Разработка и исследование источников мощных наносекундных потоков заряженных частиц и рентгеновского излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Общая характеристика работы.

Основное содержание работы.

1. Генератор СНОП-3 с первичным накопителем в виде линейного импульсного трансформатора.

2. Установка СГМ на основе низковольтного ГИНа и обострения им-импульса с помощью электрического взрыва проводников.

3. Многоцелевой импульсный генератор, способный работать на низко-импедансные и высокоимпедансные нагрузки.

4. Наносекундное сжатие цилиндрических лайнеров.

5. Генерация мощных импульсов жесткого рентгеновского излучения

Актуальность темы диссертации

В конце 70-х годов в США и в России начались работы по наносекундному электродинамическому сжатию легких лайнеров. Для проведения экспериментов в этом направлении в США в начале 80-х имелся ряд установок (Proto-2, Pithon, Black-Jack-5) с мощностью 5-rlO ТВт, в стадии запуска находилась суперустановка PBFA-1 мощностью 20 ТВт. Действующие к тому времени в России низкоимпедансные установки не превосходили по мощности 0,2 ТВт и не способны были обеспечить новое направление исследований. Разворачивался проект национальной суперустановки Ангара 5-1 на мощность > 10 ТВт. Следует подчеркнуть, что стоимость каждой из перечисленных установок превы-щала десять миллионов долларов. Проведение упомянутых исследований настоятельно требовало создания установок нового поколения. При этом, учитывая относительную ограниченность финансирования, особое внимание следовало обращать на минимизацию затрат. Анализ показал, что для выяснения основных закономерностей физических процессов электрического сжатия, терма-лизации ускоренного вещества на оси и его излучения вполне достаточно иметь установку с током 1+2 МА и мощностью 0,5+2 ТВт.

Еще одним важным фактором, требовавщим как в России, так и в США создания мощных низкоимпедансных установок, была необходимость исследований радиационной стойкости материалов и элементов электронной техники к излучению в спектральном диапазоне энергий квантов hv = 20+100 кэВ. Излучение этого типа получали при торможении электронов с энергией eU ~ 0,75+1,5 МэВ на тонких фольгах из Та, W. Ограничение напряжения приводит, как известно, к ограничению мощности тормозного излучения с единицы площади мишени. Поэтому, начиная с некоторого уровня, увеличение мощности установки не приводит к росту мощности дозы (при постоянной длительности импульса излучения), а позволяет лишь увеличить площадь облучаемой поверхности. Учитывая, что при исследованиях радиационной стойкости площадь испытуемых объектов > 100 смЛ, оптимальной для этих целей представляется установка с током 1+1,5 МА и мощностью 1+2 ТВт, то есть такая же, какая требовалась для проведения исследований по электродинамическому сжатию лайнеров.

Таким образом, актуальной задачей являлась разработка новых схем и создание тераваттных установок умеренной стоимости, а также проведение на них исследований по электродинамическому сжатию легких лайнеров и получению излучения в диапазоне hv = 20+100 кэВ на площади ~ 100 смЛ.

Кроме того, в начале 80-х годов имелись мощные и дорогостоящие установки другого типа: в США - Germes-2, Aurora и в России - ИГУР-2, созданные по другим схемам. Это более высоковольтные и существенно более высокоимпедансные ускорители электронов, предназначенные для генерации так называемого у-излучения со средней энергией кванта > 1 МэВ. Они обеспечивали исследования радиационной стойкости материалов и элементов электронной техники к этому типу излучения. Следует отметить, что установка ИГУР-2, существенно уступая в энергозапасе (~300 кДж) и электрической мощности американским установкам, позволяла, тем не менее, достигать практически таких же мощностей дозы, но, естественно, на меньших площадях облучаемой поверхности. То есть, она вполне обеспечивала исследования по радиационной стойкости на самом высоком на тот момент уровне. Особенностью, привлекшей наше внимание, было то обстоятельство, что параметры (энергозапас и ударное напряжение) наиболее дорогостоящего элемента установки ИГУР-2 - микросекундного ГИНа - практически не отличались от требуемых для создания указанной выше низкоимпедансной установки. В связи с этим представлялись весьма актуальными разработка гибридной схемы и создание на единой энергетической базе установки, допускающей работу как в низкоимпедансном (низковольтном) режиме, так и в высокоимпедансном (высоковольтном), а также исследования на этой установке с целью получения максимально возможных мощностей у-излучения различной длительности. Такая задача была оправдана как надвигающимся мораторием на ядерные испытания, так и тем обстоятельством, что в силу физических ограничений существенного повышения мощности дозы у-излучения (Ъу ~ 1 МэВ) вряд ли следовало ожидать.

Таким образом, целями диссертационной работы являлись:

1. поиск и отработка методов исследований, проведение первых экспериментов по электродинамическому сжатию лайнеров, вьювление и использование новых возможностей, предоставляемых этим объектом (генерация мягкого рентгеновского излучения, получение сильных магнитных полей);

2. разработка и исследование новых схем недорогих тераваттных установок для проведения широкого круга исследований (лайнеры, низкоимпедансные мегавольтные электронные пучки, генерация рентгеновского излучения);

3. разработка и создание многоцелевого тераваттного ускорителя, способного обеспечить режим работы как с высоким, так и низким импедансом для исследований по физике легких лайнеров и генерации рентгеновского излучения в широком диапазоне спектра и длительности;

4. разработка и исследование сильноточных вакуумных диодов различных типов с целью получения оптимальных импульсов излучения для изучения радиационной стойкости материалов.

Научная новизна

1. Впервые создана использующая наносекундную перезарядку формирующих линий тераваттная установка «СНОП-3» с линейным импульсным трансформатором (ЛИТ) Б качестве микросекундного зарядного устройства с меньшими весогабаритными параметрами и стоимостью по сравнению с конденсаторным генератором по схеме Маркса (ГИНом).

2. Впервые разработана и создана установка (СГМ), основанная на быстрой (Тзар ~ 0,5 мкс) высоковольтной зарядке водяной формирующей линии (ФЛ) от низковольтного ГИНа с помощью электрического взрыва проводников (ЭВП). Эксплуатация установки доказала высокую эффективность такой схемы.

3. Предложена и создана установка «МИГ», способная эффективно работать в режиме как высокого (~50 Ом) импеданса, так и низкого (~1 Ом), предназначенная для использования в качестве универсального радиационного стенда и включающая в себя ЛИТ, ЭВП-прерыватель, плазменный прерыватель тока (ППТ).

4. Продемонстрирована возможность генерации сверхсильных магнитных полей при наносекундном сжатии плазменных лайнеров.

5. Получены мегавольтные наносекундные электронные пучки с энергией < 70 кДж (пинч-режим), < 90 кДж без пинчевания с высокой энергетической эффективностью (соответственно, 30 и 40% от начального энергозапаса).

6. Получены рентгеновские импульсы длительностью 30+40 не в диапазоне энергий квантов ку - 20+100 кэВ с плотностью энергии 4+5 Дж/смл на площади 50 смл при неоднородности 1 -.2 и с плотностью 1 Дж/смл на площади 500 смл с той же неоднородностью.

7. Получены импульсы длительностью 150 не с энергией ЙУ < 3,3 МВ с мощностью дозы 5-10" Р/с на площади 50 смл с неоднородностью 1:2.

8. Получены у-импульсы длительностью 10+15 не в диапазоне < 4 МэВ с мощностью дозы (1+2)-10'л Р/с на площади 2+3 смЛ.

Положения, выносимые на защиту

1. Энергопередача от низковольтного ГИНа в водяную ФЛ с помощью ЭВП-прерывателя возможна с высокой эффективностью, значительным повышением напряжения и уменьшением длительности импульса. Это следует из расчетов и практически показано на установке СГМ, где эффективность передачи >45% при шестикратном повышении напряжения и (4+5)-кратном сокращении длительности.

2. Разработан новый тип тераваттных генераторов, включающих в себя низковольтный ГИН, ЭВП-прерыватель и быстро заряжаемую (т ~ 0,5мкс) водяную ФЛ.

3. Разработан новый тип универсальных тераваттных генераторов, использующих ЛИТ в качестве первичного накопителя энергии, плазменные и электровзрывные прерыватели тока и обеспечивающих эффективное формирование электрических импульсов различной мощности и длительности как на высокоимпедансную, так и никоимпедансную нагрузку.

4. Продемонстрирована возможность получения гамма-импульсов длительностью 10+15 НС с мощностью дозы (1,5+2)-10" Р/с на расстоянии 5 мм от анода-конвертора и 2-10'Л Р/с на площади 100 смЛ с неоднородностью 1:2.

5. Получены наносекундные мегавольтные электронные пучки с энергией 60+90 кДж, позволившие генерировать излучение в спектральном диапазоне 20+100 кэВ с плотностью энергии 4+5 Дж/смЛ на площади 50 смЛ и «1 + 1,2 Дж/смЛ на площади 500 смЛ при неоднородности 1:2.

6. Показана возможность эффективной генерации сверхсильных магнитных полей при электродинамическом сжатии легких газовых лайнеров.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в создании тераваттных установок умеренной стоимости, разработке выходных устройств различного типа, позволяющих получать источники рентгеновского излучения в широком диапазоне параметров с характеристиками, достигнутыми ранее на более мощных, дорогостоящих установках. Последнее позволяет производить исследования и испытания материалов и элементов на радиационную стойкость, а также реализовывать исследования плотной высокотемпературной плазмы, физики высоких давлений и ударных волн на уровне параметров, достигнутых' ныне на более мощных установках.

Реализация результатов работ

Результаты, полученные в работе, использовались в ряде учреждений России: ЦНИИ-22, В/Ч-51105, В/Ч-25580, В/Ч-31600, НИИ Электронстандарт (г. Санкт-Петербург), Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна), Томский политехнический университет, НИИ Электрофизической аппаратуры (г. Санкт-Петербург), Институт электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург), Институт сильноточной электроники СО РАН (г. Томск).

Апробация работы и публикации

Материалы работы докладывались на научных семинарах Института сильноточной электроники СО РАН (г. Томск), Института атомной энергии им. Курчатова (г. Москва), Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна); на ежегодных Всесоюзных конференциях по физике плазмы (г. Звенигород); 1У-У11 Симпозиумах по сильноточной электронике; XII Европейской конференции по физике плазмы; IV, V Международных конференциях по мега-гауссным полям и мощным импульсным системам; 1Х-Х1 Международных конференциях по мощным пучкам частиц; X, XII Международных конференциях по мощной импульсной технике.

Материалы диссертации опубликованы более чем в 40 печатных работах, основные из которых приведены в конце доклада.

Основное содержание работы

Диссертация состоит из пяти частей и заключения. В первой части перечислены проблемы, возникшие при разработке генератора «СНОП-3» с первичным накопителем - линейным импульсным трансформатором - и формирующими водяными линиями с неуправляемыми водяными разрядниками, и описано их решение. Во второй части обсуждаются вопросы использования электровзрывного прерывателя для зарядки формирующей линии и разработки на этой основе нового типа тераваттного генератора. В третьей части представлены результаты разработки многоцелевого тераваттного генератора, способного формировать электрические импульсы широкого спектра, необходимые для ряда научных исследований и практических применений. Четвертая часть посвящена результатам исследования динамики сжимающихся лайнеров, генерации сильных магнитных полей и мощного рентгеновского излучения. Вопросы, связанные с изучением мощных рентгеновских импульсов для исследования радиационной стойкости материалов, обсуждаются в пятой части. В заключении приведены основные результаты работы и список основных публикаций автора по теме диссертации.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана новая схема мощных импульсных генераторов, включающая низковольтный ГИН, промежуточный ИН, ЭВП-прерыватель, позволяющий быстро зарядить ФЛ до напряжения, существенно превышающего напряжение ГИНа. Установлено, что 50% энергии ГИНа можно передать в ФЛ. Показаны преимущества указанной схемы в ряде конкретных случаев, а также возможность ее использования при наращивании энергозапаса.

2. На уровне энергозапаса < 300 кДж отработан ЛИТ и продемонстрированы его достоинства в качестве альтернативы ГИНу при создании мощных генераторов (меньший объем, удобство эксплуатации и размещения).

3. Создан недорогой многоцелевой генератор с мощностью до 2 ТВт, позволяющий получать практически весь спектр электрических импуль-сов,необходимых для генерации различных типов рентгеновского излучения.

4. Получены наносекундные тераваттные электронные пучки с энергосодержанием ~ 100 кДж, хорошо согласованные с генератором.

5. Продемонстрирована возможность получения мегаэрстедных магнитных полей, мощного мягкого рентгеновского излучения, использования наносе-кундных электродинамически сжимающихся лайнеров для измерения сечений взаимодействия легких ядер.

6. Продемонстрирована возможность получения рентгеновских импульсов в различных спектральных диапазонах с удельными характеристиками, близкими к рекордным на одной установке.

7. Полученные результаты позволяют проектировать установки большей мош-ности и прогнозировать мощность получаемых на них рентгеновских импульсов в различных диапазонах спектра.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность и искреннюю признательность академику Месяцу Г.А. и академику Бугаеву СП. за внимание, творческое участие и поддержку в разные периоды времени настоящей работы. Автор также благодарит сотрудников отдела выских плотностей энергии Лучинского А.В., Бакшт Р.Б., Федущака В.Ф., Ковшарова Н.Ф., Сорокина С.А., Чайковского С.А., Петина В.К., Кабламбаева Б.А., Махрина В.И., Чертова А.А. и других за помощь и плодотворное сотрудничество. •

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1. А.с. № 060039 от 14.09.83 г. Плазменная оболочка. Р.Б. Бакшт, Б.А. Каб-ламбаев, Н.А. Ратахин.

2. Получение мегагауссных магнитных полей сжатием газовых лайнеров / А.В. Лучинский, Н.А. Ратахин, С.А.Сорокин, С.А. Чайковский // Письма в Журн. техн. физики. - 1989-Т.15, вып. 18. - С. 83-86

3. Study of the implosion of wire arrays at 1 MA current pulses / R.B. Baksht,

1. M. Datsko, N.F. Kovsharov, V.V. Loskutov. A.V, Luchinsky, G.A. Me-syats, N.A. Ratakhin, S.A. Sorokin, V.P. Stasjev, V.F. Feduschak // Proc. of the 12 Europ. Conf on contr. fusion and plasma phys. - Budapesht, 1985. Part II, H. 26-29.

4. Fast implosion of liner / R.B. Baksht, I.M. Datsko, A.S. Erhaninov, N.F. Kovsharov, V.V. Loskutov, A.V.Luchinsky, B.M. Kovalchuk, G.A.Mesyats, N.A. Ratakhin, S.A. Sorokin,. V.F. Feduschak // Megagauss: Technology and Pulse Power Applications: Proc. Intern. Conf, Japan, 1986. - New York: Plenum Press, 1987. - P. 663-668.

5. Импульсный генератор СНОП-3 / Н.Ф. Ковша ров, А.В. Лучинский, Г. А. Месяц, Н.А. Ратахин, С.А. Сорокин, В.Ф. Федущак // Приборы и техника эксперимента - 1987. - № 6. - С. 84-89.

6. Исследование сжатия плазменных оболочек с вмороженным магнитным полем / Р.Б. Бакшт, А.Л. Великович, Б.А. Кабламбаев, Н.А. Либерман, А.В. Лучинский, Н.А. Ратахин // Журн. техн. физики. - 1987. - Т. 57, вып.

2. - С. 242-246.

7. Ratakhin N.A., Sorokin S.A., Chaikovsky S.A. Megagauss magnetic field generation by implosion of gas-puff liners // BEAMS'88: Proc. VII Intern. Conf on High-Power Particle beams. - Karlsruhe, 1988. - Vol. 2. - P. 1204-1209.

8. Radiation of an imploding Z-pinch / R.B. Baksht, S.P. Bugaev, I.M. Datsko, A.V. Luchinsky, G.A. Mesyats, N.A. Ratakhin, A. G. Russkikh // Proc. Aip Conf on Dense Z-pinches, 195. -Laguna Beach, USA, 1989. -P. 27-34.

9. Kablambaev В.A., Poskonin V.A., Ratakhin N.A. Compact generator with plasma flow opening switch // BEAMS'92: Proc. IX Intern. Conf. on HighPower Particle Beams. - Washington, 1992. - Vol. 2. - P. 581-586.

10. High power electron generator based on charging of a pulse-forming line by means of electrically exploded wires / N.A. Ratakhin, B.A. Kablambaev, A.V. Luchinsky, V.I. Makhrin, V.S. Sedoi // BEAMS'94: Proc. X Intern. Conf on High Power Particle Beams. - San Diego, 1994. - P. 323-326.

11. New proposals for the investigation of strong intaraction on light Nucleus at super low energies / Vit.M. Bystritsky, Vyach.M. Bystritsky, A.V. Luchinsky, G.A. Mesyats, N.A. Ratakhin, S.A. Sorokin et. al. // Nucleonika. - 1995. -Vol. 40, № 2 . - P . 85-100.

12. Ковшаров Н.Ф., Ратахин H.A., Федущзк В.Ф. Неуправляемый многоканальный водяной коммутатор в выходном каскаде генератора СНОП-3 // Изв. высш. учебн. завед. Физика. - 1995. - Т. 38, вып. 12. - С. 58-67.

13. Петин В.К, Ратахин НА., Федущак ВФ. Мощные кольцевые электронные пучки как источники рентгеновского излучения для однородной засветки объектов большой площади // Изв. высш. учебн. завед. Физика. - 1995. - Т. 38,вып. 12.-С. 33-40.

14. Мощные импульсные электрофизические установки трансформаторного типа ИСЭ СО РАН / А.В. Лучинский, Н А. Ратахин, В.Ф. Федущак, А.Н. Шепелев // Изв. высш. учебн. завед. Физика. - 1995. - Т. 38, вып. 12. - С. 58-67.

15. Мощный генератор с высоковольтной зарядкой формирующей линии путем использования электрического взрыва проводников / В.И. Махрин,

A. В. Лучинский, Н А. Ратахин, А.А.Чертов // Изв. высш. учебн. за-вед.Физика. - 1995. - Т. 38, вып. 12. - С. 52-57.

16. Исследование работы плазменного диода / Р.Б. Бак шт. И.Л. Буряк, В.К. Петин, Н А. Ратахин А.В. Федюнин, А.В. Шишлов // Изв. высш. учебн. завед. Физика. - 1995. - Т. 38, вып. 12. - С. 28-32.

17. Рентгеновское илучение установки СНОП-1 / В.И. Беспалов, И.А. Буряк,

B. К. Петин, НА. Ратахин, В.В.Рыжов, И.Ю. Турчановский // Изв. высш. учебн. завед. Физика. - 1995. - Т. 38, вып. 12. - С. 79-83.

18. Экспериментальное исследование многопроволочных цилиндрических оболочек на установке СНОП-2 / Р.Б. Бакшт, И.М. Дацко, Н.Ф. Ковшаров, А.В. Лучинский, Г.А. Месяц, Н А. Ратахин, С.А. Сорокин, В.П. Стасьев, В.Ф.Федущак // Письма в Журн. техн. физики. - 1983. - Т. 9, ВЫП.19 -С. 1192-1196.

19. Baksht R.B., Ratakhin N.A. Production of plasma column with fusion temperature using an imploded deuterium fiber array // Bull. Amer. Phys. Soc. -1996. Vol. 41. No. 7.-P. 1471.

20. Ратахин Н.А. О проблеме генерирования мощного рентгеновского илучения в диапазоне 7-20 кэВ // Изв. высш. учебн. завед. Физика. - 1997. - Т. 40, № 12. С. 92-99.

21. Кабламбаев Б.А., Ратахин Н.А. Высоковольтный генератор с индуктивным накопителем энергии и плазменным прерывателем тока микросекундного диапазона // Изв. высш. учебн. завед. Физика. - 1997. - Т. 40, № 12.-С.84-91.

22. Многоцелевой импульсный генератор трансформаторного типа (МИГ) / А.В. Лучинский, Н.А. Ратахин, В.Ф. Федущак, Н.А. Шепелев // Изв. высш. учебн. завед. Физика. - 1997. - Т. 40, № 12. С.67-75.

23. Измерение сечения реакции d + d -> лНе + п при ультранизких энергиях столкновения дейтонов с использованием Z-пинча / В.М. Быстрицким. А.В. Лучинский, В.И. Махрин, Г.А. Месяц, Н.А. Ратахин и др. // Ядерн. физика. - 1997. - Т. 60, № 8.

24. А new approach in the experimental studies of nuclear reactions at ultralow energies / V.M. Bystritsky, V.M. Grebenyuk, S.A. Sorokin, S.A. Chaikovsky, N,A. Ratakhin. A.V. Luchinsky // Nucleonica. - 1997 . - Vol. 42, No. 4. - P. 775-794.

25. Experimental study ofu^-reactions at uhraiow energies using Z-pinch / A.V. Luchinsky, V.I. Makhrin, N.A. Ratakhin, S.A. Sorokin. S.A. Chaikovsky // J.

Nucl. lustrum. And Methods. - 1998. - Vol. 42, No. 4. - P. 775-794.

26. Ratakhin N.A., Baksht R.B. Precursor Phenomenon Model for Multiwire Arrays // Proc. 12* Pulse Power Conf, Monterey, CA, 1999, pp. 1122-26.

27. Ратахин H.A., Федушак В.Ф. Высоковольтная изоляция мощного импульсного трансформатора // Изв. высш. учебн. завед. Физика. - 1999. -вып. 12.-С. 15-19.

28. Кабламбаев Б.А., Ратахин Н.А., Шляхтун СВ. Генерация жесткого рентгеновского излучения на установке МИГ с плазменным прерывателем тока // Изв. высш. учебн. завед. Физика. - 1999 - вып. 12. - С. 26-30.

29. Энергопоглощение и излучение многопроволочных лайнеров в финальной стадии сжатия /Р.Б. Бакшт, И.М. Дацко, А.В. ЛучинскийМ.Ю. Сухов, Н.А.Ратахин, А.Я. Фаенов, А.В. Федюнин, В.Ф. Федущак // Журн. техн. физики - 1989. - Т. 59, вып. 2. - С. 57-63.

30. Ratakhin N.A., Luchinsky A.V, Petin V.K., Smirnov N.A. Bremsstrahlung Radiation on SNOP-1 and SNOP-3 // BEAMS'92: Proc. IX Intern. Conf on Power Particle Beams. - Washington, 1992. - P. 1194-1199.

31. A Large-Area Diod for the SNOP Accelerator / S.P. Bugaev, A.V. Luchinsky, N.A. Ratakhin, V.K. Petin, V.F. Fedushchak // Intern. Conf on High Power Beams - San Diego, 1994. - P. 495-498.

Заключение