Импульсный генератор нейтронов

Изобретение относится к области прикладной ядерной физики, конкретно, к устройствам для генерации импульсных нейтронных потоков, предназначенных для использования в прикладных задачах науки и техники, например, для геофизических применений. Импульсный генератор нейтронов состоит из источника импульсного высоковольтного напряжения и вакуумной камеры, содержащей катод и анод, анод выполнен в виде полой тороидальной азимутально-симметричной конструкции из двух пластин кольцевой конфигурации с внешним радиусом R и внутренним радиусом r, находящихся на расстоянии l друг от друга, между которыми размещено n, где n не менее 3, импульсных источников ионов тяжелых изотопов водорода каждый высотой h и шириной f, при этом внутри анода соосно с ним расположен катод, состоящий из двух симметрично расположенных относительно анода цилиндрических магнитных элементов диаметром d и отстоящих друг от друга на расстоянии L с продольной намагниченностью до индукции 0,3<В<0,6 Тл. Выходные отверстия источников ионов тяжелых изотопов водорода направлены к оси анода, а размеры R, r, l, L, h, f, d удовлетворяют установленным соотношениям. Технический результат - повышение ресурса импульсного генератора нейтронов за счет увеличения ресурса нейтронообразующей мишени, так как в качестве нейтронообразующей мишени выступают движущиеся навстречу друг другу ускоренные дейтроны в объеме между частями катода. 2 ил.

 

Изобретение относится к области прикладной ядерной физики, конкретно, к устройствам для генерации импульсных нейтронных потоков, предназначенных для использования в прикладных задачах науки и техники, например, для геофизических применений.

Известен импульсный генератор нейтронов (ИГН), содержащий нейтронную трубку с лазерно-плазменным источником дейтронов и ускоряющей электродной системой, высоковольтный трансформатор и конденсатор [1]. При воздействии лазерного излучения на мишень, охватываемую анодным электродом, и приложении к электродам нейтронной трубки импульса высокого напряжения осуществляется взаимодействие ускоренных из образующейся лазерной плазмы дейтронов с нейтронообразующей мишенью на катоде, где в результате ядерных реакций синтеза образуется поток быстрых нейтронов. Синхронизация между импульсом ускоряющего напряжения и импульсом лазера, воздействующего на мишень, обеспечивается за счет того, что высоковольтный блок содержит расположенный перед трубкой на оптической оси системы лазерный разрядник - коммутирующий элемент, срабатывающий под действием лазерного импульса. При работе в частотном режиме на таком устройстве можно получить нейтронный поток до 1010 нейтронов/секунду. Однако неизбежное присутствие статистического разброса времени срабатывания лазерного разрядника по отношению к процессам формирования и разлета плазмы на лазерной мишени ограничивает точность синхронизации и влияет на стабильность нейтронного выхода. Кроме того, наличие в указанном ИГН лазерного разрядника усложняет конструкцию и снижает технологичность применения в прикладных задачах.

Этого недостатка лишен импульсный генератор нейтронов, содержащий нейтронную трубку с анодным электродом, охватывающим лазерную мишень, высоковольтный трансформатор и конденсатор, при этом лазерная мишень соединена с анодным электродом через первичную обмотку трансформатора и конденсатор таким образом, что вместе они образуют последовательный контур [2]. В данном устройстве отпадает потребность в лазерном разряднике, так как коммутация элементов последовательного контура происходит автоматически через пространство между лазерной мишенью и анодом при его заполнении лазерной плазмой. За счет этого достигается повышение стабильности работы нейтронного генератора и упрощение конструкции. Однако реализация малогабаритного варианта такого ИГН, в частности, для нужд ядерной геофизики, сопряжена с рядом трудностей. Наличие на катоде импульса высокого напряжения усложняет конструкцию генератора, поскольку требует обеспечения надежной изоляции катода с нейтронообразующей мишенью от элементов ИГН, находящихся под потенциалом земли. В свою очередь, это увеличивает габариты нейтронной трубки, удаляет нейтронообразующую мишень от облучаемых образцов и затрудняет применение методов магнитной изоляции, ограничивая тем самым повышение эффективности и технологичности применения генератора.

Этого недостатка лишен импульсный генератор нейтронов [3], содержащий нейтронную трубку с анодным электродом, охватывающим лазерную мишень, высоковольтный трансформатор и конденсатор, лазерная мишень соединена с анодным электродом через вторичную и первичную обмотки трансформатора и конденсатор. При этом вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с конденсатором и первичной обмоткой, а выход - с анодным электродом и лазерной мишенью. Такое последовательное соединение элементов образует разрядный контур, коммутация которого осуществляется через промежуток между лазерной мишенью и анодом при его заполнении лазерной плазмой. В результате на анодном электроде относительно катода, который в этом случае можно заземлить, формируется высоковольтный импульс ускоряющего напряжения.

Тем самым генератор не требует применения высоковольтной электроизоляции нейтронообразующей мишени. Однако наблюдается низкий ресурс использования твердотельной нейтронообразующей мишени, находящийся на поверхности катода и деградирующей от нагрева при бомбардировке ускоренными дейтронами.

Технический результат заявляемого импульсного генератора нейтронов заключается в повышении ресурса всего устройства за счет увеличения ресурса нейтронообразующей мишени, поскольку в качестве нейтронообразующей мишени выступает место образования нейтронов в объеме между частями катода, где движутся навстречу друг другу ускоренные дейтроны, а деградирующая от нагрева твердотельная нейтронообразующая мишень на поверхности катода отсутствует. Одновременно с этим в импульсном генераторе нейтронов уменьшается энергетическая цена генерируемых нейтронов.

Этот результат достигается тем, что в известном импульсном генераторе нейтронов, состоящем из источника импульсного высоковольтного напряжения и вакуумной камеры, содержащей катод и анод, анод выполнен в виде полой тороидальной азимутально-симметричной конструкции из двух пластин кольцевой конфигурации с внешним радиусом R и внутренним радиусом r, находящихся на расстоянии l друг от друга, между которыми размещено n, где n не менее 3, импульсных источников ионов тяжелых изотопов водорода каждый высотой h и шириной f, при этом внутри анода соосно с ним расположен катод, состоящий из двух симметрично расположенных относительно анода цилиндрических магнитных элементов диаметром d и отстоящих друг от друга на расстоянии L с продольной намагниченностью до индукции 0,3<В<0,6 Тл, причем выходные отверстия источников ионов тяжелых изотопов водорода направлены к оси анода, а размеры R, r, l, L, h, f, d удовлетворяют следующим соотношениям:

, , , .

Вышеуказанные соотношения объясняются следующим образом: первое соотношение регулирует непопадание пучка дейтронов (тяжелых изотопов водорода) на катод и, одновременно, хорошее заполнение области генерации нейтронов между цилиндрическими магнитными элементами; второе и третье соотношения регулируют равномерное заполнение дейтронами выходного отверстия источника дейтронов на аноде; четвертое соотношение регулирует сверху условия вакуумной электроизоляции между анодом и катодом, а снизу - условие достаточности напряженности ускоряющего дейтроны электрического поля в области между анодом и катодом. А количество импульсных источников ионов тяжелых изотопов водорода n (n>3) установлено экспериментальным путем исходя из критерия равномерного распределения ионов тяжелых изотопов водорода на выходе из анода.

Пример конкретной реализации устройства поясняется Фиг.1 и Фиг.2. На Фиг.1 представлена схема расположения основных элементов импульсного генератора нейтронов: 1 - анод; 2 - источники ионов тяжелых изотопов водорода; 3 - катод, который состоит из двух соосных цилиндрических магнитных элементов; 4 - ГИН; 5 - место генерации нейтронов на встречных пучках тяжелых изотопов водорода; 6 - две пластины анода кольцевой конфигурации; l - расстояние между кольцевыми пластинами анода; R - внешний радиус кольцевых пластин анода; r - внутренний радиус кольцевых пластин анода; h - высота источника дейтронов; f - ширина источников дейтронов; d - диаметр цилиндрических магнитных элементов; L - расстояние между цилиндрическими магнитными элементами.

На Фиг.2 представлен разрез А-А Фиг.1, где представлена схема расположения элементов импульсного генератора нейтронов: 1 - анод; 2 - источники ионов тяжелых изотопов водорода; 6 - две пластины анода кольцевой конфигурации.

В конструкции импульсного генератора нейтронов применены постоянные магниты, например из NdFeB, которые обеспечивают требуемую величину индукции магнитного поля в предложенной геометрии в диапазоне 0,3<В<0,6 Тл. Нижний предел определен началом действия магнитной изоляции электронов межу анодом и катодом, верхний предел - возможностью магнитных элементов и отсутствием необходимости большей величины индукции магнитного поля.

Импульсный генератор нейтронов работает следующим образом. При включении импульсных источников ионов тяжелых изотопов водорода 2 из выходного отверстия источника ионов тяжелых изотопов водорода 2 в полость анода 1 выходят дейтроны уже равномерно по азимуту. В этот момент включается источник импульсного высоковольтного напряжения 4. Дейтроны ускоряются в направлении оси анода и катода к месту генерации нейтронов 5. Проходя через осевую линию, ускоренные дейтроны замедляются, двигаясь снова к кольцевому аноду, потом снова ускоряются к оси и несколько раз повторяют эту траекторию. Магнитное поле магнитных элементов препятствуют движению к аноду образующихся у катода электронов, поскольку ларморовский радиус электронов в выбранном магнитном поле у катодов 3 много меньше r d 2 , тем самым достигается высокий КПД использования энергии источника импульсного высоковольтного напряжения 4 и уменьшается энергетическая цена генерируемых нейтронов, так как энергия расходуется исключительно на ускорение ионов тяжелых изотопов водорода, а не электронов. Движущиеся на встречу дейтроны сталкиваются друг с другом, при этом происходит ядерная реакция синтеза с образованием нейтронов в месте 5.

За счет того, что в предлагаемом импульсном генераторе нейтронов нейтроны образуются в результате ядерной реакции при столкновении ускоренных дейтронов многократно осциллирующих (до 1000 раз) относительно оси конструкции и движущихся навстречу друг другу. Поэтому исключена деградация твердотельной нейтронообразующей мишени при высоких потоках на нее ускоренных дейтронов и, соответственно, уменьшение нейтронного выхода генератора, поскольку такая мишень отсутствует вообще в предлагаемом импульсном генераторе нейтронов.

Предложенное техническое решение позволяет повысить ресурс нейтронообразующей мишени при одновременном достижении высокого КПД использования энергии высоковольтного источника.

Это повышает технологичность и эффективность использования устройства в различных прикладных задачах науки и техники, например, для геофизических применений, элементного анализа вещества по короткоживущим радионуклидам, тестирования средств диагностики мощных импульсных установок для термоядерного синтеза.

Источники информации

1. Беспалов Д.Ф., Быковский Ю.А., Вергун И.И., Козловский К.И., Козырев Ю.П., Леонов Р.К., Симагин Б.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Импульсный генератор нейтронов. А.с. СССР, №580725, кл. G21G 4/02. - Бюл. №48, 30.12.1979.

2. Бахурова Л.А., Беспалов Д.Ф., Вергун И.И., Минц А.З., Плешакова Р.П., Рябов Е.В., Старинский А.А., Шиканов А.Е. Импульсный генератор нейтронов. А.с. СССР, №971068, кл. Н05Н 1/00. - Бюл. №48, 30.12.1986.

3. Патент - 135216 РФ, МПК Н05Н 3/06. Импульсный генератор нейтронов / Вовченко Е.Д., Козловский К.И., Пономаренко А.Г., Пономарев Д.Д., Шведова Т.А., Шиканов А.Е.; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ» (НИЯУ МИФИ). - №2013127722/07, Заяв. 18.06.2013; Опубл. 27.11.2013, Бюл. №33.

Импульсный генератор нейтронов, состоящий из источника импульсного высоковольтного напряжения и вакуумной камеры, содержащей катод и анод, отличающийся тем, что анод выполнен в виде полой тороидальной азимутально-симметричной конструкции из двух пластин кольцевой конфигурации с внешним радиусом R и внутренним радиусом r, находящихся на расстоянии l друг от друга, между которыми размещено n, где n не менее 3, импульсных источников ионов тяжелых изотопов водорода каждый высотой h и шириной f, при этом внутри анода соосно с ним расположен катод, состоящий из двух симметрично расположенных относительно анода цилиндрических магнитных элементов диаметром d и отстоящих друг от друга на расстоянии L с продольной намагниченностью до индукции 0,3<В<0,6 Тл, причем выходные отверстия источников ионов тяжелых изотопов водорода направлены к оси анода, а размеры R, r, l, L, h, f, d удовлетворяют следующим соотношениям:
, , , .



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для получения нейтронов и может быть использовано для нейтронного анализа для лучевой нейтронной терапии, а также для моделирования нейтронных полей термоядерных устройств.

Изобретение относится к генераторам нейтронов и может быть использовано для нейтронного анализа веществ, материалов и изделий, для лучевой нейтронной терапии, а также для моделирования нейтронных полей термоядерных устройств.

Изобретение относится к генератору нейтронов и способу его конструирования. Генератор включает в себя решетку, выполненную с возможностью выработки ионизируемого газа при нагреве электронами, сталкивающимися с ней.

Изобретение относится к области плазменной техники. Способ генерирования импульсного потока высокоэнергичных частиц, содержащий следующие этапы: инициирование ионной плазмы на первом электроде (111) в вакуумной камере (110) и обеспечение возможности развития указанной плазмы по направлению ко второму электроду (112) в указанной вакуумной камере, подача короткого импульса высокого напряжения между указанными электродами в промежутке времени, при котором указанная ионная плазма находится в переходном состоянии с пространственным распределением ионов или электронов на расстоянии от указанного второго электрода, с целью ускорения указанных распределенных ионов или электронов по направлению к указанному второму электроду, благодаря чему генерируется высокоэнергетический поток заряженных частиц, в то же время преодолевается предел тока, связанный с пространственным зарядом, обычного вакуумного диода и генерирование указанных частиц высокой энергии на указанном втором электроде (112).

Изобретение относится к средствам контроля движения гранулированных твердых тел по тракту пневмотранспортирования. .

Изобретение относится к отпаянным нейтронным трубкам и может быть использовано в генераторах нейтронов для проведения неразрушающего элементного анализа вещества и проведения исследований нейтронно-радиационными методами, в т.ч.

Изобретение относится к ускорительным трубкам для получения нейтронов при проведении неразрушающего элементного анализа вещества и проведения физических исследований нейтронно-радиационными методами.

Изобретение относится к запаянным нейтронным трубкам и может быть использовано в генераторах нейтронов для исследования геофизических и промысловых скважин. .

Изобретение относится к генераторам нейтронов и может быть использовано в нейтронном каротаже, в нейтронном активационном анализе, в лучевой терапии. .

Изобретение относится к средствам создания и поддержания тока в плазме. В заявленном изобретении предусмотрено создание вакуумированного объема средствами вакуумной откачки в токамаке в объеме, ограниченном катушкой тороидального магнитного поля. Далее внутрь реакторной камеры запускают газ, при этом в центральном соленоиде (1) изменяют ток. Изменением тока центрального соленоида в газе создают индукционное электрическое поле и индукционный электрический ток, стягивают плазму в шнур, затем путем продолжения изменения тока в центральном соленоиде поддерживают протекание тока в плазме. Соленоид предварительно электрически соединяют с первой системой магнитов (2). Предусмотрена также вторая система магнитов (10), соединенная с системой катушек полоидального магнитного поля (9), а также третья система магнитов (16), соединенная с катушкой (8) тороидального магнитного поля. Магниты первой, второй и третьей систем выполнены с возможностью перемещения посредством устройств изменения расстояния между магнитами (3), (11) и (17), а также с возможностью охлаждения до температуры жидкого гелия посредством криостатов и перевода в сверхпроводящее состояние. Техническим результатом является повышение КПД при создании и поддержании шнура с током в плазме, а также повышение длительности поддержания тока в плазме индукционным способом. 2 н. и 54 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть применено для получения пучков заряженных частиц для ионной имплантации, нейтронозахватной терапии рака или для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ. Традиционно напряжение на ускоритель подается от высоковольтного источника питания через проходной изолятор с омическим делителем. Новым является то, что высоковольтный источник питания секционного типа размещается внутри изолятора, на котором крепятся высоковольтный и промежуточные электроды ускорителя. Напряжение на высоковольтный и промежуточные электроды ускорителя подается от секций высоковольтного источника питания. Технический результат - повышение компактности и надежности ускорителя. 2 ил.

Изобретение относится к запаянным нейтронным трубкам и может быть использовано в генераторах нейтронов для проведения неразрушающего элементного анализа вещества и проведения исследований нейтронно-радиационными методами, в том числе для проведения геофизических исследований нефтегазовых скважин. Технический результат - повышение надежности и увеличение ресурса запаянной нейтронной трубки. В запаянной нейтронной трубке, содержащей трубчатый изолятор, на одном конце которого герметично закреплен источник ионов с центральным отверстием для извлечения ионов, на другом конце закреплена мишень и ускоряющий электрод с центральным отверстием для прохождения ионов, размещенный в полости трубчатого изолятора, трубчатый изолятор имеет аксиальную внутреннюю проточку со стороны мишени, а ускоряющий электрод имеет форму усеченного конуса и введен в проточку до упора. 1 ил.
Наверх