Ионный диод для генерации нейтронов

Заявленное изобретение относится к приборам для ускорения ионов в электростатических полях, конкретно к технике генерации нейтронов при ядерном взаимодействии нуклидов тяжелого водорода. Сущность изобретения заключается в том, что в известном ионном диоде для генерации нейтронов, содержащем полый, частично-прозрачный катод и анод, симметрично охватывающий катод, катод выполнен в виде двух параллельных соосных дисков радиуса rK, соединенных между собой с помощью N≥4 металлических тонких стержней длиной h, расположенных перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси симметрии диода на расстоянии rC от нее. При этом анод представляет собой круговой цилиндр радиуса rA и высотой H, при этом должны выполняться следующие неравенства:

Технический результат заключается в улучшении технологических условий изготовления диода, а также симметрии ускорения нуклидов водорода. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области техники ускорения ионов в электростатических полях, конкретно к приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии нуклидов тяжелого водорода.

Известны нейтронные генераторы на основе ускорителей прямого действия [1], состоящие из анода с источником дейтронов и катода, содержащей тритий и (или) дейтерий, которые находятся в вакуумном корпусе. При приложении к этим электродам высокого напряжения от анод осуществляется ускорение дейтронов к катоду - твердой мишени, где в результате ядерных реакций синтеза образуется поток быстрых нейтронов. Недостатком такого нейтронного генератора является подверженность мишени воздействию ионного пучка, приводящего к разрушению реакционного слоя мишени, а также ее нагреву, и, как следствие, десорбции изотопов водорода в рабочий объем и обеднению реакционного слоя. Эти факторы ограничивают ресурс мишени, а если речь идет о запаянном приборе, то ограничивается ресурс изделия в целом.

Этого недостатка лишен нейтронный генератор на основе ионного диода с потоком нуклидов тяжелого водорода, осциллирующим в электростатическом поле. К числу таких систем относятся низкотемпературные плазменные IEC (Inertial Electrostatic Confinement) - диоды. Первые технические решения таких приборов были предложены в США.

Среди них наиболее близким к предлагаемому техническому решению является IEC-диод, описанный в работе [2], который может быть взят за прототип. Устройство, описанное в прототипе, состоит из сферического металлического анода, служащего в качестве вакуумной камеры, и расположенного внутри анода полого катода, выполненного в виде сферы из металлических конструкций частично прозрачным.

Электроды соединены с источником высокого напряжения U~100 кВ. Рабочий объем диода заполняется дейтерием, давление которого может варьироваться в пределах ~(10-2÷1) Па. При работе диода между анодом и катодом возникает плазма тлеющего разряда, из которой дейтроны ускоряются к катоду, могут многократно проходить через частично прозрачный катод, при этом могут сталкиваться как с дейтронами плазмы внутри анода и катода, так и там же со встречными дейтронами. В результате в устройстве прототипа может происходить генерация нейтронов.

Недостатками указанного устройства являются конструктивная сложность изготовления катода с хорошей степенью прозрачности и принципиальное нарушение сферической симметрии анода и катода из-за наличия у катода электрического вывода, связывающего катод с источником высокого напряжения и проходящего через анод. Это приводит к бомбардировке электрического вывода ускоренными ионами и быстрому выходу его из строя.

Техническим результатом предлагаемого устройства является упрощение конструкции диода, а также увеличение тока ускоренных нуклидов водорода.

Этот результат достигается тем, что в известном устройстве [2], содержащем полый, частично-прозрачный катод и анод, симметрично охватывающий катод, соединенные с источником высокого напряжения и находящиеся в рабочем объеме, заполненном тяжелым водородом, согласно предлагаемому изобретению катод выполнен в виде двух параллельных соосных дисков радиуса rK, соединенных между собой с помощью N≥4 металлических тонких стержней длиной h, расположенных перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси симметрии диода z на расстоянии rC от нее, а анод представляет собой круговой цилиндр радиуса rA и высотой H, при этом должны выполняться следующие неравенства:

Предлагаемое устройство поясняется фигурой 1, где представлена схема расположения электродов ионного диода для генерации нейтронов. 1 - анод, 2 - катодные диски, 3 - соединительные стержни показаны в разрезах вдоль и поперек оси диода.

Устройство работает следующим образом. Под действием высокого напряжения (~100 кВ) в межэлектродном пространстве загорается разряд с полым катодом [3], характеризуемый большой величиной катодного падения потенциала (порядка напряжения на диодном зазоре). Ионы тяжелого водорода, извлекаемые из прианодной плазмы (положительного плазменного столба разряда) ускоряются в области катодного падения потенциала до энергий, достаточных для протекания ядерных реакций D(d,n)3He, T(d,n)4He или D(t,n)4He.

Прозрачность катода подбирается так, чтобы отдельный нуклид водорода мог с большой вероятностью беспрепятственно пролетать через катодную полость, потеряв часть своей энергии на столкновениях в плазме. В результате происходит его захват в потенциальной яме между анодом и катодом (см. фигуру 1), где он начинает осциллировать. Таким образом, в радиальном направлении формируются два встречных потока дейтронов, которые взаимодействуют с плазмой в области, охватываемой катодом и между собой.

В процессе осцилляции дейтроны тормозятся в катодной плазме в результате ионно-электронных столкновений. Замедленные дейтроны в результате перезарядки выбывают из осциллирующего ансамбля, образуя термализованные дейтроны в катодной полости. Эти дейтроны диффундируют в вертикальном направлении к внутренним поверхностям катодных дисков, рекомбинируя в процессе диффузии.

Дейтроны, попадающие на поверхность катода, образуют потоки электронов ионно-электронной эмиссии. Часть этих электронов, вылетающих с внутренних поверхностей катода, способствует росту концентрации плазмы внутри катода за счет дополнительной ионизации электронным ударом (эффект полого катода [3]).

В процессе установления квазистационарного режима разряда число быстрых дейтронов, пересекающих катодную полость, увеличивается до тех пор, пока их эмиссионный ток из плазмы положительного столба не компенсируется их уходом за счет прямого попадания на катод и перезарядки.

Нейтроны образуются по двум каналам: «пучок-плазма», соответствующем взаимодействию быстрых осциллирующих дейтронов с дейтронами плазмы, находящейся в центральной области, и «пучок-пучок», соответствующем взаимодействию осциллирующих дейтронов между собой. Экспериментальные результаты свидетельствуют, что при давлении дейтерия ~(10-2÷10-1) Па основная доля ядерных событий (актов генерации нейтронов) приходится на канал «пучок-пучок», а при давлении ~(101÷1) Па - на канал «пучок-плазма».

Для получения оптимальных, с точки зрения излучаемого нейтронного потока, геометрических размеров диода был проведен специальный компьютерный эксперимент, в основе которого лежала интерполяционная формула, полученная авторами настоящей заявки для аксиального IEC-диода на основании проведенного компьютерного моделирования

где j - плотность разрядного тока, t - прозрачность катода, p - параметр, определяемый соотношением

,

Р, θ - соответственно термодинамическое давление [Па] и температура (энергетическая шкала, эВ), L≅2rK - линейный размер катодной полости, пересекаемой ускоренным дейтроном.

Оценка коэффициента прозрачности катода осуществлялась в процессе расчета электростатических полей в диоде методом «эквивалентных зарядов» с последующим численным решением динамических уравнений Гамильтона-Лоренца методом Рунге- Кутта с переменным шагом интегрирования.

Коэффициент прозрачности при этом определялся в процессе компьютерного эксперимента методом Монте-Карло по формуле

,

где NП - число попаданий дейтрона на один из стержней или катодных дисков, зафиксированное в процессе компьютерного эксперимента, NH - число непопаданий дейтрона на стержни или катодные диски.

В результате перебора геометрических размеров диода были установлены соотношения размеров (1), при которых возможно достижение максимального значения нейтронного потока, излучаемого диодом в полный телесный угол.

Рассмотрим пример конкретной реализации устройства в малогабаритном варианте диода с чистым дейтериевым заполнением соответствующем следующей геометрии: N=4; rA=5.10-2 м; rK=4.10-2 м; rC=2.10-2 м; H=3.10-2 м и параметров p=1; 0.5; 0.3; 0.1 Па·м/эВ.

Результаты компьютерного расчета с использованием формулы (2) для указанных геометрических и термодинамических условий представлены на фигуре 2.

Оценки показывают, что при переходе на дейтерий-тритиевое заполнение рабочего объема диода нейтронный поток может в той же геометрии достигать значений ~109 н/с.

Разработка и внедрение предлагаемого устройства должны повысить производительность исследований горных пород, содержащих продуктивные углеводороды, уран и драгоценные металлы, методом нейтронного элементного анализа, а также работ, связанных с поиском и идентификацией скрытых опасных предметов нейтронными методами.

Источники информации

1. Богданович Б.Ю., Нестерович А.В., Шиканов А.Е., Ворогушин М.Ф., Свистунов Ю.А. Дистанционный радиационный контроль с линейными ускорителями заряженных частиц. T.1. Линейные ускорители для генерации тормозного излучения и нейтронов. М., Энергоатомиздат, 2009, 272 с.

2. Miley G.H., Sved J. Appl. Radiat. Isot. V.48, №10-12, 1997, p.1557-1561.

3. Москалев Б.Н. Разряд с полым катодом. М., Наука. 1967.

Ионный диод для генерации нейтронов, содержащий анод и соосно-расположенный внутри анода полый, частично-прозрачный катод, соединенные с источником высокого напряжения и находящиеся в рабочем объеме, заполненном тяжелым водородом, отличающийся тем, что катод выполнен в виде двух параллельных соосных дисков радиуса rK, соединенных между собой с помощью N≥4 металлических тонких стержней длиной h, расположенных перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси диода на расстоянии rC от нее, а анод представляет собой цилиндр радиуса rA и высотой H, при этом должны выполняться следующие неравенства:

где Н - высота цилиндра анода,
h - расстояние между катодными дисками,
rK - радиус дисков катода,
rA - радиус цилиндра анода,
rC - радиус, на котором располагаются стержни.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для генерации электронных и ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.

Изобретение относится к области электротехники и электрофизики, а именно к экспериментальной физике и ускорительной технике, и может использоваться для ускорения плазмы до гиперскоростей, а также для получения нанодисперсных порошков титана и его соединений: оксидов, нитридов и др.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. .

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для решения научных и прикладных задач. .

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для генерации электронных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. .

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. .

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке ускорителей-рекуператоров. .

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к конструктивным элементам формирующей линии сильноточных импульсных ускорителей. .
Изобретение относится к способам получения сильноточных диплоидных пучков электронов и высокоинтенсивного тормозного излучения в импульсных ускорителях. .

Изобретение относится к приборам для ускорения ионов в электростатических полях, конкретно к технике генерации нейтронов при ядерном взаимодействии дейтронов с тритиевыми мишенями

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к импульсным сильноточным ускорителям электронов, и предназначено для передачи энергии от мощного источника электромагнитного импульса к нагрузке

Изобретение относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначено для использования при разработке нейтронных и рентгеновских генераторов

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц
Изобретение относится к высоковольтной ускорительной технике и, в частности, к ленточным транспортерам зарядов электростатических ускорителей. В качестве многослойной тканевой основы транспортировочной ленты используют полиэфирно-хлопковую ткань, слои которой соединяют между собой клеем с высокой адгезией, а плакировочные слои ткани выполняют из резиновой смеси на основе бутадиен-нитрильного каучука, включающего мел и каолин. В качестве пластификатора используют дибутилфталат. Это позволяет повысить срок службы ленточного транспортера, снизить степень износа рабочей поверхности, а также ее гигроскопичность, повысить прочность межслойной связи, что в конечном счете в целом приводит к улучшению технологических характеристик предлагаемого устройства.

Изобретение относится к ускорителям низких и средних энергий различного назначения и, в частности, к электростатическим ускорителям. Заявленный способ включает извлечение ионизированных исследуемым пучком частиц остаточного газа в электрическом поле конденсатора, формирование извлеченных ионизированных частиц в ленточный пучок при помощи щели, отклонение электрическим полем конденсатора ионизированных частиц ленточного пучка в зависимости от их энергии, а также формирование двухмерного изображения сечения исследуемого ионного пучка путем подачи извлеченного ленточного пучка на электронно-оптический преобразователь, состоящий из усилителя на микроканальных пластинах и покрытой люминофором пластины и регистрацию оптического изображения с помощью видеокамеры. Оптическую ось видеокамеры позиционируют относительно экрана датчика изображения сечения пучка. На экран датчика наносят тестовую геометрическую фигуру, которую сравнивают с эталонной геометрической фигурой, заложенную в программном алгоритме вычислительной машины, после чего продолжают юстировку видеокамеры до момента совпадения форм эталонной и тестовой геометрических фигур. Технический результат заключается в повышении точности оценки распределения ионного пучка. 3 ил.

Заявленное изобретение относится к приборам для ускорения ионов в электростатических полях, конкретно к технике генерации нейтронов при ядерном взаимодействии дейтронов с тритиевыми мишенями. Заявленное устройство содержит герметичный корпус, внутри которого соосно расположены цилиндрический катод с мишенью, нанесенной на его внутренней поверхности, и анод симметрично охватываемый катодом. При этом в заявленном устройстве анод выполнен в виде двух встречных, симметрично расположенных стержней диаметром а, на торцах которых размещены насадки из металла, насыщенного дейтерием, смещенные друг относительно друга на расстояние d по оси симметрии трубки, диаметр катода b должен удовлетворять неравенству 0,2<a/b<0,3, А диаметр анода неравенству 0,2<a/d<1,0. Технический результат заключается в увеличении энергетического КПД генерации нейтронов. 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электронных и ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов. Линейный индукционный ускоритель содержит индукционную систему (1) в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания с объединенными выводами (2) с каждой стороны сердечников, магнитный коммутатор, магнитный импульсный генератор (3), состоящий из последовательных контуров сжатия, каждый из которых образован конденсатором и дросселем насыщения, и имеющий заземленный и потенциальный выводы, к которым подсоединен дроссель насыщения (8), а к потенциальному выводу подключен один из трех электродов двойной формирующей линии (4). Второй электрод двойной формирующей линии (4) одним концом подключен к заземленному выводу магнитного импульсного генератора, а между другим концом этого электрода и одним из выводов витков намагничивания индукционной системы включен магнитный коммутатор (9). Между третьим электродом (7) двойной формирующей линии (4) и вторым выводом витков намагничивания (2) индукционной системы (1) включена одинарная формирующая линия (10). Между точкой соединения двойной (4) и одинарной (10) формирующих линий и точкой соединения магнитного коммутатора (9) и индукционной системы (1) включен дополнительный дроссель насыщения (11). Технический результат - снижение потерь энергии и повышение надежности за счет уменьшения числа элементов в схеме. 2 ил.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Свободно осциллирующий электромагнитный ускоритель содержит ферромагнитный ускоряемый объект, цилиндрическую немагнитную трубу, резонаторы, блоки питания резонаторов, цепи обратной связи и систему просчета фазы колебаний. Технический результат - повышение эффективности разгона за счет использования всей энергии конденсаторного накопителя на каждой ступени и за счет снижения длительности импульса. 1 ил.

Ионный диод для генерации нейтронов

Наверх