Нейтронный источник

ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л.Духова»

а/я 918, Москва, 101000; Тел: (095)972-83-78; Факс: (095) 978-09-03; E-mail: vniia@vniia.ru

Плазменный фокус (ПФ) - один из наиболее мощных и эффективных источников нейтронного излучения. Исследования ПФ продолжаются во многих крупных лабораториях мира около пятидесяти лет. В нашей стране исследованиями ПФ проводились в Курчатовском институте, ВНИИЭФ, ФИАН и других крупных научно-исследовательских институтах [1].

Формирование ПФ происходит в камерах со специальной конструкцией электродов при прохождении через газовую среду (обычно объем камеры заполняется дейтерием или дейтерий-тритиевой смесью) разрядного тока определённой амплитуды и длительности [2]. При этом формирование ПФ характеризуется генерацией короткого импульса нейтронов с длительностью порядка десятка наносекунд.

Традиционная схема генератора нейтронов включает камеру плазменного фокуса и генератор импульсов тока (ГИТ), состоящий из емкостного накопителя энергии, высоковольтного коммутатора и токоподводов (Рис. 1.). После срабатывания коммутаторов на электроды камеры подается высокое напряжение, в результате чего происходит пробой газа вдоль поверхности керамического изолятора с образованием между анодом и катодом токовой плазменной оболочки (ТПО). Под действием магнитного поля разрядного тока ТПО двигается вдоль электродов камеры, огибает анод, а затем сжимается (пинчуется) вблизи оси камеры, образуя высокотемпера турное плазменное образование. Эта область получила название плазменный фокус (ПФ), которая и является источником нейтронного излучения.

Из-за разогрева плазмы при сжатии пинча присходит образование высокоэнергичных ионов и электронов. Выокоэнергичные ионы взаимодействуют с более холодной ионной компонентой плазмы пинча и в результате этих столкновений возникает нейтронная эмиссия. Электроны бомбардируют катод, что сопровождается рентгеновским излучением с энергией квантов до сотен кэВ. Все эти процессы происходят за время порядка двух-трех десятков наносекунд, так что длительность нейтронного и рентгеновского импульсов не превышает 30-50 нс, при этом размер нейтронного источника составляет порядка нескольких мм, а выход может достигать 2,5•1012 нейтр./имп. Таким образом, достигаются предельно высокие плотности потоков нейтронов порядка 1017-1018 нейтр./см2•с.

Рис. 1. Принципиальная схема работы генератора нейтронов с камерой ПФ.

КБ – конденсаторная батарея; Р – коммутатор; И – изолятор; К – катод камеры; А – анод камеры; 1, 2, 3, 4, 5 – последовательные во времени положения токовой плазменной оболочки; ПФ – плазменный фокус.

Во ВНИИА разработка и изготовление камер ПФ началась около 20 лет тому назад. К этому времени возникла потребность в промышленном применении импульсных генераторов нейтронов наносекундной длительности, что потребовало разработать камеры ПФ отпаянной конструкции. В настоящий момент во ВНИИА освоена и налажена технология изготовления таких камер, что позволяет выпускать их серийно.

Сейчас ВНИИА серийно выпускает 3 типа камер ПФ отпаянной конструкции (Рис. 2.), рассчитанных на выход от 1•107 до 1•1011 нейтр./имп. с энергией нейтронов 14,2 МэВ.

Технология изготовления камер достаточно сложна и трудоемка. В ходе совершенствования технологии был изучен ряд процессов в отпаянных камерах ПФ. Исследован состав газа в камерах в процессе изготовления и эксплуатации и его влияние на основные характеристики камер. Определены оптимальные конструкции электродов и изолятора для каждой из выпускаемых камер, обеспечивающие согласованный режим работы с параметрами ГИТ. Изучено влияние технологии изготовления камер на их основные характеристики. В результате проведенной работы был существенно увеличен нейтронный выход, ресурс и срок сохраняемости камер.

Рис.2. Камеры ПФ производства ВНИИА.

Технология изготовления отпаянных камер ПФ включает контроль её основных характеристик в процессе производства. Одной из важнейших операций изготовления отпаянных камер является контроль давления и состава газа внутри камеры ПФ.

Рис.3. Зависимость ионизационного тока от давления для камеры ПФ7.

Задача определения состояния газа в рабочем объеме камер ПФ после их наполнения и отпайки возникла уже при разработке первых образцов камер. Известен тот факт, что если рабочий газ содержит радиоактивный тритий, то в объеме идет ионизация газа и должен существовать ионизационный ток [3], который можно измерять, создав схему и методику измерений, и по его изменению судить об изменении давления и состава газа в объеме камер.

Методика измерения ионизационного тока была предложена еще в 70-80 годах прошлого столетия. В то время были определены зависимости тока от давления в камере и от напряжения, приложенного к электродам камеры. Полученные результаты по измерению ионизационного тока позволяли судить об изменении давления в камере. За время проведения работ по разработке и изготовлению камер ПФ методика измерения ионизационного тока получила дальнейшее развитие при ее применении в технологии изготовления камер ПФ. Были построены зависимости Iв = f(P) ионизационного тока от давления наполнения для целого ряда камер ПФ (Рис. 3.), а также его изменения в зависимости от натекания атмосферного воздуха в случае неполной герметичности камер или их разгерметизации в процессе изготовления и хранения.

Рис. 4. Зависимость ионизационного тока от напряжения на электродах камеры ПФ7.

Методика измерения ионизационного тока в камерах ПФ заключается в следующем: на камеру подается напряжение от (0-300) В и снимается вольт-амперная характеристика, приведенная на рис.4 для камеры ПФ7. По полученным значениям определяется область, в которой ионизационный ток постоянен (плато), а эффекты от рекомбинации и диффузии пренебрежимо малы. Многочисленные эксперименты с камерами ПФ7 показали, что это область от (50-150) В на вольт-амперной характеристике.

В настоящее время, обратная зависимость P = f(Iв) используется в технологии наполнения газонаполненных камер до требуемого давления.

Так как в процессе сборки камер ПФ, поверхности деталей неизбежно реагируют с компонентами воздуха, на поверхностях катода и анода имеются окисные пленки [4]. В зависимости от технологии изготовления камер число слоев в окисной пленке может быть различным (от 10 до 100 шт.). Камеры плазменного фокуса относятся к классу электровакуумных приборов, поэтому наличие окисных пленок негативно сказывается на их работе. Сорбционные явления на поверхности катода и анода камеры приводят к попаданию в объем атомарных компонент воздуха, которые изменяют давление и состав смеси газа D-T, что приводит, как показали многочисленные эксперименты, к уменьшению основного параметра работы камеры - нейтронного выхода. Поэтому неотъемлемой операцией изготовления камер является высоковольтная тренировка камер ПФ.

Во время высоковольтной тренировки камер в составе генератора плазменная оболочка, которая образуется в результате разряда вдоль поверхности изолятора и движется вдоль поверхности электродов камеры и проводит очистку их поверхности.

Рис. 5. Зависимость ионизационного тока

от напряжения на электродах для камеры

ПФ7 №1 после первого наполнения до и

после первой высоковольтной тренировки.

Рис. 6. Зависимость ионизационного тока от напряжения на электродах для камер

ПФ7 №1 после последнего перезаполнения до и после первой высоковольтной тренировки.

Многочисленные эксперименты показали, что в результате высоковольтной тренировки в камерах ПФ меняется давление и состав газа [5]. Это наблюдается наиболее отчетливо при проведении первой высоковольтной тренировки камер.

На рис.5. приведены зависимости ионизационного тока в камере ПФ7 после первого наполнения рабочим газом до высоковольтной тренировки и после неё. Полученные результаты свидетельствуют о количественных и качественных изменениях смеси газов в камере.

Увеличение ионизационного тока после высоковольтной тренировки вызвано наличием примесей, которые попали в объем из окисных пленок в результате тренировки. С увеличением количества перезаполнений и последующей тренировкой характеристики камер (ионизационный ток и нейтронный выход) стабилизируются (Рис. 6.). При этом ионизационный ток до и после тренировки уже не меняется, что говорит об очистке внутренней поверхности и внутреннего объема камер от примесей.

Рис. 7. Динамика изменения процентного содержания примесей в камерах ПФ7 в зависимости от числа перезаполнений.

Одновременно с измерением ионизационного тока после каждой высоковольтной тренировки проводится масспектрометрический анализ состояния смеси газа внутри камеры. Приведенная на рис.7 динамика уменьшения содержания примесей носит примерно линейный характер и при ее экстраполяции до пересечения с ординатой, учитывающей число перезаполнений, можно оценить необходимое количество перезаполнений для каждой камеры ПФ. Как видно из рис. 7, требуемое количество перезаполнений для каждого экземпляра камеры может быть различным. Такие расхождения можно объяснить индивидуальными особенностями камер. Среди них можно отметить вакуумную чистоту деталей и узлов, условия сборки и технологии изготовления.

Применение новой технологии изготовления камер позволило значительно увеличить ресурс и срок сохраняемости камер ПФ. Например, ресурс камеры ПФ7 увеличился со ~100 включений до ~1000 включений (Рис. 8.).

Одной из важнейших задач при разработке генераторов наносекундной длительности является согласование камер ПФ с генератором импульсов тока (ГИТ) [6]. В связи с этим, разработке и выбору элементной базы ГИТ уделяется особое внимание. Наряду с основными электротехническими параметрами ГИТ (индуктивность, емкость, активное сопротивление) не менее важным является быстродействие высоковольтных коммутаторов. Проведенные исследования показали улучшение основных излучательных характеристик камер при использовании быстродействующих газонаполненных коммутаторов [7].

В настоящее время во ВНИИА разработаны и выпускаются 3 типа транспортабельных и автономных генераторов импульсов нейтронов наносекундной длительности на камерах ПФ, имеющие конструкторскую и эксплуатационную документацию (Рис. 10.):

ИНГ-102 обеспечивает выход нейтронов ~ 1•107 нейтр./имп. (максимальный выход до

108 нейтр./имп.) при длительности импульса 10-15 нс с энергией нейтронов 14,2 МэВ. Габаритные размеры O 300 × 700 мм при весе 20 кг.

ИНГ-103 обеспечивает выход до ~ 1•1010 нейтр./имп. при длительности импульса 15-20 нс с энергией нейтронов 14,2 МэВ. Габаритные размеры 400 х 600 х 1350 мм при весе 250 кг.

ИНГ-104 обеспечивает нейтронный выход ~ 1•1011 нейтр./имп. при длительности импульса

~30 нс с энергией нейтронов 14,2 МэВ. Габаритные размеры 800 х 1300 х 1500 мм, при весе

Рис. 9. Изображение статических и динамических объектов различной плотности в свете рентгеновского излучения плазменного фокуса.

Наряду с интенсивным нейтронным излучением, генераторы на основе ПФ являются интенсивными источниками мягкого и жесткого рентгеновского излучений. Спектр рентгеновского излучения ПФ лежит в диапазоне от ~ 1 кэВ до ~ 1 МэВ с максимумом при энергии ~30 кэВ. Выход рентгеновского излучения может достигать нескольких джоулей в 4р при длительности импульса ~10 нс [8]. Пример использования рентгеновского излучения ПФ от генератора ИНГ-103 приведен

ИНГ-102

ИНГ-103

ИНГ-104

Рис. 7. Импульсные генераторы нейтронов наносекундной длительности на основе ПФ,

выпускаемые ВНИИА

Генераторы на основе камер ПФ как источники нейтронного и рентгеновского излучения находят применение во многих областях науки и техники, таких как:

-	накоплен богатый опыт по разработке и созданию импульсных нейтронных генераторов наносекундной длительности с камерами ПФ;

-	налажена технология серийного изготовления камер ПФ отпаянной конструкции с повышенным ресурсом и сроком сохраняемости;

-	создана научно-техническая база для разработки новых типов генераторов на камерах ПФ, позволяющая успешно решать новые задачи.

1.	В.А.Бурцев, В.А.Грибков, Т.И.Филлипова,. Высокотемпературные пинчевые образования, Итоги науки и техники, Физика плазмы, 1981, т.2, стр. 80-137.

2.	Филлипов Н.В. Обзор экспериментальных работ, выполненных в ИАЭ им.И.В.Курчатова, по исследованию плазменного фокуса, Физика плазмы, 1983, т.9, вып.1.

5.	Д.И.Юрков, А.К.Дулатов, Б.Д.Лемешко и др: Контроль работоспособности камер ПФ с помощью измерения ионизационного тока, Сборник трудов научной сессии МИФИ 2005г.

6.	В.А.Грибков, А.В.Дубровский, Ю.П.Иванов, Н.Г.Макеев и др., Исследование процессов образования плазменного фокуса с выходом нейтронного излучения при малых энергиях источника питания и создания портативных генераторов на их основе, Проект МНТЦ №899-99.

7.	А.С.Бойко, А.К.,Дулатов, Б.Д.Лемешко и др: Экспериментальный образец импульсного генератора нейтронов наносекундной длительности с выходом ~1011 нейтр./имп., Сборник трудов научной сессии МИФИ 2005г.

12.	В.А. Веретенников, В.А. Грибков, Ю.П. Иванов и др. Мощный герцовый источник мягкого рентгеновского излучения на основе ПФ для различных приложений., Прикладная физика, 1, 1997.

13.	С. Моreno, A. Clausse et al., Using a 4,7 kJ Plasma Focus for introspective imaging of metallic objects and for neutronic detection of water, Plasma Physics: IX Latin American Workshop, 2001.

14.	Б. Бенковска, В.А.Грибков и др., Возможности использования плазменного фокуса в радиационной физике, химии, биологии и медицины., Сборник материалов МНТК, Портативные нейтронные генераторы и технологии на их основе, Москва, 2004г.