Исследование возможности генерации высокоэнергетичного рентгеновского излучения при пучково-плазменном нагреве тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Введение.- 4

Глава 1. Современное состояние исследований в области нагрева электронов в плазме и генерации рентгеновского излучения.- 8

1.1 Сравнительный анализ равновесных и неравновесных плазменных разрядов.- 8

1.2 Получение горячих электронов в плазме.-141.2.1 Разряд на электронном циклотронном резонансе.- 14

1.2.2 Пучково-плазменный разряд.- 18

1.2.3 Сравнение эффективности использования генерации высокоэнергичных электронов в пучково-плазменном разряде и в импульсной рентгеновской трубке.- 26

1.3 Физические основы генерации рентгеновского излучения.- 28

1.4 Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.- 32

1.5 Источники рентгеновского излучения.- 38

1.5.1 Радиоактивные источники.- 38

1.5.2 Рентгеновские трубки.- 38

1.6 Выводы из обзора литературы по генерации рентгеновского излучения и получению горячих электронов в плазме.- 43

Глава 2. Теоретическое описание пучково-плазменного разряда и его сравнение с ЭЦР разрядом.- 45

2.1 Физика ППР.-45

2.1.1 Представление:.- 45

2.1.2 Пучковая неустойчивость.- 46

2.1.3. Токовая неустойчивость в плазме.- 49

2.1.4. Влияние теплового разброса на устойчивость плазмы.- 51

2.1.5. Кинетические эффекты.- 55

2.1.6. Границы гидродинамического и кинетического описаний.- 58

2.2. Пучковый нагрев электронов в пробкотроне.- 60

2.3 Сравнение ППР разряда с ЭЦР разрядом.- 67

Глава 3 Описание экспериментальной установки и средства диагностики плазмы.- 70

3.1. Необходимые условия работы установки с ППР разрядом.- 70

3.2. Описание установки.- 71

3.2.1 Вакуумная система установки.- 71

3.2.2 Магнитная система установки.- 72

3.2.3 Электрическая схема питания и управления магнитных катушек . - 73

3.2.4 Электронный пучок.- 73

3.2.5 Приемник электронов.- 73

3.2.6 Рабочая диагностика на установке "Оратория - 10".- 74

3.2.7 Подготовка установки к проведению экспериментов.- 74

3.3 Методы измерений.- 75

3.3.1 Обзор диагностики плазмы.- 75

3.3.2. Оценка параметров плазмы при ППР разряде на установке

Оратория-10».- 76

3.3.3 Методы регистрации рентгеновского излучения.- 77

Глава 4. Экспериментальное исследование нагрева электронов в плазме пучково-плазменного разряда.- 81

4.1. Введение в экспериментальные исследования.- 81

4.2. Исследование нагрева электронов в плазме ППР с помощью термолюминесцентного метода в стационарном режиме.- 82

4.3. Исследование нагрева электронов в плазме ППР с помощью сцинтилляционного метода.- 88

4.3.1. Калибровка сцинтиляционного детектора с помощью эталонных излучателей:.- 89

4.3.2. Снятие спектров рентгеновского излучения при ППР с использованием газа Аг.- 90

4.3.3. Снятие спектров рентгеновского излучения при газе Нг.- 94

4 АОбсуждение результатов.- 97

Глава 5. Практическое применение результатов исследования.- 101

В последние годы возобновился интерес к созданию генераторов излучения в рентгеновском диапазоне без использования систем питания достаточно высокого напряжения [1-3]. Несмотря на то, что в настоящее время существует технология создания промышленных рентгеновских аппаратов в широком диапазоне мощностей (1-100 кВт), тем не менее, проблемы, возникающие при работе с высоким питающим напряжением, заставляют обратиться к альтернативным источникам рентгеновского излучения. Высоким напряжением принято считать то, которое могло бы вызвать сложности при работе, например, с рентгеновской аппаратурой. Особенные сложности вызывает работа медицинских рентгеновских аппаратов в условиях высокой влажности в регионах Юго-Восточной Азии. Характерные напряжения, порядка нескольких десятков киловольт, вызывают большие трудности, поэтому в последние годы проводится интенсивное изучение возможностей создания рентгеновского источника с напряжением питания ниже 10 киловольт [1]. Одним из таких источников, казалось бы, мог стать источник на основе делящихся радиоактивных материалов [5]. Однако трудности, возникающие при работе, хранении и последующем захоронении радиоактивных материалов, сводят на нет кажущееся достоинство- отсутствие необходимости в питающем напряжении. Другой широко распространенный метод, находящийся в стадии интенсивной разработки, - нагрев электронов в разряде на основе явления электронного циклотронного резонанса и взаимодействия высоко энергичных электронов с мишенью[1,3]. Относительная простота и компактность разработок последнего типа позволяют ставить вопрос о применении этих установок для радиотерапии [1]. Особенно привлекательными эти устройства оказываются при применении постоянных магнитов, в результате чего они становятся более компактным, и в настоящий момент ставится вопрос о внедрении этих установок в медицину. Однако, интенсивность излучения и предельные энергии, полученные в этих системах, в ряде случаев, оказываются недостаточными, и возникает вопрос о создании более мощных источников рентгеновского излучения с регулируемой энергией рентгеновских квантов. Попытки использовать сразу все эти преимущества, к сожалению, встречают на своем пути большие трудности. Так, например, энергия рентгеновских квантов оказывается недостаточной для просвечивания грудной клетки, для этого требуется энергия больше 40 кэВ [1]. В этом отношении оказывается незаслуженно забытым результат, полученный в 1963г в работе [5] для плазменно-пучкового разряда, затем неоднократно использованный в работах, как на импульсных, так и стационарных системах [6-12]. Представленная диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе дан обзор литературы по генерации горячих электронов и проведен сравнительный анализ между возможными источниками рентгеновского излучения (радиоактивные источники, рентгеновские трубки, устройства на основе явления электронного циклотронного резонанса и устройства на основе плазменно-пучкового разряда). Проводится сравнительный анализ различных методов, после чего основное внимание уделяется плазменно-пучковому разряду для создания горячих электронов, генерирующих затем рентгеновское излучение. Этот метод избран по следующим соображениям:

1. Выходная мощность рентгеновского излучения зависит не только от входной мощности, прикладываемой на аноде (которая относительно мала по значению высокого напряжения); но также зависит от рода рабочего газа, свойств материала мишени, магнитного поля (т.е. имеется возможность сжатия плазмы). Следовательно, можно создать источник рентгеновского излучения с большим энергетическим диапазоном.

2. Отсутствует внешнее высокочастотное поле, а значит и сложности связанные с введением высокочастотной мощности.

Во второй главе рассматриваются теоретические модели, объясняющие суть данного явления, когда нагрев осуществляется за счет взаимодействия энергичных электронов с ленгмюровскими волнами. При взаимодействии происходит в основном увеличение поперечной энергии горячей компоненты электронной функции распределения, что улучшает удержание "горячих" электронов в зеркальной магнитной ловушке.

В третьей главе описывается многоцелевая установка «Оратория-10», которая позволяет выполнить исследования неравновесной плазмы плотностью Ю10

13 3

10 см" , полученной в пучково-плазменном разряде. Магнитная система типа «зеркальная магнитная ловушка» позволяет получать магнитное поле с напряженностью 600 Э в середине ловушки и пробочным отношением R&3,5. Система электропитания магнитных катушек обеспечивает возможность кратковременного (десятки секунд) увеличения напряженности поля («1,5 раза) в экспериментах с адиабатическим сжатием плазмы. Цилиндрический электронный пучок с максимальным диаметром до 4 см сформирован посредством электронной пушки с током пучка до 2А и энергией до 6 кэВ. Необходимые вакуумные условия обеспечиваются диффузионными вакуумными насосами с охлажденными жидким азотом ловушками. Остаточное давление составляет не более чем 3.10*7тор с охлаждаемыми жидким азотом ловушками и не более 3.10"6тор без охлаждения жидким азотом. Максимальное рабочее давление « 10"3 Тор. Система напуска газа на базе пьезоэлектрического натекателя обеспечивает как непрерывную, так и импульсную подачу рабочего газа в камеру. К установке подключены диагностические устройства.

В четвертой главе подробно описываются эксперименты при разных режимах и методы диагностики. В этой главе описана также методика обработки полученных результатов. Проводятся оценки средней плотности и температуры плазмы. Основное внимание уделено анализу спектров рентгеновского излучения - основной характеристике, определяющей качество рентгеновского источника. Здесь, в частности, проведен анализ работы рентгеновского анализатора и описана причина возможных ошибок, когда датчик может показывать присутствие в системе квантов с огромной энергией, что не соответствует действительности. Это может быть связано с тем обстоятельством, что существует определенная, хотя и малая вероятность того, что кристалл анализатора воспринимает два или более рентгеновских квантов как один. Проведено также обсуждение полученных результатов и перспектив использования изученного источника рентгеновского излучения.

В пятой главе приведены выводы и рекомендации по возможным областям использования изученного явления.

В заключении формулируются оснавные выводы.

На защиту выносятся следующие положения и результаты, определяющие новизну диссертационной работы:

1. Было найдено, что для поддержания 111 IP в аргоновой плазме достаточно мощности электронного пучка 1,5 кВт (энергии электронов пучка 3 кэВ и тока пучка 0,5 А) при магнитном поле 600 Гс в центре ловушки.

2. Разряд устойчиво горит в водородной плазме при тех же параметрах пучка и при магнитном поле в центре ловушки 300 Гс.

3. Эффект адиабатического сжатия при стационарной инжекции электронного пучка в плазму не проявляется, т.к. при изменении магнитного поля имеет место изменение резонансных условий ускорения электронов в разряде, т.е. в процессе увеличения магнитного поля одновременно меняются и начальные условия для сжатия. Поэтому эффект адиабатического сжатия обнаруживается только после выключения пучка.

4. Были зарегистрированы рентгеновские кванты с энергией 250 - 280 кэВ для водородной плазмы и кванты с энергией 320 - 350 кэВ для аргоновой плазмы при стационарной инжекции электронного пучка в плазму ПНР.

5. Эксперименты по измерению спектров рентгеновского излучения плазмы разных газов при одинаковых параметрах разряда показали явную зависимость энергии «горячих» электронов от массы газа (атомной или молекулярной), что объясняется существованием зависимости времени поперечной диффузии горячих электронов от вида ионов в плазме (отношения массы к заряду).

Основные результаты данной диссертационной работы состоят в следующем:

1. С помощью термолюминесцентного метода были зарегистрированы дозы рентгеновского излучения для двух газов, которые показали разные значения при одинаковых параметрах разряда. Кроме того, были зафиксированы такие результаты как:

• Для зажигания 111 IP в аргоне достаточно мощности электронного пучка в 1,5 кВт.

• Использование в качестве рабочего газа водорода позволяет зарегистрировать существенно больший поток рентгеновских квантов, чем аргона, что может объясняться тем, что для водорода большая часть энергии пучка используется на нагрев электронов, а также лучшей замагниченностью ионов водорода в зеркальной магнитной ловушке.

• При использовании в качестве рабочего газа водорода разряд поддерживается при магнитном поле (300 Гс). Однако в этом случае поток рентгеновских квантов меньше, что также может объясняться снижением td, т.е. преобладанием процесса ухода «горячих» электронов в конус потерь.

• Использование матрицы термолюминесцентных таблеток внутри камеры показало существование рентгеновских квантов с разными длинами волн.

С помощью сцинтилляционного метода были изучены зависимости спектра рентгеновского излучения от параметров разряда в стационарном режиме: От давления рабочего газа От мощности пучка От магнитного поля От вида газа

С помощью сцинтилляционного метода были зарегистрированы рентгеновские кванты с энергией 250 - 280кэВ для водородной плазмы и 320 - 350кэВ для аргоновой плазмы.

Использование вольфрамовой мишени, расположенной в центре магнитной ловушки ближе к стенке камеры, позволило зарегистрировать рентгеновские кванты с энергией 450 - 480кэВ для водородной плазмы и 520 - 550кэВ для аргоновой плазмы, т.к. атомный номер вольфрама превосходит атомный номер нержавеющей стали, из которой сделана рабочая камера. Эффект адиабатического сжатия аргоновой плазмы изучался при изменении магнитного поля от 570 до 900 Гс за 0,5 с после выключении пучка в стационарном режиме разряда. Было установлено увеличение интенсивности рентгеновского излучения до 2,5 раз.

Эксперименты по измерению спектров рентгеновского излучения плазмы разных газов при одинаковых параметрах разряда показали явную зависимость энергии «горячих» электронов от массы газа (атомной или молекулярной), что объясняется существованием зависимости времени поперечной диффузии горячих электронов от вида ионов в плазме (отношения массы к заряду).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе проведено экспериментальное исследование генерации рентгеновского излучения при вариации параметров пучково-плазменного разряда в стационарном режиме, и последующие адиабатические сжатия плазмы осуществлялись с использованием рабочего газа аргона. Исследованы зависимости спектра рентгеновского излучения от параметров разряда. В качестве методов регистрации рентгеновского излучения были использованы термолюминесцентный метод и сцинтилляционный метод.

1. Дж. Исикава. Пучково-Плазменные ионные источники. Москва «Мир», 1998, стр. 305 309.

2. Андреев В.В.,Умнов A.M. Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами электронно-циклотронного резонанса. ВАНТ. Сер. Плазменная электроника и новые методы ускорения, 2000, № 1, с. 71-73.

3. Andreev V.V., Umnov A.M. Generation of relativistic electron bunches in plasma synchrotron GYRAC-X for hard X-ray production. ВАНТ. Сер. . Плазменная электроника и новые методы ускорения, Харьков, Украина, 2000, № 1, с. 3-7.

4. Radioisotops for aerospace. Proceed. 1 S 1. Symp. N.Y., 1996, v.2.

5. Alexeff I., Neidigh R.V., Peed W.F. et al. Hot-electron plasma by beam-plasma interaction. Phys. Rew. Letters, 1963, vol. 10, № 7, p 273-276.

6. Тарумов Э.З., Бакшаев Ю.Л., Борзенко В.Л. и др. ЖЭТФ, 1967, т.52, с.49.

7. Файнберг Я.Б. Взаимодействие заряженных частиц с плазмой. Атомная энергия, 1961, т.11,с.313.

8. Seidl М., Sunka Р. Res. Report instr. Plasma Phys. CSSR, IPPCZ-81, 1967.

9. Митин Л. А., Перевозчиков В.И., Завьялов М.А. и др. Мощные широкополосные пучково-плазменные СВЧ- усилители и генераторы. -Физика плазмы, 1994, т. 20, № 7-8, с.733-746.

10. Atamanov V.M., Biman Т.A., Elizarov L.I. et al. Hot electrons in beam-plasma discharge. ВАНТ. Сер. . Плазменная электроника и новые методы ускорения, 2000, № 1, с.46-49.

11. Бакушев В.А., Ветчинкин Н.В., Владимиров Л.В. и др. Рентгенотехника: Справочник в 2-х кн./ Под ред. Клюева В.В. М.: Машиностроение, 1980 -Кн.I.e. 8-25.

12. М. Seidl. Plasma Phys. № 6, p. 597 (1964).

13. G. M. Zaslavsky and В. V. Chirikov "Soviet Uspekhi", №105, p.3 (1971).

14. F. Jaeger, A. J. Lichtenberg and M. A. Liberman. Plasma Phys. № 14, p. 1073 (1972).

15. M. A. Liberman and A. J. Lichtenberg. Plasma Phys. № 15, p. 125,(1973).

16. A. V. Timofeev, «Cyclotron oscillations of an equilibrium plasma»in «Reviews of Plasma Physics»edited by В. B. Kadomtsev, New York-London, Consulting Bureau, 1989, № 14, p. 63.

17. A. A. .Vedenov, E. P. Velikhov, R.Z. Sagdeev. Nuclear Fusion, № 1, p.82 (1961).

18. A. A. Ivanov, «Interaction of high frequency fields with plasmas» in «Reviews of Plasma Physic» edited by M. A. Leontovich, New York-London, Consulting Bureau, 1972, № 6, p.70.

19. V. D. Shapiro, V. I. Shevchenko in "Fundaments of Plasma Theory".

20. В. I. Patrushev, A. A. Ivanov, V. P. Gozak, D. A. Frank-Kamenetskii, Soviet Phys.JETP, 32, N4, P.586 (1971).

21. C. Rouille, K. Serebrenikov and M. Bacal. Maximum X-ray energy from compact electron cyclotron resonance based source of X-ray. Review of Scien. Instr.2002, vol 73, p. 2287-2291.

22. А.А. Ivanov, U. Wolters, D. Meyer, J.M. Buzzi and K. Wiesemann. Influnce of broadened pump wave spectra on the stochatic heating in an ECR mirror machine. Euro physic. Lett, 2002, vol. 56 (6), p. 841 847.

23. A. A. Ivanov, V. V. Parail, Soviet Phys. JETP, 33, N 6, P.1138 (1971). A. A. Ivanov, Physics of the strongly non equilibrium plasmas. M., Atomizdat, 1977, p.282 (in Russian).

24. A.A. Ivanov, K.S. Serebrennikov, V.Yu. Fedotov, M. Bacal, J.-M. Buzzi. "Multi-mode Parametric Excitation of Bernstein Waves under Electron Cyclotron Heating", report on Maastricht Conference on Plasma Physics, Maastricht, 1999.

25. B.V. Chirikov. "Particle dynamics in magnetic traps"in «Reviews of Plasma Physic»edited by В. B. Kadomtsev, New York-London, Consulting Bureau, 1989, 13, p. 3.

26. Михайловский А.Б. Теория плазменных неустойчивостей. т. 1,2. М., Атомиздат, 1970, 1971.

27. Шапкин В.В. Экспериментальное исследование механизма нагрева плазмы мощным электронным пучком в пробкотроне. Канд. дис. Харьков, ХГУ, 1968.

28. Закатов Л.П., Плахов А.Г. Торможение мощного электронного пучка в плотной плазме. «Журн. эксперим. И теор. физ.», 1971, т.60, с. 588

29. Райзер Ю.П. Физика газового разряда.

30. Переславцев А.В., Пальтов М.В., Биман Т.А. Рентгеновская диагностика пучково-плазменного разряда. Сборник материалов, т.2, 3-ымеждунородный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, Иваново,2002, с.405-407.

31. Молоковский С.И.,Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки, «энергоатомиздат», 1991, стр. 71-72.

32. Веденов А.А.,Велихов Е.П.,Сагдеев Р.З. Устойчивость плазмы. «успехи физ. наук», 1961, т.73,№ 4,с.701.

33. Ландау Л.Д. О колебаниях электронной плазмы. «Журн.эксперим.и теор.физ.», 1948,т. 16,с.574.

34. Абрамян Е.А. промышленные ускорители электронов. М. «энергоатомиздат», 1986, стр. 249.

35. Ковник О.Ф.,Корнилов Е.А.,Педенко Н.С.,Харченко И.Ф. Особенности ускорения и нагрева электронов в пучково-плазменном разряде. Вопросы атомной науки и техники,2003,№4. Серия: Плазменная электроника и новые методы, стр. 177 182.