2.9. Измерения фона: сосчитать каждый нейтрон!
В 1974 году среди задач лаборатории нейтронных генераторов, появилась еще одна – измерения нейтронного фона (немногих нейтронов, а не их гигантских потоков от ядерного взрыва). Чтобы регистрировать фон, применялись газоразрядные счетчики, наполненные газовыми смесями на основе гелия-3, имеющего очень большое (5400 бери) сечение реакции на нейтронах, продукты которой (тритон и протон) обладают хорошей ионизирующей способностью. Счетчик представляет металлический цилиндр, наполненный газовой смесью (почему не чистым газом – станет ясно из I главы, в которой речь пойдет об исследованиях ионной кинетики).
По оси проходит тонкая вольфрамовая нить. При подаче напряжения в несколько киловольт создается крайне неоднородное распределение электрического поля: вблизи нити напряженность ею очень высока – настолько, что газ в этой области пробивается, но «частично» – по мере удаления от нити и снижения напряженности поля, «лавинообразное» размножение заряженных частиц прекращается. Начинаясь со случайного акта ионизации (например – от космического излучения), разряд затем «поддерживает сам себя»: необходимые для этого заряженные частицы образуются на электродах и в газе при облучении ультрафиолетом, испускаемым при ионизации, «выбиваются» из металла электродов при столкновениях разогнанных полем носителей заряда. Такой разряд сопровождается свечением («короной») и змеиным шипением. Ток развитого 22* (протекающего при достаточно высоком потенциале коронирующего электрода) разряда практически постоянен (с незначительными флуктуациями) и составляет микроамперы.
Если «залетевшая» частица ионизует газ в счетчике, то установившееся распределение заряженных частиц между электродами нарушается и ток скачком возрастает – настолько, что даже осциллограф без дополнительного усилителя надежно регистрирует этот импульс.
Сложность заключалась в том, что прибор должен был работать в глубокой шахте, причем жилы кабеля, по которым подавалось постоянное напряжение питания (24 В) были стальными, довольно тонкими и сопротивление их заметно менялось при колебаниях температуры. Имевшиеся стабилизаторы напряжения не справлялись с компенсацией всех неблагоприятных возмущений.
Работу поручили двум молодым специалистам, Б. Смирнову и мне, причем я был ответственен за высоковольтную часть схемы, а Борис (выпускник факультета автоматики МИФИ), не имевший опыта работы с высоким напряжением – за стабилизатор. Борис требовал во много раз уменьшить ток, потребляемый преобразователем напряжения (из 24 В в 2,5 кВ): это означало меньшее падение напряжения на кабеле и более благоприятный режим работы стабилизатора.
Для меня знакомство с преобразовательной техникой началось с изучения нескольких популярных брошюр, потому что такой курс не преподавали на нашем факультете. Со времен прочтения книг Лея и Сибрука, была выработана привычка «вытаскивать» информацию из каждой фразы. В преобразователе было нечто общее с уже изученной схемой поджига трубки: тут тоже перемагничивался сердечник трансформатора. На сердечнике были намотаны, причем – в противоположных направлениях – две первичные обмотки. Если, при протекании тока в одной, сердечник намагничивался до насыщения и эта обмотка хорошо проводила ток, то другая – почти не проводила его, потому что для нее сердечник был намагничен в «другом» направлении. Два транзистора поочередно переключали первичные обмотки, при этом ток во вторичной обмотке скачками менял полярность, с частотой в несколько килогерц. Было спаяно много макетов преобразователя, когда, потребление тока довели до физического минимума в 12 миллиампер (при таком токе даже запуск был неустойчивым, задерживаясь иногда на 5-10 минут после подачи напряжения). Остановились, конечно, на более надежном значении в 20 миллиампер. В трансформаторе преобразователя требовалось вручную намотать 12000 витков вторичной обмотки вокруг кольцевого сердечника, при этом надежно изолируя каждый слой обмотки – адова работа!
Измерители фона должны были, в отличие от всего, что мне приходилось делать раньше, производиться небольшой серией. Макет прошел все температурные, ресурсные и прочие испытания, но, когда конструкторы и технологи приступили к проектированию изделия, у них полезли на лоб глаза, прежде всего – от впечатлений, которые они вынесли от трансформатора. Их требование снизить трудоемкость было, конечно, справедливым и позже прошло решение, устроившее всех. Оно заключалось в том, чтобы отказаться от изоляции слоев, увеличив нагрузку на провода: каркас сердечника был разделен па много секций, внутри каждой из которых разрешалось наматывать витки с перехлестами. Число секций было таким, что внутри каждой был возможен (да и то маловероятен) контакт проводов с разностью потенциалов не более 30 В. Такая конструкция сняла многие претензии технологов.
22* Или – «развитого»? Государственные деятели СССР произносили это слово именно так. Пусть читатель сам выберает между грамотностью и ностальгией по империи
2.10. Знакомство с «быстрыми» гармониками, « Уходит он, с волнами споря…»
К удивлению руководства лаборатории, да и самих молодых разработчиков, измерители нейтронного фона работали безотказно (по большей части, это, конечно, было заслугой опытных конструкторов). Но в шахту опускалось и много других приборов, которые также потребляли мощность, и не несколько ватт, а значительно большую. Мне поручили заняться источником питания с выходной мощностью в киловатт. Требовалось переменное напряжение частотой в несколько килогерц, но обязательно – синусоидальной формы. Если форма импульсов была прямоугольной (как в преобразователях с насыщающимися сердечниками), то на других жилах кабеля, служивших для передачи информации, появлялись наводки от множества высокочастотных («быстрых») гармоник (рис. 2.17). Используя кабель, свернутый в огромную катушку я убедился в этом. Чтобы получить напряжение без гармоник, требовался феррорезонансный преобразователь с двумя сердечниками: одним – насыщающимся, другим – с линейными характеристиками. Опять же, после изучения популярных брошюр был спаян макет, на котором было получено синусоидальное напряжение, но выходная мощность была небольшой (около десятка ватт).
Описание того или иного устройства может занять несколько строк, но при его создании неизбежны многие тупики. Кажущаяся достоверной, «выжатая» из литературы информация не дает желанных результатов (как правило, потому, что не все факторы бывают учтены, но если заранее знать, что существенно – можно и без литературы обойтись!). К тому же, нельзя сказать, что именно в это время все мои мысли были посвящены феррорезонансному преобразователю. Я не выполнил эту последнюю на должности инженера НИИАА работу, за что немного стыдно и сейчас.
