Ускоритель ионов с магнитной изоляцией

Изобретение относится к области технической физики, в частности к ускорителям легких ионов, и может быть использовано в качестве генератора нейтронов. Ускоритель ионов с магнитной изоляцией содержит вакуумный цилиндрический кожух, выполненный из диэлектрического материала, снабженный вакуумным насосом, размещенные снаружи кожуха магнитные катушки, соединенные с импульсными источниками электропитания и создающие осевое магнитное поле, анод и катод, выполненные в виде коаксиальных труб, соединенных с источником высокого напряжения. Ускоритель снабжен хранилищем газа, регулируемым газовым натекателем и средствами контроля газового давления, ускоряющими индукторами и дополнительными магнитными катушками, которые размещены на наружной поверхности вакуумного кожуха между индукторами и соединены с импульсными источниками электропитания. А также снабжен обращенными коаксиальными магнетронами с гладкими анодами, каждый из магнетронов сообщен с объемом ускорителя посредством сквозной щели, выполненной в катоде магнетрона и лежащей в плоскости, проходящей через соответствующий диаметр кожуха параллельно его образующей. Анодная труба выполнена в виде части кожуха, на вакуумной поверхности которой аксиально-симметрично и с обеспечением электрического контакта своими катодами установлены магнетроны, а их аноды подключены к импульсным источникам электропитания. Технический результат - уменьшение нестабильности ионного тока. 2 ил.

 

Изобретение относится к области технической физики, в частности к укорителям легких ионов, и может быть использовано в качестве генератора нейтронов.

Известны генераторы нейтронов, использующие как циклические, так и линейные ускорители легких ионов [1] Radiation Sources, edited by A.Carlesby., Pergamon Press, 1964. Однако их значительные габариты ограничивают область их применения.

Известны генераторы нейтронов, использующие ускорители прямого действия - нейтронные трубки (НТ). Вдоль их оси расположены: источник ионов изотопов водорода, система электродов фокусировки и ускорения, мишень. На подложку мишени нанесен слой металла, обладающий хорошей адсорбцией водорода и пропитанный его изотопами [2] Г.И.Кирьянов. Генераторы быстрых нейтронов. Энергоатомиздат, М., 1990. На основе НТ созданы наиболее малогабаритные нейтронные генераторы. Однако НТ обладают принципиальными недостатками. Срок службы их мишеней не превышает двух сотен часов, и за это время нейтронный выход снижается в несколько раз. Увеличение выхода нейтронов в НТ путем повышения интенсивности ионного пучка наталкивается на трудности отвода выделяющегося в мишени тепла, а увеличение площади мишени приводит к увеличению габаритов НТ. Преодоление указанных трудностей возможно при коаксиальном размещении катода и анода в НТ.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение, принятое за прототип [3] S.Humphries, Jr., R.N.Sudan, and L.Wiley. Extraction and focusing of intense ion beams from a magnetically insulated diode. Journal of Applied Physics, vol.47, №6, June 1976, p.2382-2390. Ускоритель содержит цилиндрический вакуумный кожух из диэлектрического материала, заглушенный фланцами. Один из фланцев выполнен из диэлектрика и снабжен электрическим вводом в вакуум. С вакуумной стороны к этому вводу укреплен анод - цилиндрическая металлическая труба. На противоположном фланце вакуумного кожуха укреплен катод - цилиндрическая металлическая труба, радиус которой меньше, чем у анодной трубы. Катодная труба заземлена у места крепления к фланцу. Оси катодной и анодной труб совпадают, и частично катодная труба входит коаксиально в анодную трубу. Над местом коаксиального пересечения труб снаружи вакуумного кожуха размещены две катушки с изолированным проводом. При подаче на них электрического напряжения от емкостных накопителей по катушкам протекает электрический ток и между ними создается магнитное поле. При подаче на анод ускорителя от высоковольтного источника электрического напряжения магнитное поле, созданное катушками, препятствует обмену между анодом и катодом электронами, не давая развиться электрическому пробою в течение времени распространения плазмы, которая образуется между электродами, вдоль них - перпендикулярно направлению электрического и магнитного полей. Авторам удалось ускорить пятикилоамперный протонный ток до энергии двести киловольт в импульсе длительностью сто наносекунд, однако прототип не лишен недостатков. Наличие диэлектрического фланца, через который осуществляется ввод высокого напряжения, приводит к необходимости увеличивать габариты устройства, поскольку электрическая изоляция диэлектрической поверхности в вакууме существенно ниже изоляции вакуумного зазора между металлическими поверхностями, специально подготовленными для работы под высоким напряжением [4] И.Н.Сливков. Изоляция и разряд в вакууме. М.: Атомиздат, 1972. В ускорителе отсутствует автономный источник ионов, что также является его недостатком. Ионы в ускорителе образуются при подаче высокого напряжения между анодом и катодом, и при этом, как и в любом источнике, использующем искровой и дуговой разряд в вакууме, в ионном токе наблюдается большая нестабильность от импульса к импульсу как по амплитуде, так и во времени возникновения [2 с.126]. Отсутствие автономного источника ионов сужает область применения ускорителя, принятого за прототип.

Техническая задача изобретения - устранение указанных недостатков.

Технический результат достигается тем, что ускоритель ионов с магнитной изоляцией, содержащий вакуумный цилиндрический кожух, выполненный из диэлектрического материала, снабженный вакуумным насосом, размещенные снаружи кожуха магнитные катушки, соединенные с импульсными источниками электропитания и создающие осевое магнитное поле, анод и катод, выполненные в виде коаксиальных труб, соединенных с источником высокого напряжения, отличается тем, что ускоритель снабжен хранилищем газа, регулируемым газовым натекателем и средствами контроля газового давления, ускоряющими индукторами и дополнительными магнитными катушками, которые размещены на наружной поверхности вакуумного кожуха между индукторами и соединены с импульсными источниками электропитания, а также снабжен обращенными коаксиальными магнетронами с гладкими анодами, каждый из магнетронов сообщен с объемом ускорителя посредством сквозной щели, выполненной в катоде магнетрона и лежащей в плоскости, проходящей через соответствующий диаметр кожуха параллельно его образующей, анодная труба выполнена в виде части кожуха, на вакуумной поверхности которой аксиально-симметрично и с обеспечением электрического контакта своими катодами установлены магнетроны, а их аноды подключены к импульсным источникам электропитания.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображена схема продольного сечения ускорителя, а на фиг.2 - его сечение с плоскостью перпендикулярной оси кожуха ускорителя в области размещения магнетронов.

Ускоритель содержит анодную металлическую трубу 1, которая является частью его вакуумного кожуха. Остальная часть кожуха выполнена из диэлектрического материала, на который с вакуумной стороны нанесен, например, методом катодного распыления, слой металла, обладающего высокой электропроводностью, толщиной много меньшей, чем скин-слой для электромагнитного колебания с периодом, равным удвоенной длительности импульсов напряжения на индукторах. Назначение этого, не обозначенного на чертежах слоя металла, толщиной несколько десятков микрон в том, чтобы препятствовать накоплению заряда на диэлектрической поверхности кожуха. Ускоритель снабжен хранилищем соответствующего газа, регулируемым газовым натекателем, средствами контроля газового давления - 2, обращенными коаксиальными магнетронами с гладкими анодами, установленными с вакуумной стороны на поверхности анодной трубы 1, с обеспечением электрического контакта между нею и катодами магнетронов 3. В каждом катоде магнетрона выполнена сквозная продольная щель - 4, которая лежит в плоскости, проходящей через соответствующий диаметр кожуха ускорителя параллельно его образующей. Аноды магнетронов - 5 выполнены гладкими.

Магнитная индукция создается магнитными катушками - 6, расположенными в месте размещения магнетронов, аноды магнетронов - 5 связаны с импульсными источниками электропитания - 7. Сверху той части кожуха ускорителя, которая выполнена из диэлектрика, размещены ускоряющие индукторы - 8, между которыми дополнительно установлены магнитные катушки - 9. Индукторы связаны с источниками их импульсного питания - 10 коммутаторами /на чертежах не обозначены/. Внутри катодной трубы ускорителя - 11 размещен трубопровод системы охлаждения - 12. Ускоритель снабжен вакуумным насосом - 13.

Для того чтобы минимизировать затраты энергии, расходуемой на магнитную изоляцию ускорителя, напряжение источника питания Q-ой катушки относится к напряжению питания катушки, размещенной дальше всех катушек от анодной трубы, как Q в степени одна вторая, где Q - порядковый номер катушки, считая от дальней к анодной трубе. Действительно, потенциал катодной трубы увеличивается ступенями с каждым последующим индуктором, считая от заземленного конца трубы, поэтому напряжение, подаваемое на катушки, также увеличивается ступенями по мере приближения катушки к анодной трубе.

Ускоритель работает следующим образом.

На магнитные катушки 6 и 9 поступает напряжение от импульсных источников их электропитания, не показанных на чертежах. В пространстве между катушками образуется магнитное поле, свободно проникающее в объем ускорителя, детали которого, за исключением вакуумного насоса, выполнены из немагнитного материала. На аноды магнетронов 5 из блока их импульсного электропитания 7 поступает напряжение положительной полярности, под воздействием которого происходит ионизация соответствующего газа, наполняющего вакуумный объем кожуха ускорителя с необходимым давлением, обеспечиваемым узлом 2. Образовавшиеся свободные электроны под воздействием пересекающихся магнитных полей катушек и электрических полей обращенных магнетронов совершают движения по трохоидам, не попадая, за исключением небольшого числа, на аноды магнетронов, и усиливают этим ионизацию газа. После того как магнетронный разряд в газе разовьется, на ускоряющие индукторы 8 посредством коммутаторов от импульсного блока питания 10 поступает напряжение и на катоде ускорителя индуцируется высоковольтный импульс отрицательной полярности, равный суммарному напряжению на индукторах, и ионы ускоряются к катоду.

Рассмотрим возможность использования ускорителя в качестве нейтронного генератора. Согласно зависимостям, приведенным в [1] на фиг.19, с.332, при бомбардировке ускоренными до энергии 1 МэВ ионами дейтерия бериллиевой мишени выделяется около 5·10⁷ нейтронов на один микрокулон ускоренного тока, что вдвое меньше, чем выход, получаемый в традиционной для НТ реакции дейтеронов с тритиевой мишенью [2]. Энергетические затраты на получение одного нейтрона в упомянутых реакциях становятся примерно одинаковыми, если ускорять дейтронный пучок до энергии два мегавольта, однако предлагаемое устройство при том становится слишком громоздким.

Согласно [3, с.2388] для обеспечения магнитной изоляции зазора между катодом и анодом необходимо выполнение равенства: В=3,4 (KV^0,5)/d, где магнитная индукция В в зазоре - в килогауссах, коэффициент - К, примерно равен 2, электрическое напряжение между анодом и катодом - V - в мегавольтах, зазор - d - в сантиметрах. Из приведенной формулы следует, что для обеспечения магнитной изоляции зазора, равного 0,01 метра, при разности потенциалов на нем, равной одному мегавольту, потребуется магнитное поле с индукцией, равной около 0,7 тесла. Резонансная частота магнетронов F определяется из соотношения: L·B=1,2, где L=C/F и С - скорость света в вакууме, и равна в нашем случае 1,7·10¹⁰ Гц. Циклотронная частота плазмы определяется соотношением F_c=8980N^0,5. При равенстве рабочей частоты магнетрона, определенной выше, циклотронной частоте плазмы, ее концентрация N будет равна примерно 10¹⁴, что соответствует давлению, существующему в газонаполненных НТ, использующих высокочастотные источники. Характерные плотности ионного тока дейтеронов при этом лежат в диапазоне [2 с.147]: 1÷3 ампера на квадратный сантиметр. Оценим выход нейтронов при нижнем значении плотности ионного тока из указанного диапазона для случая, когда катодная труба ускорителя имеет покрытие, выполненное из бериллия. При длительности импульса ускоряющего напряжения, равного одной микросекунде, и суммарной площади эмиссии (площади щелей в катодах магнетронов), равной тысяче квадратных сантиметров, получим: Yn=5·10⁷·1000·10⁶·10^-6=5·10¹⁰ нейтронов. Оценим теперь геометрические параметры предлагаемого ускорителя для нейтронного генератора. Полагая ширину щели в катодах магнетронов, равную двум миллиметрам, считая, что она занимает половину от общей длины внутренней окружности анодной трубы, выбрав длину источника, равную одному метру, получаем, что внутренний диаметр анодной трубы примерно равен: 1000/(3,14·0,2·100) - ста семидесяти миллиметрам. Наружный диаметр катодной трубы составит при этом - сто пятьдесят миллиметров. В индукционных ускорителях удается получить темп ускорения около одного мегавольта на метре. Размещая в нашем ускорителе индукторы с той же плотностью, напряжение на катодной трубе, равное одному мегавольту, удастся получить на длине около двух метров. Учитывая необходимость размещения между индукторами катушек магнитной изоляции, эту величину необходимо увеличить не менее чем вдвое. Вышеприведенные оценки показывают, что габариты предлагаемого устройства составят: диаметр - около 0,3 метров (с учетом катушек и индукторов) и длина около трех метров. При вышеприведенных оценках нейтронного выхода в единичном импульсе средняя тепловая мощность, рассеиваемая на мишени ускорителя, составила один киловатт. В известных индукционных ускорителях частота повторений импульсов в секунду доходит до полусотни и выше. Если работать со средней частотой - двадцать герц, то можно увеличить выход нейтронов до 10¹² в секунду. Мощность в пучке при этом возрастет до двадцати киловатт. Теплоотвод ее от водоохлаждаемой катодной поверхности площадью 0,45×1=0,45 м² не представляет проблемы.

Ускоритель ионов с магнитной изоляцией, содержащий вакуумный цилиндрический кожух, выполненный из диэлектрического материала, снабженный вакуумным насосом, размещенные снаружи кожуха магнитные катушки, соединенные с импульсными источниками электропитания и создающие осевое магнитное поле, анод и катод, выполненные в виде коаксиальных труб, соединенных с источником высокого напряжения, отличающийся тем, что ускоритель снабжен хранилищем газа, регулируемым газовым натекателем и средствами контроля газового давления, ускоряющими индукторами и дополнительными магнитными катушками, которые размещены на наружной поверхности вакуумного кожуха между индукторами и соединены с импульсными источниками электропитания, а также снабжен обращенными коаксиальными магнетронами с гладкими анодами, каждый из магнетронов сообщен с объемом ускорителя посредством сквозной щели, выполненной в катоде магнетрона и лежащей в плоскости, проходящей через соответствующий диаметр кожуха параллельно его образующей, анодная труба выполнена в виде части кожуха, на вакуумной поверхности которой аксиально-симметрично и с обеспечением электрического контакта своими катодами установлены магнетроны, а их аноды подключены к импульсным источникам электропитания.