Безжелезный индукционный линейный ускоритель дейтронов - нейтронный генератор
Владельцы патента RU 2370003:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной физики" (RU)
Изобретение относится к области технической физики, в частности к линейным индукционным ускорителям заряженных частиц, и может быть использовано для генерации нейтронных потоков. Безжелезный индукционный линейный ускоритель дейтронов - нейтронный генератор содержит блок ускорения электронного пучка /БУЭП/ из ускоряющих ячеек /УС/ с тороидальным корпусом /ТК/, безжелезный тороидальный магнитопровод /БЖТМ/, соленоиды магнитной фокусировки электронного пучка /СМФЭП/, источники импульсного напряжения, электронную пушку и мишень электронного пучка /МЭП/. БУЭП снабжен концентратором напряжения /КН БУЭП/ - металлической трубой. Один торец трубы укреплен с обеспечением электрического контакта на общей торцевой стенке /ОТС/ крайней УС БУЭП /КЯУ БУЭП/. На втором торце трубы укреплен катод электронной пушки. Анод ее размещен напротив, соосно с катодом с ОЭК на ОТС второй КЯУ БУЭП и снабжен центральным пролетным отверстием. Оно объединяет БУЭП с дополнительно введенным блоком ускорения дейтронного пучка и рекуперации энергии электронного пучка /БУДРЭП/. Концентратор напряжения КН БУДРЭП снабжен размещенным внутри него СМФЭП. Кольцевой источник трубчатого дейтронного пучка укреплен на торце КН БУДРЭП. Кольцевая нейтронообразующая мишень укреплена на ОТС КЯУ БУДРЭП с дейтронным источником. Изобретение позволяет уменьшить кулоновское расталкивание дейтронного пучка, уменьшить искажения ускоряющего поля в зазоре и, тем самым, обеспечивает возможность ускорения ионных пучков большей интенсивности.
Изобретение относится к области технической физики, в частности к линейным индукционным ускорителям заряженных частиц, и может быть использовано для генерации нейтронных потоков.
Известен индукционный линейный ускоритель, содержащий ускоряющую секцию, составленную из идентичных индукторов, снабженных сердечниками из ферромагнитного материала, в которых размещена ускоряющая трубка. В последней размещена металлическая труба, один торец которой заземлен, а второй снабжен катодом. Анод укреплен на заземленном фланце корпуса напротив катода. /Ю.П.Вахрушин “Линейные индукционные ускорители” Докторская диссертация НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, Ленинград, 1977, сс.221-224/. В этом устройстве металлическая труба является концентратором напряжения в зазоре анод - катод суммарного импульсного наводимого индукторами электропотенциала. В ускоряющем зазоре величиной около десяти сантиметров развивается напряжение мегавольтного уровня, в частности дейтронов, для нейтронной генерации. Однако два обстоятельства мешают такому расширению функциональных возможностей устройства. Во-первых, в нем невозможно ускорять ионные токи, интенсивность которых была бы достаточной для того, чтобы КПД достигал уровня, необходимого для промышленного использования, во-вторых, наличие ферромагнитных сердечников сильно увеличивает его вес, себестоимость, и ограничивает мощность из-за насыщения ферромагнитного материала.
Известно устройство /”Безжелезный индукционный линейный ускоритель” А.И.Павловский, А.И.Герасимов, Д.И.Зеков, В.С.Босамыкин, А.И.Клементьев, В.А.Тананакин; “Атомная энергия”, т.28, вып.5, май 1970, сс.432-434/, принятое за прототип. В индукторах этого ускорителя не используются ферромагнитные материалы. Каждый индуктор блока ускорения электронного пучка /БУЭП/ - это соосная аксиально-симметричная ускоряющая ячейка /УС БУЭП/ - металлический тороидальный корпус /ТК/, торцевые стенки которого, снабженные центральными апертурами, перпендикулярны оси ускорителя. Внутри ТК коаксиально размещен безжелезный тороидальный магнитопровод /БЖТМ/. Его торцевые стенки, также снабженные центральными апертурами, связаны с ТК общей торцевой стенкой /ОТС/. Вторая торцевая стенка БЖТМ, параллельная ОТС, связана с нею посредством коаксиально укрепленных конденсаторов и управляемых разрядников, образующих соответственно внешнюю и внутреннюю обечайки БЖТМ. Ускоритель содержит также соленоиды магнитной фокусировки электронного пучка /СМФЭП/, источники импульсного напряжения зарядки накопительных конденсаторов БЖТМ, электронную пушку диодного типа с подогревным катодом, мишень электронного пучка /МЭП/. Однако ускоритель - прототип не свободен от первого из перечисленных недостатков, в нем также не возможно ускорять интенсивные пучки легких ионов, в частности дейтронов. Цель изобретения: обеспечение возможности ускорения и безжелезном индукционном ускорителе дейтронных пучков высокой интенсивности.
Техническая сущность изобретения состоит в том, что пучок дейтронов ускоряется в зазоре, где одновременно происходит торможение электронного пучка, предварительно ускоренного в БУЭП. Наличие в зазоре электронного пучка приводит к уменьшению кулоновского расталкивания дейтронного пучка, уменьшению искажения ускоряющего поля в зазоре и, тем самым, к возможности ускорения ионных пучков большей интенсивности.
Технический результат достигается тем, что БУЭП снабжен концентратором напряжения /КН БУЭП/ - металлической трубой, размещенной соосно с УС так, что один торец трубы укреплен с ОЭК на ОТС крайней УС БУЭП /КЯУ БУЭП/, на втором конце трубы, размещенном во второй КЯУ БУЭП, укреплен катод электронной пушки, анод ее размещен напротив и соосно с катодом с ОЭК на ОТС второй КЯУ БУЭП, и снабжен центральным пролетным отверстием, объединяющим БУЭП с дополнительно введенным блоком ускорения дейтронного пучка и рекуперации энергии электронного пучка /БУДРЭП/, содержащим ускоряющие ячейки идентичные и соосные УС БУЭП, но повернутые относительно последних на сто восемьдесят градусов вокруг оси перпендикулярной продольной оси ускорителя; концентратор напряжения КН БУДРЭП снабжен размещенным внутри него СМФЭП, и укреплен с ОЭК на общей БУЭП БУДРЭП стенке; кольцевой источник трубчатого дейтронного пучка укреплен с ОЭК на втором торце КН БУДРЭП, расположенном в дальней от БУЭП КЯУ БУДРЭП; кольцевая нейтронообразующая мишень, изготовленная, например, из бериллия, укреплена с ОЭК на ОТС в той КЯУ БУДРЭП, в которой размещен дейтронный источник, коаксиально с выполненным в ОТС пролетным отверстием, соединяющим вакуумные объемы БУДРЭП и МЭП.
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображена схема предлагаемого безжелезного индукционного ускорителя дейтронов - нейтронного генератора. На фиг.2 изображено сечение источника кольцевого трубчатого пучка дейтеронов плоскостью, перпендикулярной оси ускорителя. На фиг.3 изображено сечение одной из двенадцати сборок источника дейтронов. На фиг.4 изображено сечение кольцевой нейтронообразующей мишени плоскостью, перпендикулярной оси ускорителя.
Безжелезный индукционный линейный ускоритель дейтронов - нейтронный генератор состоит из блока ускорения электронного пучка /БУЭП/ и блока ускорения дейтронного пучка /БУДРЭП/. Каждый из этих блоков содержит идентичные ускоряющие ячейки, но в БУДРЭП они выполнены зеркально симметричными ячейкам в БУЭП относительно оси ускорителя. Другими словами ячейки в БУДРЭП повернуты относительно ячеек в БУЭП на 180° вокруг любой из осей /поскольку они аксиально симметричные/, перпендикулярных продольной оси ускорителя. Каждая из УС состоит из металлического заземленного корпуса /ТК/ - 1, внутри которого коаксиально размещен безжелезный тороидальный металлический магнитопровод /БЖТМ/. Магнитопровод связан с ТК общей торцевой стенкой /ОТС/ - 2. Вторая торцевая стенка магнитопровода - 3, параллельная ОТС, связана с нею посредством коаксиально укрепленных конденсаторов - 4 и управляемых разрядников - 5, образующих соответственно внешнюю и внутреннюю обечайки БЖТМ. БУЭП снабжен концентратором напряжения КН БУЭП 6 - металлической трубой. БУЭП и БУДРЭП снабжены ускорительными трубками 7 и 8 соответственно. КН БУЭП размещен в трубке 7. Трубки 7 и 8 снабжены средствами вакуумной откачки, не показанными на чертежах.
Один торец КН БУЭП закреплен на ОТС в дальней от БУДРЭП крайней ускоряющей ячейки БУЭП с обеспечением электрического контакта /ОЭК/. КН БУЭП снабжен соленоидом магнитной фокусировки /СМФЭП/ - 9. На свободном торце КН БУЭП, расположенном во второй КЯУ БУЭП, укреплен с ОЭК подогревной катод 10, обеспечивающей электронной пучок /катод электронной пушки/. Электропитание к подогревателю катода - 11, подводится по проводам - 12, размещенным внутри КН БУЭП. Анод электронной пушки - 13 размещен напротив катода 11 и соосно с ним. Анод - 11, укреплен с ОЭК на ОТС второй КЯУ БУЭП. БУДРЭП содержит концентратор напряжения КН БУДРЭП - 15, размещенный в ускорительной трубке - 8. Внутри КН БУДРЭП - 15 СМФЭП - 16. Один торец КН БУДРЭП закреплен с ОЭК на ОТС общей для БУЭП и БУДРЭП. На свободном торце КН БУДРЭП, расположенном во второй КЯУ БУДРЭП, укреплен кольцевой источник трубчатого пучка дейтронов - 17. Напротив источника дейтронов и соосно с ним укреплена с ОЭК на ОТС второй КЯУ БУДРЭП кольцевая нейтронообразующая водоохлаждаемая мишень - 18, снабженная катушками - 19, размещенными в ней аксиально-симметрично. Оси катушек расположены в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя. Источники токов, питающих катушки, на чертежах не показаны. Мишень - 18 снабжена центральным пролетным отверстием - 19. За мишенью 18 размещена водоохлаждаемая мишень электронного пучка - 20, электрически связанная с ОЭК с мишенью 18.
Источник трубчатого пучка дейтронов - 17, содержит двенадцать идентичных размещенных аксиально-симметрично сборок искровых источников - 21. Каждая сборка состоит из шести искровых источников 22, электропитание к которым подводится по высоковольтным кабелям - 23, снабженным ферритовым шайбами - 24, от импульсного высоковольтного источника напряжения, не показанного на чертежах. В торце керамического изолятора - 26 выполнены отверстия 27, стенки которых - 28 образуют искровой зазор между торцами источников 22 и заземленным корпусом - 32 сборки - 21.
Безжелезный индукционный линейный ускоритель дейтронов - нейтронный генератор работает следующим образом. Как в БУЭП, так и в БУДРЭП накопительные емкости - 4 заряжаются до номинальной величины напряжения одинакового знака относительно корпуса. На управляемые разрядники - 5 от схемы управления, не показанной на чертеже, поступают импульсы напряжения, под воздействием которых они срабатывают. Емкости - 4 разряжаются, и по внутреннему тороиду БЖТМ протекает ток, магнитное поле которого индуцирует электрическое поле во внешнем тороиде - |ТК|. Как в БУЭП, так и в БУДРЭП оно направлено параллельно оси ускорителя, но в силу зеркальной симметрии размещения УС в блоках направление индуцированных электрических полей в них - противофазное. В зазоре между катодом 10 и анодом - 13 электронный пучок ускоряется, а в зазоре между источником 17 и мишенью 18 он тормозится, после чего поглощается в мишени МЭП - 20. Поля СМФЭП 16, 19 и, размещенного на корпусе МЭП, - обеспечивают фокусировку электронного пучка от его рождения до поглощения. При торможении в зазоре между источником нейтронов - 17 и нейтронообразующей мишенью - 18 кинетическая энергия электронного пучка преобразуется в энергию электрического поля в БУДРЭП, и расходуется в этом зазоре на ускорение дейтронного пучка, чем повышается КПД ускорителя. Дейтронный пучок образуется следующим образом. Импульс высокого напряжения источника питания, не показанного на чертежах, поступает по кабелям - 23 на искровые источники - 22. Искровые зазоры, образованные торцами источников - 22 и корпусом сборки - 32, в котором они укреплены, вдоль стенок - 28 отверстий - 27, выполненных в торце керамического изолятора, - пробиваются под воздействием разности потенциалов между источниками - 22 и корпусом - 32. На торцах источников - 22 образуются “катодные пятна”, из катода, изготовленного из дейтерида циркония, десорбируется дейтерий - источник дейтронов. Ферритовые шайбы - 24 задерживают на то время, в течение которого они намагничиваются, искровой разряд в начальной стадии, обеспечивая тем самым участие в нем всех источников - 22, независимо от того, на каком из них разряд начинается раньше /поскольку в течение времени намагничивания сопротивление в цепи пробившегося источника определяется индуктивностью с ферромагнитным сердечником, то напряжение на параллельно подключенных источниках сборки остается достаточном для пробоя их искровых зазоров.
Ускоренный в зазоре между кольцевым источником трубчатого пучка дейтронов - 17 и кольцевой нейтронообразующей мишенью - 18, дейтронный пучок бомбардирует последнюю, вызывая рабочее нейтронное излучение. Наличие электронного пучка внутри трубчатого дейтронного пучка оказывает на последний фокусирующее действие, нейтрализует заряд - уменьшая искажение ускоряющего поля в зазоре. Магнитные поля, образованные протекающими по катушкам - 19 токами, препятствуют разрушению источника дейтронов вторичными электронами, выбиваемыми ускоренными дейтронами из мишени - 18.
Безжелезный индукционный линейный ускоритель дейтронов - нейтронный генератор, содержащий блок ускорения электронного пучка /БУЭП/, составленный из идентичных соосных аксиально-симметричных ускоряющих ячеек /УС БУЭП/, каждая из которых состоит из металлического заземленного тороидального корпуса /ТК/, торцевые стенки которого перпендикулярны оси ускорителя, внутри ТК коаксиально размещен безжелезный тороидальный магнитопровод /БЖТМ/, связанный с ТК общей торцевой стенкой /ОТС/, вторая торцевая стенка БЖТМ, параллельная ОТС, связана с нею посредством коаксиально размещенных и укрепленных с обеспечением электрического контакта /ОЭК/ конденсаторов и управляемых разрядников, образующих соответственно внешнюю и внутреннюю обечайки БЖТМ; соленоиды магнитной фокусировки электронного пучка /СМФЭП/, источники импульсного напряжения зарядки накопительных конденсаторов БЖТМ; электронную пушку диодного типа с подогревным катодом; мишень электронного пучка /МЭП/, отличающийся тем, что БУЭП снабжен концентратором напряжения /КН БУЭП/ - металлической трубой, размещенной соосно с УС так, что один торец трубы укреплен с ОЭК на ОТС крайней УС БУЭП /КЯУ БУЭП/, на втором торце трубы, размещенном во второй КЯУ БУЭП, укреплен катод электронной пушки, анод ее размещен напротив и соосно с катодом с ОЭК на ОТС второй КЯУ БУЭП, и снабжен центральным пролетным отверстием, объединяющим БУЭП с дополнительно введенным блоком ускорения дейтронного пучка и рекуперации энергии электронного пучка /БУДРЭП/, содержащим ускоряющие ячейки-идентичные и соосные с УС БУЭП, повернутые относительно них на 180° вокруг оси, перпендикулярной продольной оси ускорителя; концентратор напряжения КН БУДРЭП снабжен размещенным внутри него СМФЭП, укреплен с ОЭК на общей у БУЭП и БУДРЭП стенке; кольцевой источник трубчатого дейтронного пучка укреплен с ОЭК на втором торце КН БУДРЭП, расположенном в дальней от БУЭП КЯУ БУДРЭП, кольцевая нейтронообразующая мишень, изготовленная, например, из бериллия, укреплена с ОЭК на ОТС той КЯУ БУДРЭП, в которой размещен дейтронный источник, коаксиально с выполненным в ОТС пролетным отверстием, соединяющим вакуумные объемы БУДРЭП и МЭП.
