоснование возможности применения хорошо отработанных технических решений различных узлов выпускаемых электровакуумных приборов, имеют высокий потенциал для развития данного направления.

Целью работы является разработка обоснованных конструктивных и технологических решений для создания компактных излучателей нейтронов на основе явления инерциального электростатического удержания плазмы со стабильным нейтронным потоком на основе исследования и структурирования физических процессов, протекающих в системах инерциального электростатического удержания плазмы.

Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические

задачи:

1) теоретическое обоснование возможности разработки компактных излучателей нейтронов на основе явления ИЭУП, в частности, анализ эффективности генерации нейтронного излучения различными системами с газовыми нейтронобразующими мишенями;

2) разработка метода расчёта выхода нейтронов, позволяющего учитывать основные физические процессы, протекающие в системах ИЭУП, и особенности работы излучателей нейтронов на основе ИЭУП;

3) сравнительный анализ возможностей применения явления ИЭУП для генерации нейтронов в непрерывном и частотно-импульсном режимах;

4) расчетно-экспериментальное обоснование конструкции и режимов работы излучателей нейтронов с газовыми нейтронобразующими мишенями на основе ИЭУП в импульсных режимах и на встречных ионных пучках;

5) исследование возможности использования в составе излучателей нейтронов на основе ИЭУП отработанных технологических и конструктивных решений выпускаемых газоразрядных приборов.

Научная новизна заключается в том, что:

1) научно обосновано, что в импульсных системах инерциального электростатического удержания плазмы фоновый тлеющий разряд с положительной полярностью напряжения на сетчатом катоде и отрицательными высоковольтными импульсами напряжения позволяет обеспечить равномерное горение разряда в межэлектродном промежутке в широком диапазоне давлений, устраняет задержку возникновения тока разряда после подачи импульса напряжения и способствует обеспечению длительности импульса мощности и нейтронного импульса в субмикросекундном диапазоне;

2) впервые обоснована необходимость минимизации размеров электродов и работы с короткими высоковольтными импульсами (0,1 - 1,0 мкс) для реализации режима генерации нейтронов на встречных потоках ионов в импульсных системах инерциального электростатического удержания плазмы;

3) научно обоснована связь временных параметров генерации нейтронного излучения с временными параметрами импульса электрической мощности разряда в импульсных системах инерциального электростатического удержания плазмы;

4) показано, что для получения больших токов основного разряда в нейтронной трубке на базе явления инерциального электростатического удержания плазмы целесообразно использовать дополнительные вытягивающие электроды источников ионов, подавая на вытягивающий электрод напряжение, обеспечивающее минимизацию протекания тока ионов и электронов через них;

5) показано, что в нейтронной трубке на базе явления инерциального электростатического удержания плазмы применение газоразрядных источников ионов позволяет получать в 2 - 3 раза большие значения нейтронного потока в аналогичном режиме работы, чем при использовании высоковольтного тлеющего разряда. Применение дополнительной магнитной фокусировки при использовании источников ионов также позволяет реализовывать примерно на 50 % более эффективные режимы работы.

Практическая значимость работы

1) предложен метод расчета выхода нейтронов систем инерциального электростатического удержания плазмы, верифицированный на цилиндрических и сферических системах инерциального электростатического удержания плазмы, работающих в непрерывном и импульсном режимах, позволяющий проводить оценки потока нейтронов со средним отклонением 30 %;

2) предложен ряд конструктивных и технологических решений для создания излучателей нейтронов на основе инерциального электростатического удержания плазмы, в том числе с

использованием технологий и готовых узлов, применяемых в производимых электровакуумных приборах (нейтронные трубки, камеры плазменного фокуса, водородные тиратроны). Получено 9 патентов РФ на полезные модели RU 192 986 Ш, RU 192 988 Ш, RU 193 506 U1, RU 193 507 Ш, RU 193 577 Ш, RU 193 580 Ш, RU 195 753 U1, RU 195 755 U1, RU 231 590 Ш;

3) предложено техническое решение, позволяющее работать системам инерциального электростатического удержания плазмы в частотно-импульсном режиме генерации нейтронов с наложением высоковольтных импульсов на горящий в фоновом режиме тлеющий разряд постоянного тока при давлениях в диапазоне 10-2 ^ 10-1 торр. Экспериментально подтверждена возможность генерации нейтронов с энергией 2,5 МэВ с потоком до 5 106 нейтр./с, потребляемой мощностью Р = 630 Вт и длительностью импульсов нейтронов ^ ~ 140 нс при частоте до 320 Гц;

4) разработана газоразрядная камера отпаянной конструкции на основе инерциального электростатического удержания плазмы для генерации нейтронов с энергией 14 МэВ в непрерывном режиме с потоком на уровне (1,0 ^ 1,7) • 108 нейтр./с и эффективностью генерации нейтронов 2 105 нейтр./Дж при работе длительными сериями по 6 ^ 9 часов. Получен патент РФ на полезную модель № RU 231 590 Ш;

5) разработана нейтронная трубка отпаянной конструкции на основе инерциального электростатического удержания плазмы с размерами 043*300 мм для генерации нейтронов с энергией 14 МэВ в непрерывном режиме с потоком на уровне 4 106 нейтр./с при напряжении 80 кВ и токе 1,3 мА и эффективностью генерации нейтронов 4 104 нейтр./Дж;

6) разработана нейтронная трубка отпаянной конструкции на основе инерциального электростатического удержания плазмы с размерами 0118*300 мм для генерации нейтронов с энергией 14 МэВ в непрерывном режиме с потоком на уровне 5 107 нейтр./с при напряжении 100 кВ и токе 10,4 мА и эффективностью генерации нейтронов 5 104 нейтр./Дж.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод расчета характеристик нейтронного излучения непрерывных и импульсных систем инерциального электростатического удержания плазмы, отличающийся описанием колебательного движения ионов в системе электродов с использованием расчетных значений прозрачности катода п и эффективности ускорения ионов совместно с рассмотрением пространственных и временных распределений параметров системы, позволяющий проводить сравнительный анализ различных систем инерциального электростатического удержания плазмы со средним отклонением по значению нейтронного потока от экспериментальных значений на уровне 30 % и расчетом формы генерируемых нейтронных импульсов.

2. Метод генерации нейтронного излучения в частотно-импульсном режиме на основе явления инерциального электростатического удержания плазмы, отличающийся минимизацией задержки формирования разряда после подачи высоковольтных импульсов вплоть до нулевых значений за счет уменьшения размеров излучателя и подачи на сетчатый катод субмикросекундных высоковольтных импульсов напряжения отрицательной полярности, накладываемых на фоновый тлеющий разряд постоянного тока с напряжением обратной (положительной) полярности, и позволяющий достигать длительность нейтронных импульсов на уровне сотни наносекунд с эффективностью генерации нейтронов не хуже существующих аналогов.

3. Научно обоснованные конструктивные и технологические решения для создания компактных излучателей нейтронов линейной и сферической геометрии на основе явления инерциального электростатического удержания плазмы, отличающиеся совместной работой группы ионных источников, применением отпаянной конструкции излучателя со встроенным генератором газа и технологий изготовления выпускаемых электровакуумных приборов, и обеспечивающие генерацию непрерывного потока нейтронов до 108 нейтр./с при энергии 14 МэВ с отклонением от среднего значения менее 15 % без снижения среднего нейтронного потока в течение сотен часов работы.

Методология и методы исследований

При проведении исследований в рамках диссертационной работы использована совокупность методов исследований, направленных на решение сформулированных целей и задач. На всех этапах работы в рамках анализа научно-методической литературы проводился поиск и изучение доступной информации по теме исследований и смежным физико-техническим направлениям. Результаты анализа научно-методической литературы стали основой при постановке научных задач, решенных в рамках данной работы. Для анализа количественного и качественного содержания обрабатываемой информации использованы методы систематизации и наглядного представления получаемых результатов с использованием численных методов обработки и методов математической статистики. На протяжении всех исследований выдвигаемые гипотезы опираются на результаты анализа научно-методической литературы, которые впоследствии подтверждаются или опровергаются путем проведения экспериментов и обработки полученных экспериментальных данных. Регистрируемые экспериментальные данные получены с использованием общепринятых методик и методов измерений. В частности, результаты измерений генерируемого системами инерциального электростатического удержания плазмы нейтронного потока получены с использованием приборов, аттестованных как средства измерений.

Хорошее согласие результатов моделирования, расчетов и наблюдений с полученными экспериментальными результатами, а также решение сформулированных задач и достижение цели работы свидетельствует о качественно выстроенной методологии исследований и корректности использованных методов исследований.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается систематическим характером выполненных исследований, согласием результатов моделирования, расчетов и наблюдений с полученными экспериментальными результатами, а также использованием общепринятых методик и методов измерений и обработки экспериментальных данных.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компактные излучатели нейтронов на основе явления инерциального электростатического удержания плазмы»

Апробация работы

Основные результаты диссертации были представлены на 17 профильных конференциях: «Научно-техническая конференция ВНИИА» (2014 [ 8], 2015 [9], 2016 [10], 2017 [11], 2023 [12], 2024 [13]) г. Москва, «XLVI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу» [14], г. Звенигород, конференция «Ядерные и электрофизические установки - источники мощных ионизирующих излучений» ЯЭФУ-2021 [15], г. Снежинск, VIII Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛаПлаз-2022 [16], г. Москва, Международная конференция «Физика низкотемпературной плазмы» (ФНТП-2023) [17,18], г. Казань, III научно-практическая конференция «Физико-технические интеллектуальный системы» ФТИС-2023 [19], ФТИС-2024 [20], г. Москва, «Fortov International Conference on Equations of State for Matter» (2024 [21,22], 2025 [23]), пос. Чегет, Кабардино-Балкария, «International Conference on Matter and Radiation at Extremes» ICMRE-2024 [24], ICMRE-2025 [25], Китай, 31-ая Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Вакуумная техника и технологии» ВТТ-2024 [26], г. Санкт-Петербург, 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024): 17th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows Beam and plasma sources [27], г. Томск.

Публикации

Основные положения и выводы диссертационного исследования опубликованы в 4 научных статьях в рецензируемых изданиях, в том числе 1 статьи в изданиях, включенных в перечень, сформированный Минобрнауки России [28], и 3 статьи в изданиях, индексируемых в международных базах данных Scopus и Web of Science [29,30,31], получены 11 патентов Российской Федерации на полезную модель [32-42], 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ [43,44].

Личный вклад автора

Все выносимые на защиту результаты и положения диссертационной работы получены и разработаны автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке, проведении и обработке результатов всех экспериментов и расчетов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 157 страниц машинописного текста, 85 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 151 наименований российских и зарубежных авторов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, приведена практическая значимость полученных результатов и представлены положения, выносимые на защиту.

В главе 1 проведен литературный обзор трех принципов осуществления реакций ядерного синтеза, используемых в современных нейтронных генераторах, рассмотрены основные примеры реализации систем ИЭУП, предложена их классификация и выделены их основные характеристики. Проведено сравнение основных параметров систем ИЭУП с нейтронными генераторами других типов на основе газовых и твердотельных мишеней, включая газонаполненные и вакуумные нейтронные трубки и камеры ПФ. Сравнение эффективности генерации нейтронов (нейтр./Дж) систем ИЭУП и излучателей нейтронов других типов с твердотельными и газовыми нейтронобразующими мишенями позволило определить области интересов и развития систем ИЭУП.

В главе 2 рассмотрены основные физико-технические особенности работы систем ИЭУП, описан метод расчета нейтронного потока систем ИЭУП, работающих в непрерывном и импульсном режимах. Метод основан на пучково-мишенном механизме генерации нейтронов с последовательным расчетным определением внутренних параметров систем ИЭУП, включающих в себя прозрачность центрального электрода п и эффективность ускорения ионов в межэлектродном промежутке камеры ИЭУП, а также построении пространственно-временных диаграмм основных параметров системы. Приведены результаты верификации метода для импульсных и непрерывных систем ИЭУП на основе имеющихся литературных данных.

В главе 3 на основе расчетов с использованием предложенного метода проведено обоснование использования частотно-импульсного режима работы систем ИЭУП с субмикросекундными импульсами напряжения. Описана экспериментальная реализация такой системы и основные физические процессы, сопровождающие её работу. Показаны

конструктивные и схемотехнические решения, позволяющие реализовывать в системах ИЭУП частотно-импульсные режимы работы с интенсивностями нейтронного потока, не уступающими используемым промышленным образцам генераторов нейтронов.

В главе 4 на основе расчетов с использованием предложенного метода и экспериментальных исследований обоснована возможность применения узлов выпускаемых электровакуумных приборов (ГНТ с ТНМ, камер ПФ, водородных тиратронов) для создания компактных излучателей нейтронов на базе ИЭУП для генерации непрерывного потока нейтронов. Описаны разработанные варианты реализации подобных систем и их основные характеристики, в частности: 1) макет нейтронной трубки диаметром 43 мм с полым катодом на основе ИЭУП, с двумя малогабаритными источниками ионов, расположенными соосно и направленными друг навстречу другу; 2) нейтронная трубка диаметром 118 мм с двумя мощными источниками ионов, расположенными соосно и направленными друг навстречу другу; 3) сферическая камера ИЭУП диаметром корпуса 120 мм с восемью маломощными ионными источниками. Описаны достижимые характеристики таких систем, особенности конструкции, их основные преимущества и недостатки.

Глава 1 Литературный обзор. Установки инерциального электростатического удержания плазмы и их место среди источников нейтронного излучения

Среди широкого набора источников нейтронного излучения отдельно можно выделить нейтронные генераторы, отличительной особенностью которых является возможность управления процессом генерации излучения. Подобные устройства обеспечивают генерацию нейтронов за счет протекания реакций ядерного синтеза, обычно при взаимодействии изотопов водорода дейтерия и трития (ВО-, БТ- или ТТ-реакции). Большинство подобных устройств строятся по принципу ускорителей заряженных частиц, в которых ионизованные молекулы и атомы Б или Т ускоряются, приобретая достаточную энергию для эффективного протекания реакций синтеза, и попадают в нейтронобразующую мишень, состоящую или частично состоящую из молекул и атомов Б или Т. Поскольку наиболее часто в подобных устройствах необходимая энергия для протекания реакций синтеза передается взаимодействующим частицам при их ускорении электрическими полями, широко развит подход к описанию подобных систем, основанный на ускорительном или пучково-мишенном механизме генерации нейтронов. Данный подход подразумевает наличие ускоренных пучков ионов, налетающих на нейтронобразующую мишень, в качестве которой могут выступать различные элементы конструкции НГ или области пространства, заполненные газом или плазмой.

НГ представляют собой сложные электроприборы, состоящие из большого количества отдельных узлов и блоков, каждый из которых отвечает за свою часть принципа работы данных устройств. Основным элементом, обеспечивающим процесс генерации нейтронного излучения, являются излучатели нейтронов. В качестве излучателей нейтронов в разных типах НГ используют нейтронные трубки (НТ), газонаполненные (ГНТ) [45] и вакуумные (ВНТ) [46], камеры плазменного фокуса (ПФ) [47], системы с инерциальным электростатическим удержанием плазмы (ИЭУП) [48], и другие. Часто подобные системы не относят к одному из перечисленных типов, поскольку они напрямую не имеют обособленных элементов того или иного типа или совмещают в себе особенности разных излучателей. Например, НГ, не имеющие в своем составе НТ, но ее функции выполняются вакуумной системой, содержащей линейный ускоритель заряженных частиц и нейтронобразующую мишень [49], или установки плазменного фокуса, которые не имеют съемной и заменяемой камеры ПФ [50]. Излучатели нейтронов можно разделить по агрегатному состоянию используемых в них нейтронобразующих мишеней. Это излучатели с твердотельными нейтронобразующими мишенями (ТНМ) и с газовыми нейтронобразующими мишенями (ГНМ). ТНМ представляет собой металлическую подложку с нанесенным на нее сорбирующим слоем (Т1, 2г и др.) с

помощью различных технологических процессов сорбирующий слой мишени насыщается дейтерием, тритием или их смесью до атомных отношений между сорбируемыми и сорбирующими атомами вплоть до 2-х [51] для обеспечения максимальной вероятности взаимодействия налетающих на нейтронобразующую мишень ускоренных ионов именно с ядрами Б или Т, а не с металлом. ГНМ представляет собой область пространства, заполненную молекулами и атомами дейтерия, трития или их смеси в газообразном и ионизованном состояниях. Одним из вариантов реализации устройства с ГНМ являются системы ИЭУП, которые могут рассматриваться в качестве перспективных компактных излучателей нейтронов с ГНМ. Поэтому в данной главе рассмотрены основные особенности систем ИЭУП и выделены направления развития таких устройств для их реализации в виде компактных излучателей нейтронов. Важным параметром работы НГ является эффективность генерации нейтронного излучения х (или энергетическая цена нейтрона - количество нейтронов, генерируемых системой на один вложенный в процесс генерации джоуль энергии). На первый план выходит именно агрегатное состояние нейтронобразующей мишени ввиду существенной разности в плотностях ТНМ и ГНМ и, соответственно, в концентрациях взаимодействующих частиц в них. Поэтому в главе также проведено сравнение эффективности работы систем с ТНМ и ГНМ для определения места ИЭУП среди различных излучателей нейтронов.

1.1 Излучатели нейтронов с твердотельными нейтронобразующими мишенями

В общем случае НГ с ТНМ представляют собой различные варианты линейных ускорителей заряженных частиц, адаптированные для генерации нейтронов с использованием реакций ядерного синтеза. По удобству применения можно разделить данные типы устройств на нейтронные трубки [45,46] (отпаянные электровакуумные приборы, позволяющие осуществлять работу без дополнительной, часто громоздкой и дорогостоящей вакуумной аппаратуры) и генераторы, интегрированные в вакуумные стенды [49], для которых требуется постоянная работа вакуумной системы откачки и подачи рабочего газа. Для ряда промышленных применений [52] требуются максимально компактные и простые в управлении источники нейтронов, и в целом излучатели на базе НТ являются более предпочтительным вариантом реализации систем с ТНМ, поскольку по многим показателям они не уступают генераторам, интегрированным в вакуумные стенды. Далее по тексту излучатели с твердотельными мишенями будут рассматриваться на примере компактных НТ, при этом можно отметить, что высказанные особенности работы данных устройств будут справедливы и для других типов излучателей с ТНМ.

Простейшая схема НТ с ТНМ, показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Схема НТ с ТНМ. 1 - источник ионов; 2 - область ускорения и формирования пучка ионов; 3 - нейтронобразующая мишень; 4 - герметичный корпус с высоковольтными изоляторами; 5 - система поддержания рабочего давления

В данных излучателях используют разделение в пространстве областей, отвечающих за отдельные составляющие генерации нейтронов. В источнике ионов (ИИ) 1 происходит наработка ионов Б или Т для их последующего ускорения на нейтронобразующую мишень. Ускорение и формирование конфигурации пучка ионов происходит в области ускорения и фокусировки 2, которая представляет собой систему из нескольких электродов, имеющих специальную геометрию и расположение. Ускоренные ионы из области 2 попадают в нейтронобразующую мишень 3, где и вступают в реакции ядерного синтеза, в результате которых рождаются нейтроны. Процессы наработки ионов и их ускорения на нейтронобразующую мишень происходят в объеме внутри герметичного корпуса прибора 4, который обычно представляет собой керамический или стеклянный изолятор. Рабочие условия по давлению газа поддерживаются специальными системами 5, обычно представляющими собой термодесорбционные газопоглотители [53], поглощающие газ при остывании и выделяющие его при нагревании.

В настоящее время, в основном, различают два типа нейтронных трубок: ВНТ и ГНТ, в зависимости от физических принципов и технических решений, заложенных в них. Основными двумя факторами, отличающими данные типы трубок, являются различия в типах ИИ и в давлении рабочего газа. Для сравнения, на рисунке 1.2 схематично приведены примеры ИИ, используемых в ВНТ и ГНТ.

«а» «б»

Рисунок 1.2 - Примеры конструкции ИИ ВНТ и ГНТ. а - искровой ИИ ВНТ (1 - анод, 2 - катод, 3 - поджигающий электрод, 4 -изолятор); б - ИИ типа Пеннинга ГНТ (1 - катод, 2 - антикатод, 3 - анод, 4 - изолятор, 5 - магнит)

В ВНТ обычно используют искровые ИИ, в которых ионы Б и Т испускаются плазмой искрового разряда между катодом и анодом ИИ, и где разряд инициируется с помощью поджигающего электрода. Поскольку ВНТ специально не заполняются Б или БТ-смесью, а работа осуществляется при достаточно низком давлении остаточных газов в трубке (~ 10-5 торр), искровой разряд горит в атмосфере паров веществ, испаряемых с электродов ИИ. Для того, чтобы в плазме искрового разряда ИИ присутствовали в достаточном количестве ионы изотопов Б или Т, в конструкцию ИИ вносят специальные элементы, изготовленные из Т1, 2г или других материалов, насыщенные изотопами водорода [54].

В ВНТ реализуется практически идеальный случай разделения процессов наработки и ускорения ионов, поскольку давление в трубке низкое, в результате чего взаимодействием ускоренных ионов с частицами фонового газа можно пренебречь, и можно считать, что реакции синтеза происходят только при попадании ускоренных ионов в мишень. В ускоряющий промежуток ионы попадают примерно из одной области пространства и проходят одну и ту же разность потенциалов при ускорении. Пренебрегая некоторыми различиями в первоначальной энергии ионов и разностью их траекторий при рассмотрении таких систем, можно считать, что спектр налетающих на мишень ионов является моноэнергетическим.

В ГНТ используют газоразрядные ИИ, в которых реализуют различные формы газового разряда, в основном несамостоятельного. Для его зажигания и поддержания горения требуется наличие некоторых дополнительных условий (например, внешнего магнитного поля или дополнительных электронных эмиттеров). Отличительной особенностью ГНТ является то, что внутренний объем трубки заполняется рабочим газом (Б или БТ-смесью) при давлениях ~ 10-3 торр, что необходимо для обеспечения достаточно большой длины свободного пробега ускоренных ионов при их движении к нейтронобразующей мишени, а также для поддержания

процессов горения разряда в ИИ в течение необходимого времени. В отличие от ВНТ, в ГНТ возможна реализация не только импульсных и частотно-импульсных режимов работы, но и реализация непрерывного режима.

Излучатели нейтронов с ТНМ получили широкое применение в области нефтегазового каротажа [52], нейтроноактивационного анализа [55], в медицине [56] и других высокотехнологичных отраслях промышленности. Большой интерес к излучателям с ТНМ привел к хорошей проработанности данной технологии и большому количеству проведенных в данном направлении исследований. В целом отличительной особенностью таких систем можно выделить отработанность конструкции и режимов работы. Для более детального рассмотрения данного типа излучателей и проведения сравнительных анализов в работе изучены некоторые образцы ГНТ, ВНТ и НГ на их основе, опираясь на литературные данные.

В работе рассмотрен ряд излучателей на базе НТ, сравнительные характеристики которых приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

№ Наименование У, нейтр./с и, кВ I, мкА Режим работы Тимп., мкс Частота, Гц Ресурс, ч х, -106 нейтр. /Дж

1 [57] НГ на ГНТ НГ14 2-1010 600 Вт непр. - - 300 33,3

2 [58] ГНТ Ж83-Р2044 1-108 80 85 имп. 30 >10000 250 14,7

3 [58] ГНТ АРЕВ-40 1108 80 85 имп. /непр. 30 >10000 400 14,7

4 [58] ГНТ АРЕВ-28 1108 80 85 30 >10000 350 14,7

5 [58] ИНГ на ГНТ МФНГ-341 1108 16 Вт имп. /непр. - <20000 - 6,3

6 [58] ИНГ на ГНТ МФНГ-601 1108 16 Вт имп. /непр. - <20000 - 6,3

7 [58] ИНГ на ГНТ МФНГ-701 1108 16 Вт имп. - 1000 * 20000 - 6,3

8 [58] ВНТ Ж83-Р919 4-108 120 - имп. 0,6 * 1,0 20 107* -

9 [58] ВНТ ТИС-5 2-109 115 * 130 - имп. 1,5 * 3,0 30 3-106* -

1-1010 200 5-105* -

10 [58] ГНТ Ж83-Р2044 1108 80 85 имп. 30 >10000 250 14,7

11 [58] ИН на ВНТ Ж83-Р937-02 >1,5-108 - - имп. 0,6 * 1,0 20 50 -

12 [59] НГ на ГНТ штЮеп 1108 60 * 130 20 * 70 имп. >5 0,5 * 20000 4500 33,0

3-108 1500

13 [59] НГ на ГНТ МР 320 1108 95 60 имп. /непр. 5 250 * 20000 1200 17,5

14 [59] НГ на ГНТ Б 711 2-1010 160 3000 непр. - - 1000 41,7

15 [59] НГ на ГНТ АР1 120 2-107 90 50 непр. - - 1200 4,4

* - значения ресурса указаны по количеству генерируемых импульсов.

Широкий спектр рабочих характеристик данных изделий показывает, что для реализации каждого нейтронного генератора требуется уникальный подход по выбору варианта его исполнения и обоснованию режимов его работы. Анализируя литературные данные, можно отметить, что общей тенденцией при выборе рабочих параметров излучателей нейтронов и НГ является использование более высоких ускоряющих напряжений для увеличения нейтронного выхода. Это можно наблюдать на графике, приведенном на рисунке 1.3, где приведены данные по используемому ускоряющему напряжению в НГ на базе ГНТ и ВНТ с различным нейтронным выходом.

1,0Е+11 1,0Е+10

ю о К

0

1 £ 1,0Е+09

= 'ё о Е

§ 1,0Е+08 С

1,0Е+07

о „ - " о о

70

—I—

95

170

120 145

Ускоряющее напряжение, кВ

Рисунок 1.3 - Ускоряющее напряжение НГ на базе ГНТ и ВНТ с разными потоками нейтронов

Поскольку требование компактности НГ вносит ограничения на размеры излучателя нейтронов, электропрочность элементов конструкции НТ является ограничивающим фактором. Таким образом, НТ, рассчитанные на генерацию относительно небольших нейтронных потоков изготавливают максимально минимизированных размеров, что не позволяет осуществлять работу с ускоряющими напряжениями более 80 - 100 кВ. НГ, рассчитанные на генерацию больших нейтронных потоков (~1010 нейтр./с и более), являются значительно более громоздкими, и размеры НТ практически не влияют на их рабочие характеристики. Поэтому в подобных НГ стараются использовать более высокие ускоряющие напряжения (вплоть до 300 кВ [60]). Ограничивающим фактором во многом являются технологические возможности электровакуумного производства по габаритам изготавливаемых изделий и технические трудности, связанные с разработкой высоковольтных источников электропитания, рассчитанных на большие ускоряющие напряжения. Можно сделать вывод о том, что, поскольку среди НГ, построенных по одинаковым физическим принципам, наблюдается схожая картина по использованным параметрам источников питания и параметрам излучаемого нейтронного потока, но имеется достаточно большой разброс по показателям ресурса работы, технологии изготовления излучателей нейтронов играют существенную роль и часто являются решающими факторами, определяющими рабочие характеристики НГ.

На основе проведенного анализа можно отметить, что большой спектр различных устройств, построенных по данному принципу, показывает глубокую проработанность данной технологии изготовления НГ и, как следствие, хорошие потребительские качества и востребованность в различных отраслях промышленности. Однако излучатели с ТНМ принципиально не могут обеспечить некоторые параметры нейтронного излучения ввиду изначально заложенной в них физике процессов. ТНМ вырабатывается со временем и является одним из ограничивающих ресурс работы факторов. Кроме того, деградация ТНМ приводит к нестабильности и снижению по мере выработки нейтронного потока. Для ряда практических применений, где требуется непрерывная работа излучателя нейтронов в течение длительных промежутков времени или в условиях, где частая замена излучателя связана с техническими трудностями или экономически не выгодна, ресурс работы излучателя нейтронов и стабильность генерации нейтронного потока в процессе длительной работы выходит на первый план и может иметь решающее значение. К таким областям относятся применения, связанные с активационным анализом состава веществ, например, в горнодобывающих комбинатах и в угольной промышленности или в досмотровых комплексах с большой пропускной способностью, где перерывы в работе излучателя могут приводить к логистическим проблемам и увеличению времени проверки грузов. Далее рассмотрены системы с ГНМ, которые лишены недостатков, связанных со стабильностью параметров ТНМ.

1.2 Излучатели нейтронов с газовыми нейтронобразующими мишенями

К излучателям нейтронов с использованием ГНМ можно отнести широкий спектр устройств, в большинстве случаев работающих по тем же принципам наработки и ускорения ионов изотопов водорода, что и системы с ТНМ, но в которых отсутствует такой элемент конструкции, как нейтронобразующая мишень. В качестве нейтронобразующей мишени отводится некая область пространства, заполненная газом (D, T или их смесью), в которой обеспечиваются наиболее оптимальные условия для протекания реакций синтеза. Одним из примеров использования подхода, который максимально похож на принципы работы ГНТ, для генерации нейтронов с использованием линейного ускорителя ионов дейтерия и ГНМ является НГ, разработанный компанией Phoenix Transforming Nuclear Technology (США). Их НГ [61] построен с использованием СВЧ источника ионов дейтерия с типичным извлекаемым током ионного пучка 35 мА, линейного ускорителя на напряжение 300 кВ с давлением в ускорительной части 10-8 торр и с водоохлаждаемой мишенной камерой длиной 1 м и диаметром около 20 см, заполняемой D до давления 15 торр, используемой в качестве ГНМ. Принцип построения генератора показан на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Прототип НГ Phoenix Transforming Nuclear Technology (США)

Данный НГ использует вакуумную систему с дифференциальной откачкой. В ГНМ поддерживается относительно высокое давление D, а в ускорительной части используется максимально низкое давление для минимизации потерь пучка на взаимодействие с газовой средой. Благодаря применению данного подхода в НГ реализован рабочий режим с генерацией 5 -1011 нейтр./с при использовании DD-реакции, что позволяет обеспечить эффективность генерации нейтронного излучения х = 4,7 -107 нейтр./Дж.

К другому типу излучателей с ГНМ можно отнести различные пинчевые установки, к примеру, установки типа Z-пинч [62] или установки ПФ [63]. При описании работы данных установок часто отмечают два возможных механизма протекания реакций ядерного синтеза (в частности, для генерации нейтронов) - это термоядерный механизм [64] и ускорительный механизм [65]. Оба механизма имеют место при работе данных устройств, а превалирование одного механизма над другим определяется энергией установок и, следовательно, энергией, передаваемой в пинчевой разряд [66,67].

Особое место среди пинчевых установок занимают установки ПФ. Они обладают достаточно важным достоинством - позволяют осуществлять работу сериями импульсов без длительных промежутков между срабатываниями. На основе сжатия плазмы газового разряда собственным магнитным полем, создаваемым протекаемым через плазму током (пинч-эффект) работают такие мощные исследовательские установки, как Ангара, Х-пинч, ИСКРА, С-300 и другие [68]. В них плотность плазмы достигает значений 1021 см-3 и более, а значение протекающих токов доходит до уровня десятков мегаампер. Подобные источники работают в импульсном режиме и обеспечивают предельные значения выхода нейтронов за одиночный

импульс. Часто работа с ними затруднена необходимостью переборки газоразрядной камеры, замены выгорающих при срабатывании элементов. В отличие от подобных устройств, установки ПФ не требуют постоянной переборки и замены элементов после каждого импульса, а только перекачки рабочего газа в камере [69].

Упрощенно принцип работы установок ПФ, как и других мощных пинчевых установок, заключается в сжатии газоразрядной плазмы в плотный плазменный столб на оси камер ПФ, который впоследствии под действием пинч-эффекта и развития различных неустойчивостей разрывается с генерацией больших электрических полей и формированием на электродах камеры ПФ короткого импульса напряжения, часто превышающего подаваемое на установки ПФ [70]. Согласно ускорительному механизму генерации, разрыв плазменного столба в результате пинч-эффекта приводит к кратковременному формированию пучков ускоренных заряженных частиц (ионов и электронов) с последующей генерацией импульсов нейтронов, мягкого и жесткого рентгеновского излучений [71]. Работа камер ПФ также сопровождается широким спектром различных физических явлений, связанных с импульсными газовыми разрядами. Генерация нейтронного излучения происходит также, как и в случае генераторов на базе ускорителей заряженных частиц, описанных выше, при протекании реакций синтеза на изотопах водорода, при взаимодействии ускоренных пучков ионов с плазмой пинчевого разряда и газом, заполняющим камеру ПФ (давление газа обычно лежит в диапазоне ~ 1 ^ 10 торр). Принципы формирования и ускорения ионов в генераторах данного типа сильно отличаются, но в целом физика процессов генерации нейтронного излучения, а именно взаимодействие ускоренных ионов с ГНМ, такая же, как и во всех излучателях с ГНМ.

НГ на камерах ПФ и сами камеры ПФ ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» сильно выделяются на фоне других аналогичных установок, поскольку представляют собой законченные коммерческие продукты, транспортабельные и поставляемые в полностью готовом к работе виде. При данных преимуществах данные НГ ни в чем не уступают стационарным лабораторным установкам ПФ, а по ряду параметров и превосходят их. Поэтому дальнейший анализ проведен для камер ПФ ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова».

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Прокуратов Илья Александрович, 2025 год

/ - ••

t V \ \ z=1

) ) dKdt . (8)

Поскольку распределение электрического поля в межэлектродном пространстве носит неоднородный характер (это видно, например, в работе [126]) и основную энергию ионы приобретают в непосредственной близости к катоду, для упрощения можно уйти от интегрирования по всему объёму системы ИЭУП, используя следующие предположения. Поскольку ионы набирают основную энергию около катода и пролетают сквозь его внутренний объём с данной энергией, а пролетев, теряют энергию также в непосредственной близости к катоду, то в качестве объёма газовой мишени логично использовать внутренний объём катода Vc. Выражая Soi через площадь катода и его геометрическую прозрачность Soi = n Se и предполагая постоянство генерации нейтронов во времени, выход нейтронов в системах ИЭУП будет записываться следующим образом:

-1 -1

В целом полученное соотношение (9) можно использовать при расчёте систем ИЭУП любых геометрий, работающих только с электрическими полями. Необходимо отметить, что в формуле (9), как говорилось ранее, есть два расчетных параметра (£, и п), определяемые с помощью моделирования или расчетов и оказывающие существенное влияние на итоговые значения выхода нейтронов. Для наглядного подтверждения важности их точного определения проведены расчеты рассматриваемой выше системы (рисунок 2.1) с диаметром анода 100 мм и 150 мм и варьируемыми диаметрами катода Бе с шагом 5 мм. Для каждого случая проводился расчет распределения потенциала и траектории движения ускоренных ионов в одинаковых начальных условиях (100 кВ, 1 А, 1 Па). На рисунке 2.3 показаны полученные зависимости п и от Бе. Из зависимостей п(Бе) видно, что увеличение диаметра катода при неизменном количестве шпилек (или увеличения расстояния между шпильками) увеличивает прозрачность, а следовательно, и эффективность работы системы. При этом значительный прирост прозрачности осуществляется только при увеличении диаметра небольших катодов.

«а»

«б»

Рисунок 2.3 - Зависимости прозрачности (а) и эффективности ускорения (б) от диаметра катода

На зависимостях (Ос) видно наличие изломов, после которых происходит более резкий спад эффективности ускорения в системе электродов. Это объясняется геометрическими факторами конкретных конструкций, однако может быть неочевидно без расчетного моделирования.

Предложенный метод позволяет проводить оценки потока нейтронов систем ИЭУП. Он может быть особенно полезен в случаях, когда необходимо проводить исследования в рамках оптимизации известной конструкции или подбора основных параметров системы электродов излучателей нейтронов на базе ИЭУП. В условиях проведения расчетов и анализа существующих установок при недостаточности информации о различных тонкостях конструкции или рабочего режима можно предварительно определять уровень ожидаемого технического результата, а также проводить оценки достоверности получаемых результатов и по работе систем ИЭУП. В случае, когда имеется полный набор данных о конструкции системы

электродов, результаты расчетов параметров разряда или предварительные экспериментальные результаты предложенный метод может быть дополнен и уточнен, обеспечивая возможность учета пространственного распределения концентрации ускоряемых ионов рабочего газа, их распределением по энергиям, рабочей температурой и другими факторами, что позволит в необходимой степени детализировать принципы и особенности работы каждой отдельной системы ИЭУП.

Таким образом, использование пучково-мишенного механизма генерации нейтронов, дополнительный учет колебательного движения ионов в системе электродов, использование расчетных значений прозрачности катода п и эффективности ускорения ионов позволяет сформулировать метод расчета характеристик нейтронного излучения непрерывных (с использованием соотношения 9) и импульсных (с использованием соотношения 8) систем ИЭУП.

2.2 Учет пространственных и временных распределений параметров системы для расчета импульсных систем инерциального электростатического удержания плазмы

В отличие от систем, работающих на постоянном токе, для импульсных систем процесс расчета нейтронного выхода усложняется наличием переходных процессов и, как следствие, изменением параметров системы ИЭУП от времени. Для проведения расчетов таких систем возможно прямое использование соотношения (8) без введения упрощений для систем, работающих на постоянном токе и проводя интегрирование по времени. Для наглядности рассмотрим более подробно систему [87], описанную в главе 1 (рисунок 1.17), результаты расчетов которой приведены в таблице 2.1.

В работах [87,135] описана сферическая система ИЭУП, на которой проводились эксперименты при работе в режимах постоянного тока и в импульсных режимах. Для ее описания с использованием предложенного метода расчета необходимо в качестве начальных данных задаться зависимостями тока и напряжения от времени, характеризующими импульсный режим работы, а также определить основные зависимости параметров системы от ее геометрических особенностей. В связи с тем, что при анализе работы данной системы решается соотношение (8) в интегральном виде, то целесообразно также задаться зависимостями всех рассматриваемых величин от пространственных координат (в данном случае, для упрощения расчетов уместно предположить полную сферическую симметрию решаемой задачи и рассматривать зависимости электрического потенциала, сечения и концентрации только от одной пространственной координаты - г). На рисунке 2.4 приведены восстановленные по данным рисунка 1.17в из работы [ 87] осциллограммы импульсов тока и напряжения.

10 5 0 -5 -10

300 т 200 100 + 0

60

- 9 мкс —

- 1(1)

32 мкс и(1) :

1 Ц---------------- А- ■ ■ 1 ■ ■ ■ 1 ■ ■ ■ 1 ■ ■ ■

50 25 0

-25

-50

кВ

20

40 1, мкс «а»

60

80

0

20

40 1, мкс

«б»

1—I—I—I—I—I 60 80

Рисунок 2. 4 - Осциллограммы импульсов тока и напряжения (а) и мощности (б) импульсной

системы ИЭУП

По приведенным осциллограммам можно отметить некоторые особенности работы систем ИЭУП в импульсном режиме. Во-первых, основной и, вероятно, самой существенной особенностью импульсного режима является наличие задержки в развитии тока разряда относительно переднего фронта импульса напряжения, прикладываемого к электродам. Данная особенность может являться ограничивающим длительность нейтронного импульса фактором. Во-вторых, при зажигании в системе разряда и протекании тока происходит некоторая просадка напряжения на электродах, в результате чего от изначально прикладываемого к электродам напряжения остается только часть, что также уменьшает эффективность работы системы. В-третьих, протекание существенных токов разряда приводит к более быстрой разрядке конденсаторной батареи и, как следствие, к достаточно резкому спаду напряжения на электродах, также накладывая ограничения на длительность процесса генерации нейтронов. В итоге можно сделать некоторые выводы об особенностях работы импульсных систем ИЭУП. Первое: поскольку процесс генерации нейтронов определяется совместным наличием на осциллограммах в один и тот же момент времени и разрядных токов, и напряжения на электродах, достаточно просто можно ориентироваться по импульсу мощности разряда (рисунок 2. 4б). Вторым выводом является то, что на параметры генерируемых нейтронных импульсов оказывает влияние не только конструкция системы электродов и газодинамические

0

параметры, но также тип и параметры используемой электрической схемы системы импульсного электропитания. Рабочие параметры рассматриваемой системы приведены в таблице 2.1.

Помимо зависимостей тока и напряжения от времени, в качестве начальных условий необходимо задаться распределением электрического потенциала в системе электродов для определения зависимостей от координаты скорости ионов, их концентрации и сечения реакции. Используя программу численного моделирования распределения электрического потенциала в пространстве, с помощью метода конечных элементов [ 131] получена зависимость эффективности ускорения ионов разряда в рассматриваемой системе ИЭУП от координаты (рисунок 2.5).

Таблица 2. 1

Параметр

Значение

Геометрия

Сферическая, двухэлектродная

Диаметр анода, Ба

30 см

Диаметр катода, Бе

7 см

Диаметр проволоки, из которой сделан катод, ё

1,2 мм

Конструкция катода

5 колец 0 7 см

Геометрическая прозрачность катода, п

0,89

Коэффициент объемного тока, ц

8,2

Тип рабочего газа

Б

Давление рабочего газа, р

1,7 Па

Амплитуда импульсов напряжения, Ип

43 кВ

Амплитуда импульсов тока, 1п

7 А

Длительность импульсов напряжения,

32 мкс

Длительность импульсов тока, ^

9 мкс

Длительность импульсов мощности, 1р

8 мкс

г, м

Рисунок 2.5 - Зависимость эффективности ускорения от координаты

Данная зависимость определяет то, какие значения принимает электрический потенциал в пространстве системы электродов относительно прикладываемого к электродам напряжения. Умножая данную зависимость на значение напряжения в каждый момент времени (рисунок 2.4а), получаем пространственно-временную диаграмму распределения электрического потенциала в системе, определяющую энергии взаимодействующих частиц (ионов Б) в каждой точке системы электродов в каждый из рассматриваемых моментов времени (рисунок 2.6).

12о1

О 8 16 24 32 40^ 48 56 64 72 80

I, МКС

-36 -33 -30 -27 -24 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 ф, кВ

Рисунок 2.6 - Пространственно-временная диаграмма распределения электрического

потенциала

Пользуясь полученной пространственно-временной диаграммой распределения электрического потенциала, определяются аналогичные пространственно-временные диаграммы сечения реакции В(ё,п)3Ие (используя аналитическое соотношение, приведенное в

работе [125]), скорости и концентрации ионов дейтерия ^2+). Полученные соотношения приведены на рисунке 2.7.

«в» «г»

Рисунок 2.7 - Пространственно-временные диаграммы распределения: а - сечения реакции D(d,n)3He; б - скорости ионов дейтерия; в - концентрации ионов дейтерия; г - количества

генерируемых нейтронов

На основе полученных диаграмм рассчитана пространственно-временная диаграмма количества генерируемых нейтронов в зависимости от времени и координаты относительно центра системы электродов (dY(t)/dr) в дифференциальном виде (рисунок 2.7г). Проводя численное интегрирование данной зависимости по объему (с учетом сферической симметрии решаемой задачи) рассчитана зависимость потока нейтронов, генерируемых системой, от времени или форма генерируемого импульса нейтронов (рисунок 2.8). На рисунке 2.8 наглядно

показана рассчитанная форма генерируемого рассматриваемой системой ИЭУП нейтронного импульса, и путем наложения данного импульса на импульс мощности разряда показана хорошая сходимость временных параметров импульсов и их формы.

1, мкс

Рисунок 2.8 - Рассчитанные формы нейтронного импульса и импульса мощности разряда

По приведенным результатам наглядно показана возможность использования импульса мощности разряда для оценки параметров генерируемых системой нейтронных импульсов. Интегрирование данной зависимости У(1) по времени позволяет получить значение интегрального нейтронного выхода, генерируемого системой за один импульс. Полученное значение нейтронного выхода составило 1,4 103 нейтр./имп., что согласуется с экспериментальным результатом (1,6 • 103 нейтр./имп.).

Полученные в данном разделе результаты показывают, что учет пространственных и временных распределений параметров системы позволяет наглядно описывать работу систем ИЭУП (в частности, импульсных), определять форму генерируемых нейтронных импульсов, а также проводить сравнительный анализ различных систем ИЭУП не только по уровню генерируемого нейтронного потока, но и по распределению его характеристик в пространстве.

2.3 Верификация метода расчета характеристик нейтронного излучения для систем инерциального электростатического удержания плазмы

Для верификации описанного метода расчёта потока нейтронов для систем ИЭУП проведён анализ установок, описанных в литературе. На основе геометрических и электротехнических параметров этих установок рассчитан поток нейтронов по предложенному методу и затем сопоставлен с экспериментальными значениями потока нейтронного излучения. Анализ проведён для описанных в литературе режимов работы систем ИЭУП при использовании Б, работающих на постоянном токе в диапазоне нейтронного потока от 7-104 до 2,5-108 нейтр./с. Основные параметры систем приведены в таблице 2.2. По аналогии с анализом систем ИЭУП, работающих на постоянном токе, можно сравнить работу импульсных систем. Для проведения анализа выбраны несколько импульсных систем ИЭУП, в описании которых

присутствует информация о геометрии системы электродов, о давлении и типе рабочего газа и о параметрах их электропитания. Рассмотрен диапазон нейтронного выхода от 1,6-103 до 5,2-108 нейтр./имп. Параметры проанализированных систем ИЭУП, работающих в импульсном режиме, приведены в таблице 2.3. В столбце экспериментального и расчетного потока нейтронов приведены данные, адаптированные под режим работы с частотой следования импульсов 1 Гц (для удобства сравнения с системами ИЭУП, работающими в непрерывном режиме). Данные значения, по сути, являются показателями нейтронного выхода за один рабочий импульс, а графа мощности разбита на энергию в одном импульсе и характерную длительность импульса.

Таблица 2.2

Организация Наименование системы Геометрия U, кВ I, мА Р, кВт П § И £р О г и Н >Н S н о >н 55 н ж у CP х н о ж н Ссылка

NSD NSD-7 Ц 120 15 1,80 0,86 0,99 2,3 -107 8,3 •Ю6 12,8

NSD NSD-6 Ц 80 4 0,32 0,86 0,99 2,0 -106 1,4 -106 6,3 [2]

NSD NSD-5 Ц 50 0,5 0,03 0,86 0,99 7,0-104 8,6 •Ю4 2,3

UW 10C-27C Ц 100 30 3,00 0,91 0,93 7,0-106 1,2 -107 2,3

UW 20S-40S С 100 30 3,00 0,95 0,88 3,5 Л01 4,3 •Ю7 11,7 [105]

UW 10S-50S С 100 30 3,00 0,91 0,94 1,7 Л01 1,1 •Ю7 5,7

UW 10S-27C С 100 30 3,00 0,91 0,93 1,1 -107 1,1 -107 3,7

UW Michalak С 150 100 15,0 0,93 0,95 2,5 -108 7,0 •Ю7 16,7 [128]

UW Cipiti С 90 30 2,70 0,93 0,91 1,2 -107 1,1 -107 4,4 [136]

UW Ashley I С 60 60 3,60 0,95 0,93 3,0 -107 1,9 •Ю7 8,3 [137]

Kandai Osawa С 27 5 0,14 0,90 0,76 8,2 -104 4,8 •Ю4 0,6 [74]

Таблица 2. 3

Организация Наименование системы Геометрия U, кВ I, А ^мп. Еимп., Дж и ^ s к w ж о^ х £Т ой н Ссылка

UW Ashley II С 96 5 110 мс 5,3 -104 5,2 •Ш8 4,5 -108 9,9 [88]

UW Ashley III С 100 0,5 0,5 мс 2,4 -103 2,7 -105 2,8 •Ю5 0,1

МИФИ Шиканов Ц 60 50 2 мкс 6,0-10° 4,8 •Ш4 4,2 -104 8,0 [138,94]

TITech Yamauchi С 42 7 8 мкс 2,4-100 1,6 •Ю3 2,1 •Ю3 0,7 [87]

Результаты сравнения расчётного потока нейтронов с экспериментальным показаны на рисунке 2.9, согласно которому наблюдается хорошее совпадение расчётных значений с экспериментальными. Сокращенные названия организаций в таблицах 2.2 и 2.3 приведены

согласно таблице 1.6, а названия систем ИЭУП взяты по фамилии первого автора публикации, использованной в качестве ссылки, или по названию системы в соответствующей публикации (для систем NSD названия условные, сокращение организации «МИФИ» соответствует Национальному исследовательскому ядерному университету «МИФИ»).

1^+09 1

1^+08

^ 1^+07 л

>| 1^+06 4 и

1,0E+05 1 1,0E+04 ^ 1,0E+03

0)

СЛ <

CS

'öS

Л О

о 0) 1> Q S о in • i"H Л • 1-Н и с- (N и с- (N Q ьч ьч ьч ^ 0) cd 1 in о « о £ и К • 1-Н Л о

о СЛ < S £ S- о и S- О Ü г—5 S £ СЛ о S £ ei 1

(N СЛ < Э cd >н

Рисунок 2.9 - Нейтронный поток установок ИЭУП: ■ - эксперимент, цилиндрические системы;

- эксперимент, сферические системы; - расчёт; - импульсные системы

Среднее отклонение расчётных значений нейтронного потока от экспериментальных составило 30%, при этом для сферических - 27%, а для цилиндрических - 40%. Максимальное отклонение расчетного значения нейтронного потока от экспериментального составило 72% для случая установки «Michalak» (University of Wisconsin - Madison), работающей с максимальным для систем, работающих на постоянном токе, нейтронным потоком и вкладываемой мощностью 15 кВт. Таким образом, вероятной причиной существенного расхождения может быть отсутствие учета различных температурных эффектов на работу системы ИЭУП. Более высокое среднее значение отклонения расчетных значений от экспериментальных для цилиндрических систем, вероятно, связано с неоднородным распределением параметров систем по длине цилиндрических катодов (влиянием граничных условий). Увеличить точность расчётов можно путем учета распределения ионов по скоростям, распределения электрического потенциала и других факторов. При проведении расчётов использованы значения сечения реакции D(d,n)3He для разных энергий, приведённые в [97].

При проведении верификации предложенного метода с помощью приводимых в литературе экспериментальных результатов показано, что предложенный метод позволяет

проводить сравнительный анализ различных систем ИЭУП со средним отклонением по значению нейтронного потока от экспериментальных значений на уровне 30 %. Также следует отметить, что поскольку, по принципам и физическим процессам, приводящим к генерации нейтронов системы ИЭУП, НГ на базе НТ и НГ на базе камер ПФ достаточно похожи, то разработанный метод расчета характеристик нейтронного излучения может быть адаптирован для расчетов всех перечисленных устройств.

2.4 Выводы к главе 2

По материалам главы можно сделать следующие выводы:

1) в работе предложен метод расчета характеристик нейтронного излучения непрерывных и импульсных систем ИЭУП, отличающийся описанием колебательного движения ионов в системе электродов с использованием расчетных значений прозрачности катода п и эффективности ускорения ионов совместно с рассмотрением пространственных и временных распределений параметров системы. Метод основан на анализе колебательного движения ионов в системе электродов ИЭУП и сопровождающих их процессов, учете особенностей их конструкции и использовании пучково-мишенного механизма генерации нейтронного излучения;

2) метод позволяет проводить сравнительный анализ различных систем ИЭУП со средним отклонением по значению нейтронного потока от экспериментальных значений на уровне 30 %. Показано совпадение результатов расчета с экспериментальными данными по генерируемому нейтронному потоку для различных систем ИЭУП, работающих на постоянном токе и в импульсных режимах в диапазоне нейтронных потоков от 7 -104 до 2,5 -108 нейтр./с и нейтронных выходов от 1,6 -103 до 5,2 -108 нейтр./имп. соответственно;

3) метод расчета характеристик нейтронного излучения импульсных систем ИЭУП (выход нейтронов и длительность нейтронных импульсов) включает в себя рассмотрение пространственных и временных распределений параметров системы ИЭУП, что наглядно описывает работу импульсных систем ИЭУП. Показана возможность применения импульса мощности разряда для определения длительности импульса нейтронного излучения импульсных систем ИЭУП;

4) предложенный метод расчета характеристик нейтронного излучения непрерывных и импульсных систем ИЭУП применим для проведения расчетов различных систем ИЭУП, построенных по любому из принципов реализации, описываемых предложенным в главе 1 классификатором (рисунок 1.7), позволяет проводить сравнения различных систем ИЭУП по их рабочим характеристикам, в том числе по генерируемому нейтронному потоку и может быть

использован для оптимизации уже работающих и при разработке новых излучателей нейтронов на основе явления ИЭУП;

5) на основе проведенных в главе обоснований и исследований сформулировано следующее положение диссертационной работы: метод расчета характеристик нейтронного излучения непрерывных и импульсных систем ИЭУП, отличающийся описанием колебательного движения ионов в системе электродов с использованием расчетных значений прозрачности катода п и эффективности ускорения ионов совместно с рассмотрением пространственных и временных распределений параметров системы, позволяющий проводить сравнительный анализ различных систем ИЭУП со средним отклонением по значению нейтронного потока от экспериментальных значений на уровне 30 % и расчетом формы генерируемых нейтронных импульсов.

Глава 3 Импульсный режим работы систем ИЭУП с субмикросекундной длительностью

импульсов нейтронов

В третьей главе рассмотрены особенности работы систем ИЭУП в частотно-импульсном режиме. В излучателях нейтронов, работающих в режимах частотно-импульсной генерации нейтронного излучения, можно получать импульсы нейтронного излучения миллисекундного и микросекундного диапазонов и достаточный средний поток нейтронного излучения для некоторых прикладных задач активационного анализа и систем обнаружения, к примеру [139]. Снижение длительности отдельных импульсов нейтронов до субмикросекундного диапазона в частотно-импульсном режиме позволяет повысить точностные характеристики таких систем и расширить их функциональные возможности. Поэтому в данной главе проведены исследования импульсных режимов работы излучателей на базе явления ИЭУП, направленные на снижение длительности нейтронных импульсов и обоснование достижимых длительностей с точки зрения протекающих физических процессов в системе ИЭУП. Экспериментальные исследования проведены в режимах с токами разряда амперного уровня для обеспечения достаточного потока нейтронов при работе системы ИЭУП в импульсно-периодическом режиме. В качестве примера реализации в главе проведен анализ работы лабораторного стенда с импульсной системой ИЭУП, рассмотрены направления ее оптимизации, обоснован принцип подбора параметров импульсного режима работы и возможность создания компактного излучателя нейтронов на базе рассматриваемого явления.

3.1 Влияние размеров излучателя ИЭУП на работу в импульсном режиме

Проведенный в предыдущих главах анализ показывает, что системы ИЭУП, работающие в импульсных режимах, не уступают по показателям генерируемых нейтронных потоков и эффективности работы системам, работающим на постоянном токе (рисунок 1.22). При этом для ряда применений импульсный режим работы может быть более предпочтительным, например, для анализа элементного состава различных образцов при добыче полезных ископаемых или поиске запрещенных веществ, реализуемых по принципу импульсной активации быстрыми и тепловыми нейтронами PFTNA (Pulsed Fast Thermal Neutron Activation) вместо мгновенного гамма-нейтронного активационного анализа PGNAA (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis). Поскольку построение излучателя нейтронов на базе высоковольтных газовых разрядов не ведет к возникновению каких-то принципиальных физических ограничений по работе в импульсных режимах, исследования, направленные на разработку импульсного излучателя на базе явления ИЭУП, являются актуальной научно-

технической задачей. Одной из интересных работ, в которой приводится обоснование целесообразности реализации импульсных режимов в системах ИЭУП, является работа [90]. Авторы данной работы вывели критерий соотношения тока разряда и ускоряющего напряжения для обеспечения режимов, в которых существенный вклад в генерируемый нейтронный поток вносит взаимодействие встречных пучков ионов в системах ИЭУП. Данный критерий приводится в виде графика (показан на рисунке 3.1), где приводится кривая, определяющая границу режимов протекания реакций ядерного синтеза при взаимодействии ускоренных ионов с фоновым газом или со встречными ускоренными ионами.

50 100 150 Напряжение, кВ

Рисунок 3.1 - Критерий протекания реакция ядерного синтеза за счет взаимодействий

встречных пучков ионов в системах ИЭУП

Показанные в работе результаты иллюстрируют возможность реализации более эффективных режимов работы систем ИЭУП на встречных пучках ионов при токах разряда амперного диапазона. Однако интерес в данном направлении исследований представляет оптимизация импульсного режима работы по длительности нейтронных импульсов, в частности, по возможности перехода в субмикросекундный диапазон длительностей, а также по эффективности работы. При этом анализ импульсного режима удобно проводить, опираясь на уже рассмотренную в предыдущей главе систему Т1ТееЬ [87].

Поскольку прирост эффективности работы реализуется за счет увеличения процента реакций, протекающих при взаимодействии встречных ионных пучков, для начала необходимо рассмотреть, какие изменения необходимо внести в соотношения, использованные в методе

расчета нейтронного выхода в главе 2. При выводе соотношения (8) и, как следствие, (9) использованы предположения, что генерация нейтронов происходит при взаимодействии ускоренных ионов с фоновым газом, заполняющим систему ИЭУП. Поэтому, используя данные соотношения, будем определять долю реакций синтеза и, соответственно, сгенерированных нейтронов за счет взаимодействий пучков ионов с фоновым газом. Для анализа влияния параметров импульсного режима (длительности и амплитуды разрядного тока) на эффективность процесса генерации нейтронов рассмотрим случай, при котором рассматриваемая система ИЭУП [87] работает в режиме с одинаковой запасаемой в накопителе энергией. Предположим, что при одной и той же вкладываемой энергии возможна реализация режимов разряда с одинаковыми значениями ускоряющего напряжения и различными длительностями токовых импульсов. Тогда амплитуда разрядного тока будет зависеть от длительности импульсов следующим образом:

Е

где: 1(т) - амплитуда разрядного тока, как функция от длительности импульса т; E -вкладываемая в разряд энергия; U - амплитуда ускоряющего напряжения.

Используя определенный в главе 2 параметр - максимальное возможное количество пролётов ионов в системах ИЭУП, как y(t) = min(yi, Y2(t)), где yi - определяется геометрией системы электродов, а y2(t) = tu/ti определяется отношением длительности импульса приложенного напряжения tu ко времени одного пролёта иона в системе ti, преобразуем соотношение (9) к следующему виду:

у(т) \ -1\

4 р /(т) т Vc ' '

(1-т\) к qt Т Sc

-1

(10)

/ /

где: Уфг(т) - количество нейтронов, генерируемых системой за счет реакции ускоренных ионов с фоновым газом в зависимости от длительности импульса т; р - давление рабочего газа; 1(т) - амплитуда тока разряда; Ус - объем катода; п - прозрачность катода; к -постоянная Больцмана; - заряд ионов рабочего газа; Т - температура; Бс - площадь катода; а - сечение соответствующей реакции синтеза; - эффективность ускорения; и - ускоряющее напряжение.

Таким образом, длительность импульса разряда будет влиять на максимально возможное количество пролетов ионов в системе и ток разряда, изменяя нейтронный выход при неизменных параметрах ускоряющего напряжения и вкладываемой энергии.

При рассмотрении реакций, протекающих на встречных ионных пучках, необходимо учитывать ряд особенностей. Во-первых, в качестве концентраций взаимодействующих частиц

выступит концентрация ускоренных ионов, а во-вторых, при взаимодействии встречных потоков ионов их взаимные скорости и энергия взаимодействия будут складываться из суммы скоростей и энергий обоих взаимодействующих ионов (в простейшем случае - удваиваться). Таким образом, соотношение, аналогичное соотношению (10) для учета количества нейтронов, генерируемых системой за счет взаимодействия встречных пучков ускоренных ионов, примет следующий вид:

I-( ( гЮ \ 2

8 Ус т /(т)2 2 7 т, I I г 2, \ \

((1-^) Щ 5С) * ^ 1 У У

где: Yвп(т) - количество нейтронов, генерируемых системой за счет взаимодействия встречных пучков ускоренных ионов в зависимости от длительности импульса т; Vc - объем катода; а - сечение соответствующей реакции синтеза; - эффективность ускорения; и -ускоряющее напряжение; 1(т) - амплитуда тока разряда; п - прозрачность катода; Ш1 - заряд и масса ионов рабочего газа; Бс - площадь катода; Ъ - зарядовое число атомов рабочего газа; е - заряд электрона.

Аналогично случаю генерации нейтронов на фоновом газе, длительность импульса разряда будет влиять на нейтронный выход и эффективность работы системы ИЭУП.

Далее рассмотрим работу системы ИЭУП [87], а именно варианты ее реализации с различными длительностями импульсов. Первоначальная энергия, запасаемая в конденсаторной батарее емкостью 40 нФ, при зарядном напряжении 51 кВ составляет около 50 Дж, при этом с учетом того, что практически половина данной энергии теряется на коммутаторе SW2 (таблица 1.3), а в рабочем режиме напряжение уменьшается до 42 кВ, полезная энергия составляет не более 18 Дж. Дополнительно, учитывая потерю энергии на коммутаторе SW1 и задержку развития тока разряда относительно напряжения (рисунок 1.17б), энергия, передаваемая в разряд в импульсе, не превышает 2,5 Дж, что и приводит к амплитуде тока разряда в 7 А при длительности токового импульса около 8 мкс. Для наглядности рассмотрим три случая: реальный (с энергией 2,5 Дж); режим с идеальным коммутатором SW1 и без задержки тока разряда относительно напряжения (с энергией 18 Дж) и идеальный вариант (с энергией 50 Дж). На рисунке 3.2 приведены соотношения между количеством нейтронов, генерируемых рассматриваемой системой за счет реакций с фоновым газом и со встречными пучками ионов за один рабочий импульс в рассматриваемых случаях.

■ Фоновый газ---Встречные пучки

• Суммарный выход---Фоновый газ

2,5

Г 1 1 г Г Г 1 1 1 1 1

—* 1 1 1 1

/ г 1 2,5 Дж

1 1 1 1 1

Н-.-Н

4 6 1 мкс

«а»

10

■ Фоновый газ---Встречные пучки

п

м

й е н

16

12

8 +

4

0 0

/ 1 18 Дж

1 1 1 1 1

+

+

46 1, мкс

«в»

10

• Фоновый газ---Встречные пучки

с

м

£р трй

е н

50 40

30 :-

20

10

0 0

1 1 1

1 1 1

50 Дж

+

+

46 1, мкс

10

п

м

„я

1т й е н

н П Т 1 1 1 1 1 1 1

2,5 Дж

------ 1 1 1 -----1 ---т ~ ~ 1

Ч-

2

—I-.-146 1, мкс

«б»

Ч 10

■ Суммарный выход---Фоновый газ

п

м

?т й е н

16 12 8 4 0

ч—,—I-46 1, мкс

«г»

Н 10

• Суммарный выход---Фоновый газ

п

м

„я

1т й е н

60

50

40

30 ^

20

10

0 0

46 1, мкс

10

«д» «е»

Рисунок 3.2 - Зависимости нейтронного выхода от длительности импульса разряда системы ТГТесЬ при вкладываемой в разряд энергии 2,5 Дж (а, б), 18 Дж (в, г) и 50 Дж (д, е)

Как видно из приведенных графиков, нейтронный выход за счет взаимодействия ускоренных ионов с фоновым газом во всех рассмотренных случаях превосходит выход за счет взаимодействия встречных пучков ионов. Вне зависимости от вкладываемой энергии в установившемся режиме (при больших длительностях импульсов) вклад выхода на встречных пучках в суммарный выход нейтронов минимален. При уменьшении длительности импульсов за счет соответствующего увеличения тока импульсного разряда вклад процесса генерации на

0

2

8

0

8

0

2

8

2

8

2

8

встречных пучках увеличивается вплоть до 25% от суммарного выхода для случая большой вкладываемой энергии (50 Дж) и маленькой длительности импульсов (1 мкс). Таким образом, режим работы с коротким по длительности импульсным разрядом может быть более эффективным.

Наблюдаемый в расчетах эффект связан с оптимальным сочетанием длительности и амплитуды токовых импульсов и характерными временами колебательного движения ионов в системе ИЭУП (с характерным временем одного пролета иона через сетчатый катод). Следовательно, на увеличение эффективности работы системы должно влиять не только значение вкладываемой энергии, но и размер системы электродов ИЭУП, в частности, диаметр анода (корпуса). Для наглядности в работе рассмотрены три варианта диаметра анода Ба: 30 см (исходный, использованный в работе [87]), 14 см и 60 см при неизменных прочих параметрах и вкладываемой энергии 50 Дж. Рассмотрены варианты, при которых характерные времена одного пролета ионов через сетчатый катод примерно в два раза меньше (Ба = 14 см) и в два раза больше (Ба = 60 см) исходного. Результаты расчетов в виде зависимостей суммарного выхода нейтронов от длительности импульсов приведены на рисунке 3.3.

1;, мкс

Рисунок 3.3 - Зависимости нейтронного выхода от длительности импульса при вкладываемой энергии 50 Дж и разных диаметрах анода для системы ТГГесИ

Приведенные зависимости показывают, что преимущества импульсного режима работы целесообразно реализовывать в системе с малыми размерами электродов, стремясь уменьшить время одного пролета ионов. Также перспективными могут быть режимы с длительностями импульсов субмикросекундного диапазона. Для реализации системы ИЭУП с минимальными размерами системы электродов, исходя из требований высоковольтной изоляции при работе с напряжениями около 100 кВ, опираясь на характерные пробойные напряжения в рабочем диапазоне давлений, характерные минимальные зазоры между электродами высоковольтного ввода лежат в диапазоне 10 - 20 мм. Используя закон Пашена, а именно то, что в рассматриваемой области давлений и расстояний между электродами (в области левой ветви

кривой Пашена) зажигание разряда будет происходить в области больших межэлектродных зазоров, расстояние между сетчатым катодом и анодом (корпусом) должно быть больше 20 мм. Таким образом, наиболее перспективным является использование сферической системы с диаметром анода в диапазоне 100 - 120 мм и соответствующими диаметрами сетчатого катода в диапазоне 20 - 50 мм. Например, при использовании анода диаметром 0100 мм и катода диаметром 025 мм расчетная зависимость нейтронного выхода от длительности импульса при прочих равных параметрах системы приведена на рисунке 3.4.

1;, мкс

Рисунок 3.4 - Зависимость нейтронного выхода от длительности импульса при размерах анода

и катода 0100 мм и 025 мм соответственно

Полученная зависимость показывает возможность практически двукратного увеличения эффективности генерации нейтронного излучения х при минимизации размеров системы ИЭУП и использовании импульсного газового разряда субмикросекундной длительности. Проведенные расчеты показывают возможность улучшения рабочих характеристик систем ИЭУП, работающей в импульсном режиме, в частности, при их использовании в качестве излучателя нейтронов. Ввиду малого количества данных по работе импульсных систем ИЭУП и применения субмикросекундных импульсных систем питания разработка метода генерации в частотно-импульсном режиме с использованием субмикросекундных высоковольтных импульсов и малыми по сравнению с известными системами размерами электродов является актуальной научной задачей. При рассмотрении данного вопроса одним из основных моментов является определение принципиальной возможности работы систем ИЭУП при использовании импульсных режимов горения высоковольтного разряда субмикросекундной длительности. Исследование возможности применения описанного подхода проведено далее в данной главе.

3.2 Лабораторный стенд импульсного ИЭУП

Для исследования работы систем ИЭУП при использовании субмикросекундных импульсов напряжения разработан лабораторный исследовательский стенд. Стенд импульсного ИЭУП разработан на базе вакуумной системы с непрерывной прокачкой рабочего газа через объем вакуумной камеры. Камера выполнена из нержавеющей стали. Она имеет цилиндрическую конструкцию с установленными внутри конусными вставками для создания квазисферической геометрии корпуса. Внутренний диаметр камеры DА = 100 мм. Внутри камеры расположен сферический сетчатый катод, также изготовленный из нержавеющей стали, диаметром Бе = 25 мм. Геометрия камеры приведена на рисунке 3.5. ВВ ввод выполнен из цельного фторопласта Ф4 в качестве изолятора и металлической шпильки 08 мм из нержавеющей стали. Герметичность ВВ ввода обеспечена с помощью эпоксидной смолы с низким содержанием примесей. Напротив ВВ ввода в камере установлено диагностическое окно из боросиликатного стекла для возможности наблюдения за внешним видом горения разряда.

«а» «б»

Рисунок 3.5 - Лабораторный стенд. а - общий вид; б - конструкция камеры ИЭУП. 1 - камера ИЭУП (I - диагностическое окно, II - анод, III - напуск D2, IV - откачка, V - сетчатый катод, VI - ВВ ввод), 2 - металлический корпус с импульсной системой питания стенда; 3 - кабель питания; 4 - датчик давления; 5 - вакуумная система откачки

Вакуумная система стенда (рисунок 3.5) собрана из комбинированной откачной системы TPS-mini Agilent Technologies, широкодиапазонного комбинированного (Пирани и инверсномагнетронного) датчика давления FRG-700 Agilent Technologies и вакуумной арматуры Highlight Tech Corp. Датчик располагался на магистрали откачки на расстоянии ~ 20 см от камеры ИЭУП. Датчик давления не устанавливался непосредственно на камеру ИЭУП, поскольку входящие в его состав магниты оказывали влияние на процессы зажигания и

горения газового разряда в камере. Напуск рабочего газа в камеру осуществлялся с помощью прецизионного вакуумного натекателя Variable Leak Valve 9515106 Agilent Technologies. Работа на начальных этапах осуществлялась с прокачкой атмосферного воздуха через натекатель для отработки электрических режимов схемы питания. Затем работы проводились с использованием D, который подавался на вход натекателя по газовой магистрали из баллона с помощью газового редуктора.

Работа системы откачки и контроля состава и давления газа в разрядной камере ИЭУП осуществлялась следующим образом: в предварительно откачанную до давления около 2 • 10-6 торр камеру напускался D до минимального рабочего давления (около 4 • 10-2 торр) путем задания с помощью натекателя необходимого потока газа в камеру. Затем система вводилась в рабочий режим путем проведения предварительного кондиционирования камеры ИЭУП. Для этого на ее электроды подавалось постоянное напряжение, и в объеме камеры зажигался фоновый тлеющий разряд. После его зажигания на сетчатый катод подавались ВВ импульсы с частотой 10 Гц, амплитуда импульсов плавно поднималась до 90 кВ. В режиме кондиционирования система непрерывно работала не менее 30 минут и выводилась на рабочий режим. Подобные способы кондиционирования вакуумных поверхностей известны [140], а их применение позволило обеспечить повторяемость получаемых результатов и улучшить контроль параметров системы при изменении амплитуды импульсов напряжения и рабочего давления газа в камере. Для обеспечения автоматического контроля давления газа в системе и возможности удаленного задания его значения используемый натекатель был доработан и дополнен мотор-редуктором постоянного тока, питаемым через электронную схему усилителя мощности с обратной связью непосредственно по давлению газа в системе (сигнал, пропорциональный давлению газа, получался с датчика давления FRG-700).

Стабильность поддержания давления в камере ИЭУП с помощью подобного метода в рабочем диапазоне давлений составляла около ±10 %, что, с учетом абсолютной ± 30 % и относительной ± 5 % погрешностей используемого датчика, обеспечивало достаточно четкий контроль рабочего давления.

Принципиальная электрическая схема системы питания стенда ИЭУП приведена на рисунке 3.6.

+ о

5 kV

о

о

~220V о

Рисунок 3.6 - Электрическая схема системы питания стенда ИЭУП

Формирование импульсов высокого напряжения отрицательной полярности на сетчатый катод камеры ИЭУП реализовано путем применения ВВ повышающего трансформатора TV1. Импульсы напряжения на первичной обмотке трансформатора формировались при коммутации заряженной конденсаторной сборки C2 емкостью 40 нФ с помощью тиратрона VT1 (ТПИ1-10к/20 [141]). Параметры импульсов при разряде конденсаторной сборки C2 на первичную обмотку трансформатора TV1 рассчитывались с помощью разработанной программы для ЭВМ [43]. Амплитуда импульсов высокого напряжения достигала - 100 кВ, длительность импульсов на полувысоте (100 ^ 600) нс. Регулировка амплитуды импульсов напряжения на вторичной обмотке TV1 проводилась путем изменения зарядного напряжения конденсаторов C2. Тиратрон VT1 обеспечивал частоту следования ВВ импульсов до 600 Гц. Частота срабатывания тиратрона в первичной цепи трансформатора задавалась генератором AFG1062 Tektronix и контролировалась с помощью цифрового осциллографа TDS3054C Tektronix.

Для реализации предыонизации и зажигания в камере ИЭУП фонового тлеющего разряда, к электродам камеры прикладывалось постоянное напряжение 6 кВ (задавалось однократно при настройке работы стенда). Ток фонового тлеющего разряда составлял ~ 10 мА, он ограничивался путем изменения номинала резисторов R2 и R3 в зависимости от полярности подаваемого напряжения и контролировался по напряжению на резистивном шунте R4 = 10 кОм.

Контроль параметров импульсов напряжения, подаваемых на камеру ИЭУП, осуществлялся с помощью емкостного ВВ делителя напряжения, рассчитанного на работу при

напряжениях до 120 кВ и имеющего собственную емкость 15 пФ и коэффициент деления 1 : 1000. Контроль параметров токовых импульсов производился с использованием интегрирующего пояса Роговского с чувствительностью 0,5 В/А. Интегрирующий пояс

Роговского построен по схеме интегрирования на собственной индуктивности, он имел полностью экранированную конструкцию корпуса. Параметры пояса подобраны с помощью разработанной программы для ЭВМ [44].

Для исключения влияния электромагнитных наводок на работу систем откачки и контроля давления регистрирующей аппаратуры элементы системы питания стенда и высоковольтный ввод камеры размещались в заземленном металлическом корпусе (рисунок 3.5 а).

В качестве системы регистрации параметров нейтронного излучения в работе использованы детекторы двух типов. Для регистрации формы импульсов ионизирующих излучений (тормозного рентгеновского и нейтронного) использовался сцинтилляционный детектор ССДИ8М, имеющий чувствительность к гамма-квантам 10-10 А -см2-с/квант (по источнику 60Со), к нейтронам 3,5 • 10-10 А-см2-с/квант и временное разрешение не хуже 10 нс [57]. Генерируемый системой поток нейтронов регистрировался автоматизированным измерителем нейтронного потока ИНПА на базе 3He-счетчиков. В использованном режиме непрерывного измерения нейтронного потока данный прибор позволяет измерять нейтронные потоки в диапазоне 105 - 109 нейтр./с с абсолютной погрешностью не более 22 % [57]. Для исключения влияния тормозного рентгеновского излучения на показания ИНПА прибор дополнительно закрывался свинцовыми пластинами толщиной 5 мм.

Полная схема стенда приведена на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 - Схема стенда ИЭУП

Питание всех элементов схемы осуществлялось от промышленной сети ~ 220 В 50 Гц за исключением блока контроля давления, питание которого осуществлялось от лабораторного источника биполярного питания ± 15 В PPE-3323 GW Instek. Генератор высоковольтных импульсов системы питания ИЭУП построен на базе водородного тиратрона ТПИ1-10к/20 ООО «Импульсные технологии», управление которым осуществлялось с помощью специального блока запуска тиратрона [141], частота срабатываний задавалась задающим генератором импульсов. Система питания камеры ИЭУП являлась источником электромагнитных наводок, поскольку в первичной обмотке трансформатора с помощью тиратрона осуществлялась коммутация емкостного накопителя с напряжением до 5 кВ и амплитудой токовых импульсов до 1 кА, поэтому данная часть стенда вместе с высоковольтным вакуумным вводом камеры ИЭУП размещены в металлическом корпусе.

Далее рассмотрены особенности работы систем ИЭУП с импульсным газовым разрядом и результаты реализации режима работы с субмикросекундными импульсами напряжения.

3.3 Минимизация задержки формирования разряда в камере ИЭУП с предыонизацией

Одним из актуальных вопросов при работе импульсных систем ИЭУП является наличие задержки формирования разряда и появления тока между электродами после подачи высоковольтных импульсов. Рассмотренные в предыдущих разделах импульсные системы ИЭУП демонстрируют режимы работы с задержками в десятки микросекунд. Наличие подобных задержек в целом вызывает вопросы к стабильности временных параметров таких систем из-за наличия джиттера при развитии импульсных газовых разрядов, а также ставит под сомнение принципиальную возможность использования субмикросекундных высоковольтных импульсов. Описанный выше стенд разработан с возможностью варьирования различных параметров питания камеры ИЭУП и давления дейтерия, он использован для изучения особенностей горения разряда в камере ИЭУП, работающей в импульсном режиме с предварительной ионизацией межэлектродного промежутка. В первую очередь проведены экспериментальные исследования при работе стенда в режиме однократных импульсов. Регистрировались импульсы тока и напряжения разряда. Их характерный вид показан на рисунке 3.8. Нарастание тока происходит с задержкой относительно момента приложения импульса напряжения ввиду времени развития разряда в межэлектродном промежутке. Длительности импульсов тока и напряжения на полувысоте амплитудного значения составляют несколько сотен наносекунд. Фактически для генерации излучения необходимо одновременно обеспечить достаточный уровень напряжения для того, чтобы ионы в системе имели возможность ускоряться до энергий, достаточных для эффективной генерации нейтронов (следуя сечению реализуемых реакций синтеза) и максимально большой ток разряда в импульсе. По рисунку 3.8а видно, что из-за задержки Дt токового сигнала 2 относительно сигнала напряжения 1 , промежуток времени, когда может эффективно протекать генерация нейтронов, составляет несколько сотен наносекунд. Данную особенность работы импульсных систем ИЭУП можно охарактеризовать, используя мгновенную электрическую мощность разряда, которая определялась на основе результатов измерений импульсов токов и напряжений. По длительности tp, получаемого в результате импульса мощности (рисунок 3.8б), отчетливо виден временной промежуток эффективной работы системы. В рассмотренном случае длительность импульса мощности на полувысоте составляет около 100 нс. В целом для повышения эффективности работы системы ИЭУП в импульсном режиме требуется увеличивать длительность, амплитудное и среднее значения импульса электрической мощности

за счет увеличения амплитудных и средних значений импульсов тока и напряжения и их длительности ^ и й, а также за счет уменьшения времени задержки Дt между ними. Длительность импульса электрической мощности tp зависит от характеристик используемого импульсного источника питания и времени задержки между импульсами напряжения и тока разряда. В данной работе не рассматривалась задача оптимизации характеристик импульсного ВВ источника питания, а исследовалось влияние предварительной ионизации газа в межэлектродном промежутке на процессы зажигания импульсного разряда. Предыонизация создает условия для снижения времени задержки между напряжением и током разряда и, как результат, увеличения длительности импульса мощности tp.

5

В

к

2

8 4 0 -4 -8 -12

60

40

20

100

200

300

400

500

600

1 нс

3

0 ^ и-г

-3 -5

Т-1-1-1-1-г

100 200 300 400 500 600 700

^ нс

«а»

700

«б»

Рисунок 3.8 - Характерные формы импульсов. а - напряжение на катоде камеры ИЭУП (1) и ток разряда (2); б - импульс мгновенной

электрической мощности разряда

Исследования проведены при различных режимах обеспечения предыонизации газа, отличавшихся давлением газа (О) в камере, полярностью и значением постоянного напряжения на высоковольтном электроде в паузах между импульсами. Полярность напряжения

0

0

0

предыонизации изменялась путем изменения полярности диодов "Уи1/"Уи2 и "Уи3/"Уи4 в схеме питания (рисунок 3.6).

Особенности горения разряда в камере ИЭУП при различных давлениях дейтерия иллюстрируются фотографиями, а также зависимостями тока предварительного разряда от давления, которые представлены на рисунках 3.9 и 3.10. При положительной полярности предыонизации и плавном увеличении давления разряд зажигается в диапазоне давлений (1,3 ^ 2,0) •Ю-2 торр. Разряд при этом горит стабильно, заполняет весь объем камеры, а амплитуда тока составляет 1рге = (7 ^ 8) мА. Дальнейшее увеличение давления не приводит к изменению общей структуры разряда, амплитуда тока разряда 1рге также не изменяется из-за его ограничения составным резистором (схема рисунок 3.6).

Для отрицательной полярности напряжения предыонизации характерно то, что разряд зажигается при более низком давлении (менее 1,0 •Ю-2 торр), а зависимость тока разряда от давления имеет более плавный характер. Своих максимальных значений (1рге ~ 7 мА) ток достигает при давлении D более 3,5 •Ю-2 торр. Максимум тока разряда в этих условиях ограничен составным резистором R3. Привлекает внимание то, что при отрицательной полярности на фоне объемного свечения отчетливо выделяется лучевидная область разряда, обладающая повышенной плотностью тока. Эта область локализована в нижней части камеры из-за ее привязки к патрубку системы откачки. Подобные плазменные образования являются характерной особенностью разрядов с полым катодом [ 134].

1.0-10-2 торр

( т

+

2.8-10-2 торр

2.040 торр +

6

(ш

+

6

3.440-2 торр +

4»

4.040-2 торр +

5.040 торр +

-

Рисунок 3.9 - Внешний вид разряда в камере ИЭУП при подаче отрицательной и положительной полярности напряжения предыонизации

9 8 7 6

1 5

4 3 2 1

0 , -1-1-1-1-1-1-1-1

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05

р, торр

Рисунок 3.10 - Зависимость тока предыонизации от давления дейтерия в камере ИЭУП при

разных полярностях напряжения предыонизации

В целом по результатам проведенных исследований сделан вывод, что положительная полярность напряжения предыонизации предпочтительнее для работы с камерой ИЭУП в импульсном режиме, поскольку обеспечивает горение стабильного объемного разряда в камере с практически неизменным током разряда в широком диапазоне давлений. В дальнейших

исследованиях варьирование предельного значения тока 1рге осуществлялось путем регулировки номинала резисторов R2 или R3 (в зависимости от полярности прикладываемого напряжения предыонизации) и ограничивалось значениями 6, 10 и 12 мА.

Сравнение режимов работы при отрицательной и положительной полярности предыонизации показало, что длительности импульса высокого напряжения на полувысоте ^ и тока разряда на полувысоте ^ примерно в 1,5 раза больше при положительной полярности предыонизации. Для рабочего давления дейтерия р = 2,2 •Ю-2 торр и 1рге = 7,7 мА при положительной полярности ^ = 220 нс длительность импульса тока разряда составила ^ = 280 нс и задержка между импульсами напряжения и тока (также на полувысоте) составила Дt ~ 100 нс. Тогда, как при отрицательной полярности, значимое пересечение кривых тока и напряжения начинается только при давлении р = 3,0 •Ю-2 торр и более. При р = 3,5 •Ю-2 торр и Грге = 7 мА получены ^ = 220 нс, ^ = 280 нс, Дt ~ 50 нс. Описанные измерения проведены при прикладываемом импульсном напряжении -20 кВ.

Представленные ниже результаты получены для режимов работы системы ИЭУП при положительной полярности напряжения питания разряда предыонизации. Исследования проведены с целью изучения зависимостей амплитудно-временных параметров тока, напряжения и мощности импульсного разряда от режимов предионизации газа в разрядном промежутке. Эти параметры имеют определяющее влияние на условия генерации и выход нейтронного излучения [29]. Эксперименты проведены при следующих режимах работы установки: ток предыонизации составлял 6, 10 и 12 мА, давление D р = 2 •Ю-3 торр, амплитуда импульсов напряжения варьировалась от 5 до 80 кВ.

На рисунке 3.11 представлены зависимости тока импульсного разряда от амплитуды прикладываемого напряжения при разных токах предыонизации. Полученные данные указывают на общую тенденцию роста тока разряда при увеличении амплитуды импульса напряжения. При напряжении 70 кВ и токе предыонизации 12 мА амплитуда тока импульсного разряда достигает 18 А. Для демонстрации влияния предыоинизации на рисунке 3.11 также приведена соответствующая зависимость для режима без зажигания фонового разряда: при напряжении и < 25 кВ ток разряда снизился в 1,5 - 2 раза по сравнению с режимами с предыонизацией (амплитуда тока разряда не превышала 3 А).

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

□ 6 шЛ А 10 шЛ О 12 шЛ 00 шЛ

.О

/ к -■•■ t к

А 0"" г дд- .........А

..о 9- А -А"'"' к......

.Н'1 и □

□

р ..©£ ••••б" .□• ....... -а

оО

0

10

20

30

40 и, кВ

50

60