Импульсный генератор нейтронов (его варианты)

 

1. Импульсный генератор нейтронов , содержащий последовательно расположенные источник пучка ионов водорода , систему формирования пучка, нейтроннообразующую мишень, выполненную в виде кристаллической пластины. отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода нейтронов, кристаллическая пластина, кристаллографические плоскости которой ориентированы параллельно ее облучаемой поверхности , равномерно изогнута с радиусом R fif и установлена на расстоянии Б от источника ионов так, что угол 0 между облучаемой поверхностью и осью генератора удовлетворяет выражению f/2 t-t U(dp/2yu,) + l С, где С| критический угол каналиi рования; (Л и, высота потенциального барьера в кристалле; и(dp/2) величина потенциала на половине межплоскостного потенциала кристалла dp. СП Од 00 Од sl

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1056867 A (51) 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода нейтронов, кристаллическая пластина, кристаллографические плоскости которой ориентированы параллельно ее облучаемой поверхности, равномерно изогнута с радиусом R = Pp „и установлена на расстоянии

В от источника ионов так, что угол

9 между облучаемой поверхностью и осью генератора удовлетворяет выражению

Ю (U(d /2Щ )+1) П(а /2) фие. 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3430422/18-21 (22) 27.04.82 (46) 30.04.86. Бюл. В 16 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте (72) С.А.Воробьев, В.В.Каплин и Е.И.Розум (53) 621.384.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 457406, кл. G 21 С 4/02, 1975.

Высоцкий В.И. и др. Письма в ЖТФ, 1981, т. 7, п. 16, с. 981. (54) ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ (ЕГО ВАРИАНТЫ). (57) 1. Импульсный генератор нейтронов, содержащий последовательно расположенные источник пучка ионов водорода, систему формирования пучка, нейтроннообразующую мишень, выполненную в виде кристаллической пластины, критический угол каналирования; высота потенциального барьера в кристалле; величина потенциала наполовине межплоскостного потенциала кристалла dp.

2. Генератор, содержащий последовательно расположенные источник пучка ионов водорода, систему формирования пучка, нейтроннообразующую мишень, выполненную в виде кристаллической пластины, кристаллографические оси которой ориентированы нормально к ее поверхности, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью увеличения выхода нейтронов, мишень выпол— иена из материала в виде бинарного соединения элемента с атомным номером И с дейтерием или тритием, равномерно изогнута с радиусом R = В и установлена на расстоянии 3 от исгде <ф„ — критический угол каналирования для этого направления; — атомный номер дейтерия или трития.

6867 точника так, что угол 8 между осью генератора и ее кристаллографическнм направлением, для которого чередуются атомные оси или плоскости, каждая из элемента с одинаковым атомным номером Е, или К, удовлетворяет выражению

Изобретение относится к области технической физики, а именно к методам и устройствам получения потоков нейтронов.

Известен импульсный источник моноэнергетических нейтронов,. содержащий ускоритель дейтронов низкой энергии, снабженных дейтериевой D или тритиевой Т мишенями.

Реакция D(d, n) Не экзотермическая и часто используется для получения нейтронов с энергией больше

ЗМэВ. Сечение реакции при малых энергиях определяется проницаемостью кулоновского барьера и резко растет с увеличением энергии дейтрона от

10 см при энергии 0,01 МэВ до

-26

10 см при энергии 0,08 Мэв, дости-15 гая максимума 10 см при энергии а

4 около 2 МэВ. Реакция T(d, n) Не позволяет получить моноэнергетические нейтроны с энергиями до 30 МэВ.

В ходе сечения реакции T(d, n)He имеется резонанс при энергии дейтрона 0,11 МэВ с максимальным значением сечения 5 ° 10 см2.

Такое большое сечение делает эту реакцию особенно удобным источником моноэнергетических нейтронов с короткими длительностями импульсов.

Средний выход нейтронов доходит до 10 о нейтр /с при максимальном мгноIZ венном выходе до 2 10 нейтр/с.

Наиболее близким к изобретению является импульсный генератор нейт- 3g ронов, содержащий источник коллимированного пучка дейтронов и монокристаллическую мишень, включающую дейтерий или тритий, которая ориентирована под углом 8 = „ своей кристаллической осью или плоскостью относительно оси пучка дейтронов, где „ - критический угол каналирования.

Принцип работы такого устройства заключается в том, что при углах падения дейтронов 6 = „ вдоль атомных осей или плоскостей, заселяются состояния каналируемых дейтронов вблизи вершины потенциального барьера, что приводит к преимущественной локализации налетающих частиц в области высокой плотности ядер дейтерия или трития и увеличению выхода термоядерных реакций. При этом допустимая область угловой расходимости пучка дейтронов для захвата в режим околобарьерного каналирования определяется как de =p„U/,+2II =

=((/20, где U — поперечная амплитуда тепловых колебаний атомов;

r — радиус. боровской орбиты,, (Vî /Eî)

Ч вЂ” высота потенциального барьера;

Е, — энергия дейтронов.

Поскольку для кристаллических поверхностей и осей с малыми индексами высота потенциального барьера Ч, 1056867 1к («/ г) к

30 где Ч, — критический угол каналикг рования для этого направления;

Е « — атомный номер дейтерия или трития .

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого генератора, первый вариант; на фиг. 2 — то же, второй вариант.

Схема содержит пучок 1 дейтронов, 40 систему 2 для формирования пучка, выполненную, например, в виде коллиматора с угловой расходимостью оО кристаллическую мишень 3, содержащую дейтерий или тритий, которая закреп45 лена в специальном электромеханическом устройстве для ориентации и изгиба кристаллической пластины относительно оси падающего пучка. Кристалл вырезан в виде прямоугольной пластины так, что его главные кристаллографические плоскости лежат строго вдоль его рабочей поверхности.

Кристаллическая мишень установлена своей рабочей поверхностью.под yr55 лом 8 = с p „ относительно оси пучка дейтронов. Здесь величина с =

= ((U(dp/2)Бо ) + 1, где U — высота потенцйального барьера, а U(dp/2) 2 эВ и V 10 эВ, то для нейтронов оа с энергией Е 0,11 МэВ имеем крио о тический угол для плоскости 9„ = 0,Ь о кр и для оси у „ 1,5 и соответственно допустимый угловой разброс пучка ь 9 = 0,03 и а 8о = 0,07 . При этом .продольная монохроматичность пучка должна быть не хуже ьЕ/Е, = 4 ь 6 /8"- 0,2.

Недостатком такого устройства является то, что при захвате дейтронов и надбарьерные состояния при угле падения 8 = (у„ относительно атомных осей или плоскостей заселяется широкая зона 6 Е; поперечных энергий околобарьерного состояния.

Кроме того, ширина зоны даже для параллельного пучка дейтронов составляет ЬЕ = Е q г + V(x. ), т.е. зависит от положения х точки влета час1 тицы в кристалл относительно атомной плоскости. Величина х; лежит в пределах от 0 до dp/2, где d p — расстояние между атомйыми плоскостями, поэтому имеем аЕ = 2 Е«« „. Кроме того, Ь Е зависит от угловой расхо2 и димости пучка s8, д Е =2Е« „+Еьд которая не является малой с самого начала, а с глубиной кристалла еще возрастает вследствие многократного рассеяния дейтронов. При большой ширине эоны ьЕ дейтроны потолка зоны будут слабее взаимодействовать с ядрами кристалла, чем дейтроны дна зоны поперечных энергий. Учет расплывания зоны 6Е объясняет причину, почему прямое использование эффекта каналирования дейтронов в околобарьерных состояниях не позволяет достигнуть ожидаемую величину повышения выхода термоядерных нейтронов для вcего пучка.

Целью изобретения является увеличение выхода нейтронов.

Цель достигается тем, что в импульсном генераторе нейтронов, содержащем последовательно расположенные источник пучка ионов водорода, систему формирования пучка, нейтронообразующую мишень, выполненную в виде кристаллической пластины, кристаллическая пластина, кристаллографические плоскости которой ориентированы параллельно ее поверхности, равно-« мерно изогнута с радиусом. R=E g „ и установлена на расстоянии E от источника так, что угол 6 между об" лучаемой поверхностью и осью генератора удовлетворяет выражению:

= (U(d, /2) /ПД" y„, где y — критический угол каналирок вания;

U — высота потенциального о барьера в кристалле;

U(d /2) — величина потенциала на поP ловине межплоскостного потенциала кристалла Й

Кроме того, в импульсном генераторе нейтронов, содержащем последо10 вательно расположенные источник пучка ионов водорода, систему формирования пучка, нейтронообразующую мишень, выполненную в виде кристаллической пластйны, кристаллографические оси

15 которой ориентированы нормально к ее поверхности, мишень выполнена в виде бинарного соединения элемента с атомным номером Е с дейтерием или тритием, равномерно изогнута с

20 радиусом К= 1 и установлена на расстоянии 3 от источника так, что угол между осью генератора и ее кристаллографическим направлением, для которого чередуются атомные оси или

25 плоскости, каждая из элемента с одинаковым атомным номером Е«, или

Z удовлетворяют выражению г

S величина потенциала на половине межплоскостного потенциала dp. Для плоскостного потенциала U г/3 2

О

=. 2 и Z Ы г/К d, где Š— атомный

HoMp.p d о суть плотности атомов в плоскости. Отсюда, величина константы с - 0,3 для (100) атомной плоскости кристалла LiD. Радиус изгиба пластины выбирается из условия ее упругой деформации и не должен превьппать величины 1000 ht, где A t— ее толщина. Для производства изгиба кристаллической пластины использовано устройство Боровского-Гильварга двумя изгибающими опорными цилинд- !5 рами. Требуемый радиус изгиба пластины

-t равен R = 3 g „, где 3 — расстояние от источника дейтронов до кристаллической пластины, E = d/д9 . Здесь

d — поперечньпЪ размер лучка дейтро- 20 нов на мишени, а „ =1,2 ° 10 рад для дейтронов с энергией Е = О, 13 МэВ, Отсюда для поперечного размера пучка d = 1 мм и радиус изгиба должен быть R 2,2, при д9 = З „и К=-8 м при ЬВ = 10 „. Соответственно расстояние пластины от источника будет

2,5 см и 1 см, Поскольку условие упругого изгиба выполняется при толщине мишени pt 4 10 R то соответ- 30 ствующие толщины пластины при ее длине L =. 8 см должны быть dt 0,2 мм и д9 = 0,08 мм. Из условия взаимо= действия .пучка дейтронов с поверхностными слоями мишени следует, что предельно допустимые токи ускорительной трубки в этом случае в < „1 раз больше, чем в случае облучения мишени пучком дейтронов при нормальном падении пучка, что позволяет исполь- 40. эовать пучки дейтронов с плотностью частиц в 100 раз больше.

1056

867

1

Схема нейтронного генератора по второму варианту содержит пучок t дейтронов, систему 2 коллиматоров для формирования пучка с угловым раствором д9 и изогнутую кристаллическую пластину 3 — мишень. Кристаллическая пластина выполнена из материала в виде бинарного соединения элемента с атомным номером К с дей2 терием или тритием (атомный номер ,Е ). В качестве кристаллической мишени, например, используем бинарные соединения LiD zn LiT, имеющие простую кубическую структуру решетки.

Кристаллическая мишень выполнена длиной L и толщиной ь t «10 R таким образом, что ее кристаллографические направления, в которых чередуются атомные оси или плоскости, каждая из элемента — с одинаковым К или иэ дей 2 терия (трития) с атомным номером Е направлены строго нормально к ее рабочей поверхности. Кристаллическая пластина ориентирована к оси падающего пучка таким образом, что гол ориентации составляет О = Е, /Ег г относительно атомных рядов или плоскостей (например, для (110) LiD имеем 9 = 0,64 „) и затем изогнута таким образом, что R = Й,.где В— расстояние до пластины от источника дейтронов. Требуемый радиус изгиба R для пластины длиной L = 12 см составляет R = 2,5 и для угла раствора коллиматора д8 = 4 g„ и R = 1 м для

b8 = 10 „. Этому условию удовлетворяют толщины кристаллической мишени h t = 2,5 мм и д = 10 мм соответственно.

Физический принцип работы предла, гаемого генератора заключается в реализации эффекта каналирования дейтронов в околобарьерных состояниях в изогнутом кристалле. В генераторе по первому варианту дейтронный пучок входит в кристаллическую мишень при скользящем падении к ее поверхности, поэтому полная поперечная энергия частиц описывается выражением Е J. I

ЕО, + U(x; ) . Поскольку координата

1 влета частицы в поле всегда равняется расстоянию действия поля вне кристалла, имеет U(x;) О и ширина зоны поперечных энергий д Е полностью определяется угловым расхождением hВ пучка частиц д Е = Е д 8, т. е. шириг на зоны поперечных энергий гораздо меньше, чем соответствующая величина дЕ = 2Е „+ E д9 в прототипе.

За: счет уменьшения d Е существенно возрастает вероятность близких взаимодействий дейтронного пучка с узлами решетки кристалла, в которых локализованы ядра Р или Т, и как следствие возрастает выход термоядерных нейтронов. Кроме того, предлагаемый дополнительный изгиб кристалла компенсирует угловую расходимость пучка, и в результате каждая частица пучка падает на грань кристалла под углом 9 = с „. Поэтому dE — 0 и все частицы пучка проходят кристалл в околобарьерном состоянии с Е

= Е „, что еще больше увеличивает

1056

Редактор О. Юркова Техред Н.Бонкало Корректор Л. Патай

Заказ 2331 -3 Тираж 765 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r, Ужгород, ул. Проектная, 4 положительный эффект. Компенсация угловой расходимости изгибом кристалла в несколько десятков раз повышает также коэффициент использования дейтронного пучка, производимого источником дейтронов, что также увеличивает выход нейтронов из мишени. Условие заселения околобарьерной зоны предъявляет в устройстве-прототипе очень жесткие ограничения на угловую 10 расходимость пучка a6, который должен быть направлен строго под углом

8 = $ к атомным осям или плоскостям.

Так при нормальном взлете в кристалл о для осевого случая имеем h8 -" 0,07 а для плоскостного и 8 0,03 соответственно, что примерно на 20 раз меньше величин „ц и „ . За счет изгиба кристаллической пластины в предлагаемом устройстве используется пучок дейтронов с угловой расходимостью b.e = L/R что почти на два порядка повышает поток дейтронов заселяющих околобарьерные состояния в мишени, и соответственно выход . 2S термоядерных нейтронов.

В генераторе согласно второму варианту пучок ускоренных дейтронов входит в кристаллическую пластину при нормальном падении к ее поверхности. В данном случае также использован эффект изгиба пластины аналогично устройству по первому варианту . для повышения выхода нейтронов из мишени, но несколько отличная геомет867 8 рия устройства (нормальное падение) определяет расстояние мишени от источника дейтронов 3 = R, а в первом варианте было 3 = P R.

В предлагаемом устройстве использован кристалл типа LiD или hiT ориентированный по оси пучка направлением типа <110>, где чередуются атомные ряды из элемента Š— один ряд и Š— второй ряд, где К вЂ” дейтерий или тритий. Тогда потенциал кристалла в направлении влета дейтрона имеет потенциальные барьеры разной высоты для Е, и Е ряда где высота барьера 0„(Е ) + Б„(Е ). В этом случае для углов ориентации таким кристаллографическим .направлеиием вдоль пучка Q =(P» Д,/Ее будет заселяться зона поперечных энергий внутри широкой потенциальной ямы, формируемой двумя ближайшими атомны,ми рядами с V,(Е ), и эта зона будет лежать на гребне потенциального барьера Up(K,), образованного потен- . циалами атомов только дейтерия или трития, т.е. каналирующие дейтроны будут локализованы вблизи ядер дейтерия или трития, но вдали от атомных ядер Е

Таким образом, обеспечивается преимущественное взаимодействие в реакциях (d, D) или (d, Т) и повышается выход термоядерных нейтронов по срав нению с прототипом.