RU2548005C2 - Plasma source of penetrating rays - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: this device comprises gas discharge chamber composed of two spherical metal electrodes separated by insulator, pulse current generator composed of capacitor bank with HV initiation switch and working gas generator with electric power supply. Besides, it incorporates shunting switch arranged at rear part of electrodes outside the chamber. It is composed of cylindrical discharger with HV electrode and case with spark firing sources arranged thereat. Said switch can be composed of industrial HV semiconductor commutators.

EFFECT: minimised ingress of impurities into discharge chamber, longer life and higher yield of penetrating rays.

3 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам с электрическим разрядом типа "плазменный фокус", и может быть использовано в качестве генератора разовых импульсов рентгеновского и нейтронного излучений для исследовательских и прикладных задач.The invention relates to plasma technology, in particular to devices with an electric discharge of the type "plasma focus", and can be used as a generator of single pulses of x-ray and neutron radiation for research and applied problems.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время в области техники, связанной с разработкой источников высокоэнергетичного ультрафиолетового и рентгеновского излучения, а также нейтронного излучения, широко используются импульсные электроразрядные устройства с формированием высокоплотных плазменных образований (пинчи, микропинчи, плазменный фокус). В момент максимального сжатия происходит сильный разогрев плазмы, что приводит к генерации мощных импульсов мягкого и/или жесткого рентгеновского излучения или нейтронов.Currently, in the field of technology related to the development of sources of high-energy ultraviolet and X-ray radiation, as well as neutron radiation, pulsed electric-discharge devices with the formation of high-density plasma formations (pinches, micropins, plasma focus) are widely used. At the moment of maximum compression, a strong heating of the plasma occurs, which leads to the generation of powerful pulses of soft and / or hard X-ray radiation or neutrons.

Используется различная геометрия электродов: линейная, коаксиальная, сферическая. В зависимости от требуемого спектра и типа излучения (рентгеновское, нейтронное) используется то или иное газонаполнение.Different electrode geometry is used: linear, coaxial, spherical. Depending on the required spectrum and type of radiation (X-ray, neutron), this or that gas filling is used.

Известен источник высокоэнергетического ультрафиолетового и рентгеновского излучения с двумя электродами коаксиальной конфигурации (с центральным анодом) расположенных в вакуумной камере устройства для создания плазменного пинча [патент РФ №2253194 С2, 26.10.2000]. Камера содержит рабочий газ. Источник импульсного питания вырабатывает электрические импульсы с напряжением, достаточным для инициации электрического разряда между электродами. Этот разряд создает в рабочем газе высокотемпературные плазменные пинчи высокой плотности, которые генерируют импульсы излучения в спектральной линии рабочей среды (буферный и активный газы, пары лития) с частотой до 2000 Гц.A known source of high-energy ultraviolet and x-ray radiation with two electrodes of a coaxial configuration (with a central anode) located in the vacuum chamber of a device for creating a plasma pinch [RF patent No. 2253194 C2, 10.26.2000]. The chamber contains working gas. A switching power supply generates electrical pulses with a voltage sufficient to initiate an electrical discharge between the electrodes. This discharge creates high-temperature high-density plasma pinches in the working gas, which generate radiation pulses in the spectral line of the working medium (buffer and active gases, lithium vapors) with a frequency of up to 2000 Hz.

Источник имеет сложные дополнительные системы (литиевый контур и др.), системы электро- и газопитания питания и предназначен для работы в стационарных условиях в области литографии.The source has complex additional systems (lithium circuit, etc.), power and gas power supply systems, and is designed to operate under stationary conditions in the field of lithography.

Мощные транспортабельные импульсные установки на плазменном фокусе (ПФ) с нейтронным выходом ~10¹² нейтр./имп.в импульсе (с энергией нейтронов 14,2 МэВ) и ресурсом 10³ включений и более востребованы в исследованиях по динамической нейтронографии, импульсной нейтронной радиографии, радиологии, материаловедению, радиобиологии и медицине и др. При разработке таких источников приоритетами являются простота конструкции, использование отечественной элементной базы, универсальность модулей блока управления и питания (возможность работы с разными разрядными модулями), эргономичность конструкции, малая себестоимость продукции (экономическая составляющая), качество, безопасность, удобство для потребителя.Powerful transportable pulsed installations at the plasma focus (PF) with a neutron output of ~ 10 ¹² neutrons / pulse per pulse (with a neutron energy of 14.2 MeV) and a resource of 10 ³ inclusions or more are in demand in studies of dynamic neutron diffraction, pulsed neutron radiography, radiology, materials science, radiobiology and medicine, etc. When developing such sources, priorities are simplicity of design, the use of domestic components, the versatility of control and power supply modules (the ability to work with different bit modules), ergonomic design, low production costs (economic component), the quality, safety, convenience for the consumer.

В работе [А.В.Голиков, А.К.Дулатов, Б.Д.Лемешко, П.П.Сидоров, Д.И.Юрков. Разработка лабораторного макета импульсного генератора нейтронов на камере плазменного фокуса с разрядным током до 1,5 МА // Мощная импульсная электрофизика, т. 5, МИФИ, 2008] описан компактный (80×200×200 см³) модульный автономный генератор нейтронов с выходом до ~10¹¹ нейтр./имп. Генератор содержит камеру с рабочим газом, электроды внутри камеры, генератор импульсных токов до 1,5 МА (Т~12 мкс). Конструктивно мобильный генератор оформлен в виде модуля весом 700 кг.In the work [A.V. Golikov, A.K. Dulatov, B.D. Lemeshko, P.P. Sidorov, D.I. Yurkov. Development of a laboratory model of a pulsed neutron generator on a plasma focus chamber with a discharge current of up to 1.5 MA // Powerful Pulse Electrophysics, vol. 5, Moscow Engineering Physics Institute, 2008] describes a compact (80 × 200 × 200 cm ³ ) modular autonomous neutron generator with an output of up to ~ 10 ¹¹ neutral / imp. The generator contains a chamber with a working gas, electrodes inside the chamber, and a pulse current generator of up to 1.5 MA (T ~ 12 μs). Structurally, the mobile generator is designed as a module weighing 700 kg.

Другим вариантом таких источников является малогабаритный импульсный генератор нейтронных потоков наносекундной длительности с выходом ~10⁸ нейтр./имп.[Б.Д.Лемешко, П.П.Сидоров, Д.И.Юрков, А.К.Дулатов, М.В.Колтунов. Разработка малогабаритного импульсного нейтронного генератора наносекундной длительности на камерах плазменного фокуса с возможностью применения в учебно-исследовательских целях // Мощная импульсная электрофизика, т. 5, МИФИ, 2008]. В качестве нагрузки в разрядных модулях использовались камеры ПФ с газогенератором.Another option for such sources is a small-sized pulsed generator of neutron fluxes of nanosecond duration with an output of ~ 10 ⁸ neutrons / imp. [B.D. Lemeshko, P.P. Sidorov, D.I. Yurkov, A.K. Dulatov, M.V. .Koltunov. Development of a small-sized pulsed neutron generator of nanosecond duration on plasma focus cameras with the possibility of application for educational and research purposes // Powerful pulsed electrophysics, vol. 5, Moscow Engineering Physics Institute, 2008]. As a load in the discharge modules, PF chambers with a gas generator were used.

Однако эти генераторы имеют разброс выхода -35% и ресурс ~10³ включений.However, these generators have an output spread of -35% and a resource of ~ 10 ³ switching ons.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению, который и принят в качестве прототипа, является плазменный источник проникающего излучения [патент РФ №2342810, кл. H05H 1/00, 2007 г.], состоящий из газоразрядной камеры, заполненной изотопами водорода и содержащей газоразрядные электроды, герметично закрепленные в изоляторе, и источника электрического питания.The closest in technical essence to the proposed solution, which is adopted as a prototype, is a plasma source of penetrating radiation [RF patent No. 2342810, cl. H05H 1/00, 2007], consisting of a gas discharge chamber filled with hydrogen isotopes and containing gas discharge electrodes sealed in an insulator, and an electric power source.

Для увеличения ресурса работы плазменного источника в состав газоразрядной камеры введен генератор рабочего газа, герметично установленный в отверстии корпуса газоразрядной камеры, рабочий элемент генератора газа насыщен изотопами водорода. При разогреве рабочего элемента генератора газа начинается процесс десорбции окклюдированного газа и поступление изотопов водорода (дейтерий, тритий или их смесь) в объем разрядной камеры, а при выключенном источнике электрического тока холодный рабочий элемент поглощает изотопы водорода, а также газовые примеси, которые выделяются при разряде с поверхностей электродов и изолятора. Таким образом, имеется возможность многократно повторять рабочий цикл «откачка - напуск рабочего газа» в камере.To increase the service life of the plasma source, a working gas generator was introduced into the gas discharge chamber, hermetically installed in the opening of the gas discharge chamber, the working element of the gas generator is saturated with hydrogen isotopes. When the working element of the gas generator is heated, the process of desorption of occluded gas begins and the isotopes of hydrogen (deuterium, tritium or their mixture) enter the volume of the discharge chamber, and when the source of electric current is turned off, the cold working element absorbs hydrogen isotopes and also gas impurities that are released during the discharge from the surfaces of the electrodes and the insulator. Thus, it is possible to repeatedly repeat the working cycle "pumping-inlet of the working gas" in the chamber.

Однако, известно [Никулин В.Я., Полухин С.Н. К вопросу о нейтронном скэйлинге плазменного фокуса. Электротехнический подход // Препринт №12, Физический институт им. П.Н.Лебедева. М., 2006], что к моменту формирования плазменного фокуса около половины энергии остается в конденсаторной батарее - генераторе импульсных токов. Учитывая, что время жизни излучающего плазменного фокуса лежит в наносекундном диапазоне длительностей, оставшаяся часть энергии в значительной мере расходуется на дополнительную эрозию электродов (в основном, анода) и изолятора, что существенным образом влияет на состояние рабочей поверхности последнего (металлизация) и приводит к шунтирующим пробоям в начальной стадии формирования токовой оболочки, нарушению динамики развития разряда и снижению эффективности формирования плазменного фокуса, являющегося источником проникающего излучения (см. предыдущую ссылку). Кроме того, параметры плазмы плазменного фокуса, а следовательно, и его эмиссионная способность очень чувствительны к элементному составу плазмы, так что примесные ионы существенно снижают выход нейтронов.However, it is known [Nikulin V.Ya., Polukhin S.N. On the issue of neutron scaling of a plasma focus. Electrotechnical approach // Preprint No. 12, Physics Institute. P.N. Lebedeva. M., 2006], that by the time the plasma focus is formed, about half of the energy remains in the capacitor bank — the pulse current generator. Considering that the lifetime of the emitting plasma focus lies in the nanosecond range of durations, the remaining part of the energy is largely spent on additional erosion of the electrodes (mainly the anode) and the insulator, which significantly affects the state of the working surface of the latter (metallization) and leads to shunting breakdowns in the initial stage of formation of the current shell, disruption in the dynamics of the development of the discharge and a decrease in the efficiency of the formation of the plasma focus, which is the source of penetrating from radiation (see previous link). In addition, the plasma focus plasma parameters and, consequently, its emissivity are very sensitive to the elemental composition of the plasma, so that impurity ions significantly reduce the neutron yield.

В данном устройстве негативному воздействию продуктов эрозии подвергается также рабочий элемент генератора газа, приводящее к "забиванию" примесными атомами эмитирующей газ поверхности, что существенно снижает выход проникающего излучения и ресурс работы источника.In this device, the working element of the gas generator is also exposed to the negative effects of erosion products, which leads to "clogging" of the surface of the gas-emitting gas by impurity atoms, which significantly reduces the yield of penetrating radiation and the life of the source.

Таким образом, токовая эрозия электродов является паразитным процессом и неблагоприятно сказывается на рабочих характеристиках источника.Thus, current erosion of the electrodes is a parasitic process and adversely affects the operating characteristics of the source.

Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков, повышение ресурса работы плазменного источника и выхода проникающего излучения.The technical result of the invention is to eliminate these disadvantages, increasing the life of the plasma source and the penetrating radiation output.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Указанные результаты достигаются тем, что в конструкцию источника проникающего излучения введен коммутатор разрядного тока, размещенный на тыльных частях электродов и изолятора. Коммутатор может быть выполнен в виде газового или вакуумного кольцевых разрядников или сборки высоковольтных полупроводниковых коммутаторов.These results are achieved by the fact that a discharge current switch is installed on the back of the electrodes and the insulator in the design of the penetrating radiation source. The switch can be made in the form of gas or vacuum ring dischargers or an assembly of high-voltage semiconductor switches.

Для предотвращения (существенного снижения) эрозии электродов и изолятора цепь межэлектродного газового разряда шунтируется замыканием разрядного тока через встроенный коммутатор в момент сразу после формирования фокуса и возникновения импульса проникающего излучения. Условия эффективного шунтирования заведомо выполняются, т.к. импеданс нагрузки (объемный межэлектродый разряд) существенно превышает импеданс коммутатора.To prevent (a significant reduction) in the erosion of the electrodes and the insulator, the interelectrode gas discharge circuit is bypassed by closing the discharge current through the built-in switch at the moment immediately after the formation of the focus and the appearance of a penetrating radiation pulse. The conditions for effective shunting are obviously met, because load impedance (volume interelectrode discharge) significantly exceeds the impedance of the switch.

Осуществление изобретения.The implementation of the invention.

Плазменный источник проникающего излучения содержит газоразрядную камеру, состоящую из двух сферических металлических электродов, разделенных изолятором, шунтирующий коммутатор, генератор импульсных токов - конденсаторную батарею с высоковольтным включающим коммутатором и генератор рабочего газа с источником электрического питания.The plasma source of penetrating radiation contains a gas discharge chamber, consisting of two spherical metal electrodes separated by an insulator, a shunt switch, a pulse current generator - a capacitor bank with a high-voltage switching switch and a working gas generator with an electric power source.

Достижение высокой эффективности формирования плазменного источника (плазменного фокуса) проникающего излучения требует достаточно строгого согласования параметров электрического контура и переменной нагрузки (камера с межэлектродным разрядом) (см., напр., ссылку [Никулин В.Я., Полухин С.Н. К вопросу о нейтронном скэйлинге плазменного фокуса. Электротехнический подход // Препринт №12, Физический институт им. П.Н. Лебедева. М., 2006]). Принимая во внимание достаточно высокий требуемый уровень значений скорости нарастания тока в плазменном разряде (~10¹¹ А/с), необходимый для формирования скользящего разряда с хорошей сплошностью на поверхности межэлектродного изолятора, собственная индуктивность электрического контура должна быть минимизирована, что, естественно, относится ко всем вышеупомянутым элементам контура. Максимальную эффективность излучения получают путем выбора величины емкости при учете полной индуктивности разрядного контура так, чтобы момент пинчевания электроразрядной плазмы, т.е. формирования излучающего плазменного фокуса, соответствовал максимальной величине разрядного тока.Achieving high efficiency in the formation of a plasma source (plasma focus) of penetrating radiation requires rather strict coordination of the parameters of the electric circuit and the variable load (chamber with interelectrode discharge) (see, for example, link [Nikulin V.Ya., Polukhin SN To the question on neutron scaling of plasma focus. Electrotechnical approach // Preprint No. 12, PN Lebedev Physical Institute. M., 2006]). Taking into account the rather high required level of current rise rate in a plasma discharge (~ 10 ¹¹ A / s), necessary for the formation of a sliding discharge with good continuity on the surface of the interelectrode insulator, the intrinsic inductance of the electric circuit should be minimized, which naturally refers to all of the above contour elements. The maximum radiation efficiency is obtained by choosing the value of the capacitance taking into account the total inductance of the discharge circuit so that the pinching moment of the electric discharge plasma, i.e. the formation of the emitting plasma focus, corresponded to the maximum value of the discharge current.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), где представлен пример конструкции плазменного источника.The invention is illustrated by the drawing (Fig. 1), which presents an example of the design of a plasma source.

Сферические электроды 1 (катод) и 2 (анод) в разрядной камере разделены цилиндрическим изолятором 3. На тыльной части электродов (вне разрядной камеры) размещен высоковольтный коммутатор для программированного шунтирования межэлектродного разряда в газоразрядной камере, выполненный, например, в виде цилиндрического разрядника с высоковольтным электродом 5 и корпусом 6, а также одним или несколькими искровыми источниками 7 для инициации шунтирующего разряда, расположенными на корпусе разрядника.The spherical electrodes 1 (cathode) and 2 (anode) in the discharge chamber are separated by a cylindrical insulator 3. On the back of the electrodes (outside the discharge chamber) there is a high-voltage switch for programmed shunting of the interelectrode discharge in a gas-discharge chamber, made, for example, in the form of a cylindrical spark gap with a high-voltage an electrode 5 and a housing 6, as well as one or more spark sources 7 for initiating a shunt discharge, located on the housing of the arrester.

Генератор импульсных токов с конденсаторной батареей 9 и инициирующим коммутатором 8 соединяется с электродами разрядника с помощью коаксиальных кабелей, либо жестких токоподводов (на фиг. 1 изображены схематично).The pulse current generator with a capacitor bank 9 and the initiating switch 8 is connected to the spark gap electrodes using coaxial cables or hard current leads (shown in Fig. 1 schematically).

Объем разрядной камеры заполнен изотопами водорода (дейтерием, смесью дейтерия и трития или тритием) с помощью генератора газа 4.The volume of the discharge chamber is filled with hydrogen isotopes (deuterium, a mixture of deuterium and tritium or tritium) using a gas generator 4.

Работает плазменный источник следующим образом.The plasma source operates as follows.

При срабатывании высоковольтного коммутатора 8 заряженная конденсаторная батарея разряжается на электроды разрядной камеры, заполненной до нужного уровня давления газом - изотопом водорода из генератора газа. Межэлектродный разряд инициируется скользящим разрядом по поверхности изолятора с образованием плазменной (токовой) оболочки. Под действием электродинамических сил плазменная оболочка отходит от изолятора и движется с ускорением по межэлектродному зазору к области фокусировки («плазменный фокус») на оси разрядной камеры вблизи поверхности анода. Формирующийся «плазменный фокус» является источником проникающего излучения - нейтронов и рентгеновских лучей. Резкое возрастание индуктивности разряда при этом приводит к резкому уменьшению разрядного тока и появлению перенапряжения на электродах. Любой из этих сигналов с соответствующих датчиков используется для коммутации (например, запуска искровых источников поджига) шунтирующего разрядника. В вариантах вакуумного или газового разрядника шунтирующий коммутатор может также работать в пассивном режиме, т.е. срабатывать в момент возникновения перенапряжения на электродах. При уровне разрядных токов в килоамперном диапазоне возможно использование сборки промышленных высоковольтных полупроводниковых коммутаторов. В результате происходит шунтирование основного межэлектродного разряда и ток в разрядной камере существенно снижается.When the high-voltage switch 8 is activated, a charged capacitor bank is discharged to the electrodes of the discharge chamber, which is filled to the desired pressure level with gas - a hydrogen isotope from the gas generator. The interelectrode discharge is initiated by a sliding discharge on the surface of the insulator with the formation of a plasma (current) shell. Under the action of electrodynamic forces, the plasma shell moves away from the insulator and moves with acceleration along the interelectrode gap to the focusing region (“plasma focus”) on the axis of the discharge chamber near the surface of the anode. The emerging "plasma focus" is a source of penetrating radiation - neutrons and x-rays. A sharp increase in discharge inductance in this case leads to a sharp decrease in the discharge current and the appearance of overvoltage on the electrodes. Any of these signals from the respective sensors is used for switching (for example, triggering spark ignition sources) of the shunt arrester. In variants of a vacuum or gas spark gap, the shunt switch can also operate in a passive mode, i.e. operate at the time of overvoltage on the electrodes. At the level of discharge currents in the kiloampere range, it is possible to use the assembly of industrial high-voltage semiconductor switches. As a result, the main interelectrode discharge is bypassed and the current in the discharge chamber is significantly reduced.

Таким образом, обеспечиваются условия для минимизации токовой эрозии элементов разрядной камеры и поступления примесей - продуктов эрозии электродов и межэлектродного изолятора - в разрядную камеру, что в свою очередь повышает ресурс работы электродов и рабочего элемента генератора газа и, следовательно, источника излучения в целом, а также выход проникающего излучения.Thus, conditions are provided for minimizing the current erosion of the elements of the discharge chamber and the ingress of impurities - the products of erosion of the electrodes and the interelectrode insulator - into the discharge chamber, which in turn increases the life of the electrodes and the working element of the gas generator and, therefore, the radiation source as a whole, and also penetrating radiation output.

Claims (3)

1. Плазменный источник проникающего излучения, состоящий из газоразрядной камеры, заполненной изотопами водорода и содержащей газоразрядные электроды, генератора рабочего газа, герметично установленного в отверстии корпуса газоразрядной камеры, и генератора импульсных токов, отличающийся тем, что на тыльной части электродов размещен высоковольтный коммутатор для программированного шунтирования межэлектродного разряда в газоразрядной камере.1. A plasma source of penetrating radiation, consisting of a gas discharge chamber filled with hydrogen isotopes and containing gas discharge electrodes, a working gas generator sealed in the hole of the gas discharge chamber body, and a pulse current generator, characterized in that a high-voltage switch for programmed shunting an interelectrode discharge in a gas discharge chamber. 2. Плазменный источник проникающего излучения по п.1, отличающийся тем, что высоковольтный коммутатор для шунтирования межэлектродного разряда в газоразрядной камере выполнен в виде кольцевого газового или вакуумного разрядника.2. The plasma source of penetrating radiation according to claim 1, characterized in that the high-voltage switch for shunting the interelectrode discharge in the gas discharge chamber is made in the form of an annular gas or vacuum spark gap. 3. Плазменный источник проникающего излучения по п.1, отличающийся тем, что высоковольтный коммутатор для шунтирования межэлектродного разряда в газоразрядной камере выполнен в виде радиально-лучевой сборки высоковольтных управляемых полупроводниковых коммутаторов на тыльных частях электродов. 3. The plasma source of penetrating radiation according to claim 1, characterized in that the high-voltage switch for shunting the interelectrode discharge in the gas discharge chamber is made in the form of a radial beam assembly of high-voltage controlled semiconductor switches on the back of the electrodes.