Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Разработаны полуаналитические модели для анализа динамики плазменных потоков в лазерно-плазменном ионном источнике нейтронного генератора. Анализ динамики плазменных потоков стоит на понятиях о двух токах: парциальном и предельным. Парциальной ток определяется тепловым движением частиц плазмы или направленным движением плазменной границы и задает эмиссионную способностью плазмы. Предельный ток - ток ограниченный пространственным зарядом (закон Чайлда-Ленгмюра). На первой стадии развития разряда происходит расширение плазмы и из нее извлекаются ионы дейтерия под действием электрического поля. По мере расширения плазмы и извлечения из нее ионов, происходит уменьшение парциального тока, и увеличение тока предельного. Когда значения предельного и парциального токов совпадают расширение плазмы прекращается. Амплитуда же ионного тока в разрабатываемом диоде может достигать значений около 200 А для лазера с энергией 0.075 Дж и около 10 кА для лазера с энергией 5 Дж. 2. Проведен анализ физических процессов в лазерно-плазменном ионном источнике нейтронного генератора с помощью модели в KARAT. Моделирование показало, что на первой стадии развития разряда происходит расширение плазмы в межэлектродный промежуток и из нее начинают извлекаться ионы дейтерия под действием электрического поля. Примерно через 3 нс после начала разряда, находящиеся в промежутке между плазменной границей и катодом ионы начинают достигать катода, что означает быстрый рост ионного тока на катод. После этого промежуток плазменная граница – катод переходит в состояние, в котором ионный ток ограничен объемным зарядом, а его величина определяется законом Чайлда-Ленгмюра. Дальнейшее расширение плазменного сгустка вызывает сокращение длины ускоряющего промежутка плазма – катод и приводит к увеличению тока. Далее, по мере извлечения ионов из лазерной плазмы, ее концентрация уменьшается, что приводит к снижению эмиссионной способности плазмы и, соответственно, к уменьшению ионного тока. 3. Определена оптимальная конфигурация катод-анодного промежутка. Оптимальной конфигурацией катод-анодного промежутка с точки зрения его электрической прочности и доли ионного тока, попадающего на нейтронообразующую мишень, является усеченный конус. Геометрические параметры конуса определяется из условия оптимального соотношения между величиной индукции магнитного поля (размеры постоянных магнитов - длина конуса), электрической прочностью ускоряющего промежутка и достигаемым в нем предельным током ионов (диаметр конуса). 4. Проведено численное моделирование процесса подавления обратных электронов от ионно-электронной эмиссии на нейтронообразующей мишени магнитным полем цилиндрического постоянного магнита. Получение индукции магнитного поля величиной 0.4 Тл на оси системы, при внутреннем диаметре магнитов в 70 мм (10 мм диаметр лазерной мишени и 30 мм ускоряющего промежутка) требует равенства внешнего диаметра магнита 200 мм. Моделирование показало, что для лазерного импульса энергией 0.1 Дж при длине волны 1.06 мкм и длительности – 10 нс для ZrD мишени, полезный ионный ток на поверхность нейтронообразующей мишени составяет импульс амплитудой в 120 А длительностью в 100 нс. На мишень здесь попадает 43% ионного тока. 5. Найдено распределение магнитного поля, полностью подавляющеее поток обратных электронов. Линии магнитного поля идут преимущественно вдоль конической нейтронообразующей мишени. Вблизи оснований усеченного конуса мишени линии поля изгибаются так, чтобы входить в выступающие у границ мишени элементы магнитопровода под небольшим углом. Величина модуля индукции магнитного поля в 5 мм окрестности нейтронообразующей мишени находится в диапазоне от 0,3 до 0,4 Тл, причем степень однородности ~ 10% выполняется более чем на половине длины мишени. Моделирование разлета лазерной плазмы с данным распределением магнитного поля показало: амплитуда импульса составляет 310 А, длительность – 100 нс, доля ионов, попадающих на катод – 74%, что приблизительно в два раза превосходит ток с простым цилиндричеким магнитом. Обратные электроны анода не достигли. 6. Генератор импульсного напряжения по модифицированной схеме Аркадьева – Маркса на напряжение в диапазоне 100 – 350 кВ отлажен для экспериментального стенда. Коммутация первого разрядника ГИН осуществляется с помощью части излучения используемого импульсного лазера, которая фокусируется на положительный электрод первого разрядника. Характерное время срабатывания первого разрядника ГИН составляет 10 нс. Характерное время задержки включения всего ГИН составяет 70 нс. Ударная емкость ГИН составляет 5 нФ. Ток короткого замыкания ГИН на низкоомную плазменную нагрузку в вакуумной камере с имеющимися индуктивностями конденсаторов, разрядников и цепей подводки составляет 2,5 кА. 7. Вакуумная камера для экспериментального стенда с электрическим оптическим вводами. Вакуумная камера из нержавеющей стали объемом около 15 литров содержит просветленный на 1064 нм оптический ввод; высоковольтный ввод на +350 кВ, изготовленный из капролона; патрубок для широкодиапазонного датчика давления с развязывающим изолятором; патрубок с вентилем для напуска воздуха; патрубок ДУ - 63 с развязывающим изолятором для турбомолекулярного насоса. 8. Датчики импульсного тока на основе пояса Роговского и напряжения на основе резистивного малоиндуктивного делителя. Пояс Роговского обладает коэффициентом преобразования (56 ± 2) А/В на диапазоне 10 – 2000 А (0.16 – 30.5 А/нс). Через согласующий 50-омный резистивный делитель с коэффициентом 1:11.6 этот пояс подключается к осциллографу. Измерение напряжения на исследуемом диоде осуществляется с помощью каскада из двух делителей напряжения. Первый из них выполнен в виде шунтирующего резистивного делителя, собранного на резисторах ТВО-60 общим номиналом 30 кОм и имеющим коэффициент деления 1:15. На него установлен высоковольтный делитель Tektronix P6015A с коэффициентом 1:1000, который подключается непосредственно к осциллографу. 9, Измерение нейтронного выхода генератора нейтронов на лазерно-плазменном источнике ионов. Нейтронные измерения проводились посредством двух приборов: длинный счетчик типа Хансена-МакКиббена, сконструированный в варианте Мак-Таггарта и прибора измерения выхода нейтронов ТПИВН61. Устройство типа Хансена-МакКиббена представляет собой пропорциональный детектор медленных нейтронов типа СИ-10н, помещенный в цилиндрическую оболочку из парафина, который служит замедлителем быстрых нейтронов. ТПИВН61 предназначен для измерения выхода нейтронов от импульсного нейтронного излучателя с энергией нейтронов в интервале 0.5—15 МэВ. Относительная погрешность измерения выхода нейтронов не более 20%. 10. Лазерное сканирующее устройство. Блок сканирования представлет собой специальный линзодержатель, в который устанавливается фокусирующая лизна, и к которому прикреплены сердечники двух электромагнитных реле, осуществляющие осцилляции линзодержателя.Таким образом, осуществляется сканирование фокусирующей линзы по двум координатам в плоскости, перпендикулярной трассе лазерного луча. Сканирование фокусирующей линзы выполнялось на расстояние до ± 0,5 см. Это позволяет обеспечить равномерную эррозию поверхности лазерной мишени. 11. Системы синхронизации моментов включения различных подсистем экспериментального стенда. Синхронизация лазерного и импульса от ГИН осуществляется двумя способами. Первый - с помощью части лазерного излучения, преломленной на анод первого разрядника ГИН. Второй - с помощью трех изготовленных блоков регулируемой задержки, встроенных между блоком накачки лазера, блоком управления оптическим затвором лазера и первым разрядником ГИН, выполненным на основе тригатрона. 12. Разработка эскиза конструкции лазерно – плазменного ионного диода с системой магнитной изоляции на постоянных магнитах, обеспечивающих полное подавление вторично – эмиссионных электронов. Эскиз конструкции лазерно-плазменного ионного диода, позволяющей реализовать требуемое распределение магнитного поля (п. 5) был разработан.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Экспериментальное исследование лазерно-плазменного ионного диода с системой магнитной изоляции на постоянных магнитах проводилось на экспериментальном стенде, включающем в себя лазерный источник излучения со следующими характеристиками: длина волны 1064 нм, энергия в импульсе ~ 0.2 Дж и 0.7 Дж, плотность мощности ~ 10^10 Вт/см^2 – 10^11 Вт/см^2, длительность импульса ~ 8 нс; лазерную мишень, изготовленную из ZrD со стехиометрией 0.8, генератор импульсного напряжения (Аркадьева-Маркса) с амплитудой напряжения 150 кВ – 250 кВ, состоящий из 10 каскадов содержащих конденсаторы емкостью по 0,05 мкФ и напряжением до 50 кВ, а также систему магнитной изоляции на постоянных магнитах. Рабочий вакуум не превышал 5·10^-5 Торр. Проведены эксперименты по генерации нейтронов в новом импульсном портативном лазерно-плазменном ионном диоде с магнитной изоляцией вторичных электронов полем постоянных магнитов. Параметры импульсов диодного тока находились в следующих диапазонах значений: амплитуда 0.8—2.2 кА, длительность 0.2—1.0 мкс, при средней величине ускоряющего напряжения в 110 кВ и энергии лазера до 0.7 Дж. В эксперименте с прототипом данного диода наблюдался ток величиной ~ 120 A при длительности на полувысоте ~ 0.3 мкс и среднем напряжении ГИН в 280 кВ. Достигнут нейтронный выход в (2.1±0.7)·10^7 н/имп при средней величине ускоряющего напряжения в 110 кВ и 0.7 Дж энергии лазера. Анализ осциллограмм тока и напряжения на диоде показал значимость замедляющего расширение лазерной плазмы действия магнитного поля на итоговое значение нейтронного выхода. Оно проявляется посредством увеличения длительности импульса диодного тока, а также роста амплитуды тока до килоамперных значений, что возможно только при длительном нахождении плазмы вблизи поверхности мишени (< 3 мм, что составляет 10% от общей длины ускоряющего промежутка). Наличие ГИН с достаточным энергозапасом позволило бы получить не менее чем 9·10^7 н/имп (d(d,n)3He реакция) при 200 кВ амплитудного напряжения и энергии лазерного импульса в 0.2 Дж. Такого нейтронного выхода уже достаточно для проведения исследований для сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) на радиационную стойкость, что является востребованным в электронной промышленности. Исследования одиночных сбоев в современных изделиях микроэлектроники под воздействием нейтронных потоков позволили выработать требования на параметры установок, генерирующих подобные потоки: 1. Возможные типы ядерных реакций: DD и DT. 2. Максимальный выход нейтронов за импульс: 10^8 н/имп для DD реакции, 10^10 н/имп для DT реакции. 3. Частота следования импульсов: единицы-десятки Гц. 4. Расстояние от нейтронообразующей мишени (плоская конструкция) до места размещения СБИС – 5-10 см. Для удовлетворения данных требований достаточно разработки и изготовления нового ГИН на напряжение от 200 кВ и энергозапас от 2000 Дж, при возможности работы с частотой ~ Гц, либо на большее напряжение и энергию, но при меньшей частоте. Весьма обнадеживает то обстоятельство, что создание ГИН с подобными параметрами не является трудноразрешимой задачей, а значит перспективы создания нового источника нейтронного излучения, пригодного для проведения испытаний сверхбольших интегральных схем на радиационную стойкость представляются весьма реальными. Способность лазерно-плазменного источника ионов с магнитной изоляцией генерировать длительные сильноточные пучки ионов открывает возможности и для других его применений. Так, прямой импульсный ускоритель на энергию 1.5 – 2 МэВ и способный работать в частоте ~ Гц, снабженный подобным источником, предназначенным для генерации импульсов ионного тока амплитудой ~ 3 кА и длительностью ~ 1 мкс может использоваться для производства линейки короткоживущих изотопов 18F, 11C, 13N, 15O активностью от 1 Ки, используемых в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Можно так же отметить, что такие технологии как рентгенография, электронная микролитография, рентгенография и нейтронография нуждаются в нейтронном генераторе с нейтронным выходом выше 10^9 н/импульс, чего вполне возможно достигнуть на базе лазерно-плазменного источника ионов.