Способ получения мягкого рентгеновского излучения
Владельцы патента RU 2653696:
Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" (АО "ГНЦ РФ ТРИНИТИ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "РОСАТОМ" (RU)
Изобретение относится к средствам получения мягкого рентгеновского излучения. В изобретении предусмотрена импульсная подача рабочего газа, представляющего собой неон; формирование потоков плазмы рабочего газа путем ионизации потоков рабочего газа; ускорение потоков плазмы рабочего газа; встречное столкновение потоков плазмы рабочего газа в продольном магнитном поле внутри вакуумного лайнера. Техническим результатом является получение мощного линейчатого излучения с длиной волны до 1,3 нм при эффективности преобразования энергии плазменного потока в энергию излучения не менее 50%. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области генерации мягкого рентгеновского излучения и может быть использовано для исследования взаимодействия такого излучения с различными материалами и, соответственно, для получения покрытий с новыми свойствами, в частности, при изготовлении высокотехнологичного энергетического оборудования.
Способ получения рентгеновского излучения базируется на преобразовании кинетической энергии ускоренных потоков плазмы в тепловую энергию с последующей ее трансформацией в энергию излучения.
Устройствами, формирующими мощные потоки плазмы, служат плазменные ускорители, принципиальной особенностью которых является импульсный напуск газа в межэлектродный зазор с последующей подачей высоковольтного напряжения от конденсаторных батарей на коаксиальные электроды для ионизации газа и его электродинамического ускорения пондемоторными силами.
Известны способы получения мягкого рентгеновского излучения на базе плазменных ускорителей типа плазменный фокус, в которых в качестве рабочего газа используют неон [1]. Этот способ позволяет получить излучение с длиной волны до 1 нм, но энергия излучения невысокая и имеет широкий спектральный диапазон.
В качестве прототипа [2] выбран способ получения мягкого рентгеновского излучения при встречном столкновении высокоскоростных потоков азотной плазмы в продольном магнитном поле. В способе проведены спектральные и энергетические измерения излучения из центральной зоны взаимодействия плазменных потоков. Основная доля энергии из зоны столкновения сгустков азотной плазмы высвечивается в линиях гелие- и водородоподобных ионов азота. Энергия излучения азотной плазмы в режимах столкновения на скоростях 5⋅107 см/с составила до 1 кДж с погонного сантиметра. Длительность импульса излучения, лежащего в спектральном интервале от 2.4 нм до 2.9 нм, не превышала 5 мкс.
Однако этот способ был реализован для азотной плазмы и не позволяет получать линейчатое рентгеновское излучение с длиной волны менее 2 нм.
Техническим результатом данного изобретения является получение мощного линейчатого излучения с длиной волны до 1,3 нм при эффективности преобразования энергии плазменного потока в энергию излучения не менее 50%. Для достижения этого результата предложено усовершенствовать известный способ получения мягкого рентгеновского излучения, включающий импульсную подачу рабочего газа в разрядные камеры двух идентичных электродинамических ускорителей, посредством которых генерируются встречные высокоскоростные потоки плазмы с их последующим столкновением в вакуумном лайнере с продольным магнитным полем. Усовершенствование заключается в том, что в качестве рабочего газа используется неон, количество которого в каждом ускорителе составляет 1020÷1021 частиц, а энергозапас конденсаторных батарей достигает 200÷300 кДж.
Достижение технического результата возможно с помощью способа получения мягкого рентгеновского излучения, включающего: импульсную подачу встречно направленных потоков рабочего газа, причем рабочий газ представляет собой неон; формирование плазмы рабочего газа путем ионизации рабочего газа; ускорение потоков плазмы рабочего газа; встречное столкновение потоков плазмы рабочего газа в продольном магнитном поле внутри вакуумного лайнера. В соответствии с настоящим способом встречно подают по 1020÷1021 частиц рабочего газа.
Для реализации вышеописанного способа, предложено устройство для получения мягкого рентгеновского излучения, благодаря которому также достигается указанный технический результат. Устройство содержит: вакуумный лайнер с продольным магнитным полем; ускорители, встречно установленные на концах лайнера и содержащие электроды, размещенные с возможностью ионизации рабочего газа при подаче на них высокого электрического напряжения; источники рабочего газа, выполненные с возможностью импульсной подачи рабочего газа через внутренние электроды ускорителей, причем рабочий газ представляет собой неон.
В предпочтительном варианте поверх вакуумного лайнера могут быть установлены соленоиды, формирующие продольное магнитное поле в вакуумном лайнере. Ускорители могут быть выполнены в виде коаксиально установленных конусообразных электродов. Для обеспечения ионизации рабочего газа устройство может содержать конденсаторные батареи, выполненные с возможностью подачи на электроды ускорителей импульсов высоковольтного напряжения через управляемые вакуумные разрядники. В предпочтительном варианте конденсаторные батареи выполнены с возможностью запаса и импульсной подачи на каждый ускорители энергии в пределах 200÷300 кДж. Для реализации способа источники рабочего газа в устройство выполнены с возможностью импульсной подачи 1020÷1021 частиц рабочего газа за один импульс. Для этого источники рабочего газа могут быть снабжены импульсными газовыми клапанами, установленными с обеспечением управления подачей рабочего газа в ускорители.
Существо изобретения поясняется прилагаемой чертежом, на котором показана принципиальная схема возможного варианта выполнения устройства для реализации способа. Описана конкретная реализация устройства в целях пояснения принципа работы и, таким образом, не предназначенная для ограничения объема охраны. Необходимо понимать, что могут быть осуществлены и другие конфигурации устройства, также позволяющие выполнить способ по настоящему изобретению. Объем охраны устройства определяется формулой изобретения.
В состав устройства входят два идентичных электродинамических ускорителя. Каждый плазменный ускоритель состоит из двух конусных коаксиальных электродов - внутреннего 1 и внешнего 2, разделенных у оснований электродов кольцевыми изоляторами 3. Во внутренних электродах имеются каналы 4 для напуска рабочего газа из импульсных газовых клапанов 5. Электроды укорителей подключены через управляемые разрядники 6 к высоковольтным конденсаторным батареям 7. Между ускорителями установлен металлический вакуумный лайнер, выполненный в виде цилиндрической камеры 8, в которой с помощью многовитковых соленоидов 9 создается продольное магнитное поле.
Осуществляют способ следующим образом. Предварительно в разрядную камеру каждого ускорителя импульсные клапаны подают рабочий газ - неон в количестве 1020÷1021 частиц. Рабочий газ ионизируется вследствие его пробоя при подаче высокого напряжения на электроды ускорителей от конденсаторных батарей через управляемые вакуумные разрядники. Энергозапас конденсаторных батарей должен быть в пределах 200÷300 кДж. В результате прохождения разрядного тока через ионизированный рабочий газ пондеромоторные силы ускоряют плазменные потоки вдоль оси ускорителей до скоростей 4⋅107 см/с. После выхода из ускорителей плазменные потоки движутся в продольном магнитном поле навстречу друг другу и сталкиваются в центральном сечении вакуумного лайнера.
Термализация направленной кинетической энергии плазменных потоков приводит к быстрому росту электронной температуры, что позволяет преодолеть так называемый «радиационный барьер» [3] и достичь высокой кратности ионизации неона (Ne 8+), необходимой для генерации излучения мягкого рентгеновского диапазона с длиной волны вплоть до 1,3 нм.
Способ получения рентгеновского излучения базируется на преобразовании кинетической энергии ускоренных до 4⋅107 см/сек потоков плазмы неона в тепловую энергию с последующей ее трансформацией в энергию излучения.
Встречные высокоскоростные потоки плазмы генерируются двумя идентичными электродинамическими ускорителями с использованием в качестве рабочего газа - неона, с количеством частиц 1020÷1021 в каждом ускорителе. Столкновение потоков происходит в продольном магнитном поле до 2Тл, обеспечивающем достаточную термоизоляцию плазмы от стенок металлического вакуумного лайнера в зоне столкновения.
При энергозапасе конденсаторных батарей каждого ускорителя 200÷300 кДж обеспечивается выход мощного линейчатого излучения с длиной волны до 1,3 нм и длительностью ≤5 мкс.
Источники информации
[1] S.M.P. Kalaiselvi, T.L. Tan, A. Talebitaher, P. Lee, R.S. Rawat, "Optimization of neon soft X-rays emission from 200 J fast miniature dense plasma focus device: A potential source for soft X-ray lithography" // Physics Letters A, v.377, n. 18, 2013, pp. 1290-1296.
[2] Бахтин В.П., Волков Г.С., Еськов А.Г., Житлухин A.M., Топорков Д.А., Умрихин Н.М., «Рентгеновское излучение при встречном столкновении высокоскоростных потоков азотной плазмы» // 39 Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2012 г.
[3] Степанов А.Е., Сиднев В.В., «Об условиях преобразования кинетической энергии сверхзвукового плазменного потока в мягкое рентгеновское излучение» // Физика плазмы, 1989, т. 15, в. 8, с. 1000-1007.
1. Способ получения мягкого рентгеновского излучения, включающий:
- импульсную подачу рабочего газа, причем рабочий газ представляет собой неон;
- формирование плазмы рабочего газа путем ионизации рабочего газа;
- ускорение потоков плазмы рабочего газа;
- встречное столкновение потоков плазмы рабочего газа в продольном магнитном поле внутри вакуумного лайнера.
2. Устройство для получения мягкого рентгеновского излучения в соответствии со способом по п. 1, содержащее:
- вакуумный лайнер с продольным магнитным полем;
- ускорители, встречно установленные на концах лайнера и содержащие электроды, размещенные с возможностью ионизации рабочего газа при подаче на них высокого электрического напряжения;
- источники рабочего газа, выполненные с возможностью импульсной подачи рабочего газа в ускорители, причем рабочий газ представляет собой неон.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поверх вакуумного лайнера установлены соленоиды, формирующие продольное магнитное поле в вакуумном лайнере.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ускорители выполнены в виде коаксиально установленных конусообразных электродов.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит конденсаторные батареи, выполненные с возможностью подачи на электроды ускорителей импульсов высокого электрического напряжения через управляемые вакуумные разрядники.
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что конденсаторные батареи выполнены с возможностью накопления и импульсной подачи на каждый ускоритель энергии в пределах 200÷300 кДж.
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источники рабочего газа выполнены с возможностью импульсной подачи 1020÷1021 частиц рабочего газа за один импульс.
8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источники рабочего газа снабжены импульсными газовыми клапанами, установленными с обеспечением управления подачей рабочего газа в ускорители.
