Результат интеллектуальной деятельности: 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.

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 , 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.