Импульсный генератор нейтронов

 

Использование: ядерная геофизика и другие области нейтронной техники. Сущность изобретения: генератор содержит импульсный разрядник на трансформаторе с наполнителем и электродом формирующей линии, соединенным с дополнительным электродом, составной катод, состоящий из катодного электрода и катода в виде усеченного конуса, размещенного вблизи пролетного отверстия торцового анода в вакуумной камере. Области размещения импульсного разрядника и анода герметично разделены изолятором-ферритом и имеют газовый промежуток с инертным газом при высоком давлении. В газовом промежутке размещены дополнительный электрод и катодный электрод. Дополнительный электрод и катод, а также ионообразующие мишени, расположенные в дрейфовой области вакуумной камеры, установлены с возможностью их облучения импульсами лазерного излучения, а электроды в газовом промежутке - с возможностью их обдува инертным газом. Генератор снабжён средствами для создания продольного магнитного поля, в зоне воздействия которого и установлены ионообразующие мишени. На внутренней поверхности камеры расположена нейтронообразующая мишень. Все процессы синхронизированы с заданными временами задержек с помощью средств синхронизации. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((р G 21 6 4/02, Н 05 Н 5/00

ГОСУДАРСТВЕН.ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР

tlOCOATEHT СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

: К ПДТЕНТУ

1 (21) 5044904/25 (22) 01.06.92 (46) 07.06.93. Бюл. N. 21 (76) К.И.Козловский и И.К.Новиков (56) 1. Патент ФРГМ 1764117, кл. H 05 Н 5/00. 1970.

2. Авторское свидетельство СССР М 1128753, кл. Н 05 Н 5/00, 1983. (54) ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ (57) Использование: ядерная геофизика и другие области нейтронной техники. Сущность изобретения: генератор содержит импульсный разрядник на трансформаторе с наполнителем и электродом формирующей линии, соединенным с дополнительным электродом, составной катод, состоящий из катодного электрода и катода в виде усеченного конуса, размещенного вблизи пролетного отверстия торцового анода в вакуумной камере. Области размещения

Изобретение относится к нейтронной технике. к области конструирования средств формирования потоков нейтронного излучения и может быть испол ьзовано в ядерной геофизике, в нейтронно-активационном анализе и в других областях ядерной техники и технологии.

Целью изобретения является также обострение фронта импульса электронного пучка и увеличение энергии электронов в начале импульса тока электронов.

Конструкция заявленного импульсного генератора нейтронов представлена на чертеже.

„„5Q „„1820945 А3 импульсного разрядника и анода герметично разделены изолятором-ферритом и имеют газовый промежуток с инертным газом при высоком давлении. В газовом промежутке размещены дополнительный электрод и катодный электрод. Дополнительный электрод и катод, а также ионообразующие мишени, расположенные в дрейфовой области вакуумной камеры, установлены с возможностью их облучения импульсами лазерного излучения, а электроды в газовом промежутке — с возможностью их обдува инертным газом. Генератор сйабжен средствами для создания продольного магнитного поля, в зоне воздействия которого и установлены ионообразующие мишени. На внутренней поверхности камеры расположена нейтронообразующая мишень. Все процессы синхронизированы с заданными временами задержек с помощью средств синхронизации. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

Генератор содержит герметизированный цилиндрический корпус 1. Корпус разделен на ряд зон, в каждой из которых размещены свои средства функционирования. Одна из зон сформирована двухобмоточным трансформатором, содержащим первую обмотку 2, вторую обмотку 3. сердечником 4 преимущественно из феррита или электротехнического железа, как хорошего проводника, наполнитель 5. Внутри трансформатора установлен пустотелый электрод 6 формирующей линии, закрепленный на изоляторах 7. 8. В качестве на- полнителя служит масло. глицерин, 1820945 деионизованная вода. Обмотки трансформатора электрически соединены с корпусом и блоком 9 импульсного питания. Изоляторы 7, 8 закреплены герметично в корпусе.

Катод состоит из катодного электрода

10 и самого катода 11 и закреплен герметично в катодном изоляторе 12. В изоляторе 8 закреплен дополнительный электрод 13, от. деленный от катодного электрода 19 газовым промежутком 14, заполненным инертным газом (например, азотом), при высоком давлении (порядка 20 зтм). Катодный электрод 10 соединен с массой через индуктивность (на чертеже не показана) или феррит 12 в случае его достаточной проводймости. В газовом промежутке 14 установлено средство 15 конвектирования газа (например, вентилятор), Дополнительный электрод 13 и катодный электрод 10 с газовым промежутком образуют вторую зону, герметично изолированную от зоны расположения трансформатора.

Причем дополнительный электрод 13 является продолжением электрода 6 формирующей линии..В корпусе второй эоны выполнено оптическое окно 16. для ввода лазерного излучения. Для этого излучения использован лазер 17, лучи которого транспортируются в зону с помощью отражающего зеркала 18 и системой 19 фокусировки и сканирования.

Третья зона представляет собой вакуумную камеру 20 и отделена герметично от второй зоны изолятором 12; 8 вакуумной камере установлен анод 21, выполненный а виде торцовой стенки с пролетным отверстием 22. Катод 11 выполнен в виде усеченного конуса преимущественно из графита.

Электрод 6 формирующей линии, дополнительный электрод 13, катодный электрод 10 и кагод 11 установлены соосно оси генератора, причем вершина катода 11 расположена вблизи пролетного отверстия 22. За анодом на заданных расстояниях от оси reнератора, на выбранных расстояниях друг от. друга расположены нлазмообразующие мишени 23, первая из которых выполнена из проводящего материала и установлена вслед за анодом 21 в электрическом контакте с ним. Остальные установлены изолированно от анода на средствах 24 их фиксации (например, проволочки в виде спирали).

Часть вакуумной камеры 20 образует дрейфовую камеру 25. В зоне дрейфовой камеры в корпусе также выполнено оптическое окно 26 для лазерного излучения. Для облучения мишеней 23, а также катода 11 генератор содержит лазер 27, отражающее зеркало 28 многоклинную оптическую пластинку 29 и систему 30 фокусйровки и сканирования лазерного излучения (в данном случае для всех мишеней сразу). Вокруг мишеней 23 по корпусу установлены магнитмые фокусирующие линзы 31. Взкуумная

5 камера через патрубок 32 связана со средством вакуумирования этой части генератора — вакуумным насосом 33. Нз внутренней торцовой поверхности генератора в зоне его дрейфовой камеры симметрично отно10 сительно оси установлена нейтронообразующая .. ионная мишень 34. Для синхронизации процессов разрядообразования, облучения лазерным излучением дополнительного электрода 13. катода 11, 15 мишеней 23 с заданными временами задержек генератор содержит пульт 35 управления.

Импульсный генератор нейтронов работает следующим образом.

8 результате специально подобранного режима разряда возникает. взрывная эмиссия и на катоде 11. образуется плазма. До образования этой плазмы импульсом лазерного излучения.облучзют первую из ионооб25 разующих мишеней 23, благодаря чему к моменту. взрйвной катодной эмиссии у анодного отверстия 22 появляется сгусток . лазерной плазмы с поверхностью, близкой к плоской. Это способствует формированию

30 электронного пучка-вдоль оси генератора.

Выполненйе катодного изолятора или его части иэ феррита, а катода. из графита, предварительно облучен ного лазером. способствует существенному обострению

-35 фронта импульса электронного пучка и увеличению энергии электронов в начале им-.пульса тока электронов.

Электроны из кзтодной плазмы ускоряются к плоскому лазерно-плазменному

40 "аноду", образованному у пролетного отверстия. Проходя через "анод", электронный пучок с током, большим предельного, запирается в дрейфовой камере 25 и образует над второй мишенью 23 электронное

45 облако. Благодаря средствам синхронизации с помощью пульга 35 управления и одного из лучей системы плазмообразователя (27-30) к моменту запирания электронного пучка плазменный сгусток от второй мише50 ни достигает центральной осевой зоны и взаимодействует с электрон н ым пучком.

Благодаря этому взаимодействию объемный заряд электронного облака пучка компенсируется плазмой источника ионов

55 (второй миц.ени 23) и электроны начинают двигаться, ускоряя ионы вдоль оси генератора. Этому способствует воздействие на электронное облако магнитного поля фокусирующих линз 31. Регулируя количество ионов во втором лазерном сгустке в месте

1820945 запирания электронного пучка (например, изменением энергии и степени фокусировки лазерного излучения на данную мишень

23), можно использовать либо как источник ускоренных ионов, введя в него канал транспортировки, либо, как в заявленном предложении, для генерирования нейтронного потока.

Нейтронный поток образуется благодая ядерным реакциям Ве9/4 и/В10 T/4

h/Не или Д/4, и/Не под воздействием соответствующих ускоренных ионов на ней тронообразующей мишени 34; установленной.на пути ускоренных ионов. Эта схема генерирования нейтронов в общем реализо. вана в известном генераторе.

Существенно отличающим .заявленное техническое решение от известного фактором.является применение в предяагаемом генераторе системы лазерных ооострителей фронтов, импульсов ускоряющего напряжения и электронного пучка. Это стало возможным благодаря введению е генератор второй зоны с дополнительныМэлектродом 13 и. катодным электродом 10, отделенных друг от друга газовйм промежутком 14.. До накопления на импульсном разряднике пробойного заряда (разрядник можно представить как емкость междуэлектродами - корпусом 1 и.электродом 6 формирующей линии с диэлектрической жидкостью 5) дополнительный электрод 13 облучают слабофокусированным лазерным излучением с помощью системы элементов

17-19,16. Лазерный импульс служит как бы спусковым механизмом для возникающего на электроде 13 импульса ускоряющего напряжения. В результате сам импульс возникает с укороченным фронтом через газовый промежуток, наполненный инертным газом,:. при высоком давлении импульс напряжения заряжает катодный электрод и на катоде 11 возникает условие взрывной эмиссии. К моменту прихода импульсов ускоряющего напряжения . катод облучают также слабофокусированным импульсом лазерного излучения (одним из лучей многолучевого плазмообразователя). В результате предварительного облучения катода и взрывной эмиссии формируется импульс электронно-. го пучка также с укороченным фронтом. Этому процессу способствует и форма катода в виде усеченного конуса, его расположение заостренным концом вблизи анодного отверстия 22, а также ферритовое наполнение в изоляторе вокруг катода.

Дальше процесс формирования ионного пучка и потока нейтронов происходит по известной схеме. Для предотвращения в частотном режиме черезмерного разогрева и разрушения электродных систем (13, 10) электроды обдувают инертным газом c hoмощью вентилятора, Установлено, что в результате примене5 ния системы двойного обострителя фронтов импульсов ускоряющего напряжения и пучка электройов удается резко изменить спектр ускоренных ионов в .сторону увеличения. Экспериментальные данные показы10 вают, что увеличение возможно в 2-3 раза и более без потери количества самих ионов в потоке. Уменьшается длительность фронтов . импульсов и увеличивается коэффициент преобразования энергии электронного пуч-

15 кайевэнергиюионногопучкай с3до10 и более.

8 качестве материала плазмообразующих мишеней возможно использование TID, ZrD, нейтронообразующей мишени — Be, О, 20 Тидр.

Дальнейшее увеличение энергии ионов и, как следствие, ресурса ионообразующей мишени в заявленном предложении осуществляют с помощью мишеней. выбираемых

25 в количестве более двух. Каждая последующая мишень работает в режиме второй, по. зволяя тем самым снизить нагрузку, на каждую иэ них в отдельности и увеличивая эффект разгона ионов..

30 Синхронизацию процессов плазмообразования на мишенях можно осуществить путем подборз различной степени фокусировки лучей.на мишени и путем подбора расстояний между мишенями и осью дрей35 фовой камеры. С другой стороны, для ограничения е пространстве процесса плазмообразования на мишенях 23 вторую и последующие мишени предпочти-тельно снабжать щелевыми диафрагмами (на чер40 теже не показаны).

Генератор предполагает наличие технических параметров — для электронного пучка: Ее -200-500 КзВ. f -5-15 кА, r= 10-30 нс, х@ « 2 нс, Ф ддо50Гц, где Ее- энергия электронов; 1 — ток пучка; т - длительность

45 импульса; t@ — длительность фронта электронного пучка; feeeä — частота следования импульсов.

Для нейтронов и - 109-10 о нейтр/имп; fg peg до 50 Гц; n - 8-15 нс, 50 энергия нейтронов равна 0,8-2,5 МзВ.

Используются ядерные реакции типа

Д+Д(Ео 2,5 МЭВ), Т+Д(Ев = 14 МЭВ), Ве+Д (Ee 0.5-8 МэВ) и т.д.

Ресурс использования порядка 10 раз, 55 новозможноувеличениедо10 иболее раз.

Ширина ионного пучка на нейтронообразующей мишени порядка Ф- 100 мм, расходимость пучка +-20О.

1820945

Как следует из приведенных дамных, технические параметры заявленного генератора змэчительно лучше таковых известного генератора. Повышенный КПД преобразования позволяет снизить его энергопотребление. Формула изобретения

1. Импульсный генератор нейтронов, содержащий герметиэированный цилиндрический корпус, внутри которого вдоль его продольной оси установлен на изолято @ . катод, подключенный к источнику ускоряющего напряжения, анод, выполненный в виде торцовой стенки с пролетным отверстием, соосным катоду вакуумной ка,меры, образованной внутри корпуса герметичной установкой катодного изолятора, и цилиндрическую камеру дрейфа, расположенную зэ анодом сооснос вакуумной камерой, плаэмообрэзующие мишени, первая из которых установлена непосредственно за анодом, э вторая — вдоль оси вслед за первой на заданном расстоянии от эмодэ, нейтронообраэующую мишень ма внутренней поверхности дрейфовой камеры, ммоголучевой лазерный плэзмообрэзователь с системой формирования, фокусировки и

-сканирования лазерного излучения, синхронизированный с источником ускоряющего напряжения, о т л и ч э ю шийся тем, что, с целью снижения злектропотребления, повышения плотности потока нейтронов в импульсе при уменьшении его длительности и увеличения ресурса работы генератора, катод выполнен составным, состоящим из собственно катода в виде усеченного конуса, обращенного вершимой к аноду, и ка:тодного электрода, и связан с источником ускоряющего напряжения через дополнительный электрод, изолированный от кэтодного электрода и размещенный совместно с последним в газовом промежутке, заполненным с возможностью обдува инертным газом при высоком давлении и образованным между вакуумной камерой и источником ускоряющего напряжения, выполненмйм е свою очередь в виде импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого включена между корпусом и электродом формирующей линии, к которому и подсоединен дополнительный электрод, при этом дополнительный электрод и катод установлены в корпусе с возможно5 стью их "обогрева" слабофокусированным лучом лазерного излучения, выполняя роль обострителей фронтов импульсов ускоряющего напряжения и электронного пучка соответственно, а многолучевой лазерный

10 плазмообразователь снабжен средствами синхронизации процессов "обогрева" и плазмообрээования с заданными интерва.лами задержек.

2. Генератор по п.1,отл ич а ю щи йся

15 тем, что, с целью обострения фронта импульса электронного пучка и увеличения энергии электронов в начале импульса тока электронов, кэтодный изолятор выполнен из феррита. а катод — из графита.

20 3. Генератор поп.1,отл ича ющи йся тем,. что для "обогрева" катода использован один из лучей многолучевого плазмообразовэтеля. . 4. Генератор по пп.1 и 3, о т л и ч а ю25 шийся тем,.что плазмообразователь выполнен с многоклинной оптической пластинкой, установленной. в системе формирования лазерного излучения и разделенными системами фокусировки и ска30 нирования лучей на, катод и плазмообразующие мишени.

5. Генераторпопп1,3,4,отличаюшийся тем. что количество плазмообраэующих мишеней выбрано более двух.

35 . 6. Генератор по пп 1, 3-5, о т л и,ч а юшийся тем, что первая плазмообразующая мишень выполнена проводящей, элект: рически.соединена с анодом, остальные на выбранных расстояниях друг от друга уста,40 новлены нэ различном заданном расстоянии от оси дрейфовой камеры, изолированы ет анода и задействованы совместно с первой на процесс плазмообразования с заданными временами задержек, 45 - 7. Генератор по пп.1,4-6. отл и ч а ющ и и сятем,,что вторая и последующие мишени снабжены ограничивающими и корректирующими в пространстве процесс плазмообрэзовамия от них щелевыми диаф50 рэгмами.

1820945

Составитель H.Êîçëîâñêèé

Техред М.Моргентал Корректор Н.Кешеля

Редактор

ПроиЗводственно-издательский «омбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2042 Тираж подписное

8НИИПИ Государственного комитета до изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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