Мощный источник нейтронов, использующий ядерную реакцию синтеза, протекающую при бомбардировке нейтронообразующей газовой мишени ускоренными ионами дейтерия

Изобретение относится к области прикладной ядерной физики, а именно к устройствам получения нейтронов и может быть использовано, как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях: в ядерной физике, спектрометрии, нейтронографии, медицине, системах безопасности, дефектоскопии и т.д.

В настоящее время для этих целей широко используются источники нейтронов различного типа: изотопные источники, ядерные реакторы, ускорители, D-D и D-T генераторы нейтронов и др. Одним из наиболее перспективных путей создания компактного мощного источника нейтронов, не использующего радиоактивные вещества, является разработка D-D генератора нового поколения. Это источник на основе реакции синтеза между двумя ядрами дейтерия, в результате которой образуется изотоп гелия и нейтрон с энергией 2,5 МэВ. Существенным преимуществом такой реакции является возможность ее реализации при низких энергиях - десятки кэВ, а также отсутствие вредных и радиоактивных элементов.

D-D генератор нейтронов состоит из источника ионов дейтерия на основе разрядов различного типа, системы формирования и ускорения пучка ионов дейтерия, помещенных в ускорительную вакуумную камеру с низким давлением остаточного газа, и нейтронообразующей мишени, например титановой, насыщенной дейтерием (Н.А. Власов. Источники нейтронов. УФН, т. XLIII, вып. 2, с. 169-253, 1951). Генерируемый ионным источником поток ионов дейтерия ускоряется до энергии порядка 100 кэВ. Энергия 100 кэВ является техническим оптимумом, обеспечивающим уже достаточно высокое сечение реакции, но не требующим дополнительных мер по подготовке помещения. Ускоренный поток ионов дейтерия направляется на мишень, в которой и происходит ядерная реакция с испусканием нейтронов.

Улучшение характеристик каждого из вышеперечисленных элементов генератора увеличивает генерируемый поток нейтронов. Плотность потока плазмы из ловушки определяет максимально возможную плотность тока ионного пучка. Система формирования ионного пучка определяет значения полного тока и плотности тока извлекаемого ионного пучка, а также его энергию, от которой сильно зависит сечение ядерной реакции, используемой для генерации нейтронов. Ток ионного пучка вносит свой пропорциональный вклад в итоговый нейтронный выход. Ключевым элементом генератора нейтронов является нейтронообразующая мишень, в настоящее время наиболее распространенной является твердотельная мишень, содержащая дейтерий или тритий, например TiD₂, которая должна работать при больших мощностях энерговыделения - на уровне 100 кВт. По патенту US 9805830 ((Generating neutron» (публ. 31.10.2017 г., МПК Н05Н 3/06) известен источник нейтронов, использующий для генерации нейтронов твердотельную мишень в форме цилиндра. Предложенная конструкция генератора нейтронов позволяет регулировать формы плазмы и мишени, что в конечном итоге позволяет увеличить срок службы твердотельной мишени. В патенте US 9008256 «Method and system for in situ depositon and regeneration of high efficiency target materials for long life nuclear reaction devices» (публ. 14.04.2015 г., МПК H05H 3/06, H05H 6/00) описан источник нейтронов с твердотельной мишенью. В заявленном изобретении предложен также способ осаждения и регенерации материала мишени in situ, направленный на увеличения срока службы и качества рабочей поверхности мишени. Однако разработка мощных источников нейтронов непрерывного действия с твердотельными мишенями сталкивается с существенными трудностями. Дело в том, что при бомбардировке твердотельной мишени пучком ионов дейтерия с энергией 100 кэВ вся энергия пучка выделяется в тонком (порядка 1 мкм) поверхностном слое. При этом мощность энерговыделения достигает десятков кВт и эту энергию необходимо отводить. Причем нельзя допустить перегрева поверхности, так как перегрев может приводить не только к разрушению мишени, но и десорбции дейтерия, то есть к снижению эффективности мишени. Например, для мишени из TiD₂ рабочая температура не должна превышать 400°С.

В этой связи представляют несомненный интерес газовые мишени. Газовая мишень представляет собой реакторную камеру с протоком газа повышенного давления. Она отделена от ускорительной вакуумной камеры низкого давления (давление в которой поддерживается на уровне 10^-4-10^-5 Торр) перегородкой с отверстием малого диаметра, через которое проходит ускоренный пучок ионов дейтерия. Генераторы нейтронов с использованием газовых мишеней описаны, в том числе, на сайте https://phoenixwi.com.

Использование газовой мишени позволяет существенно (обратно пропорционально плотности газа) увеличить размер области энерговыделения, и соответственно уменьшить уровень удельного энерговыделения, при этом выделившееся тепло уносится газовым потоком. Газовая мишень обладает, кроме того, и большей эффективностью образования нейтронов, поскольку реакция синтеза может происходить и при вторичных столкновениях частиц. При этом уменьшаются потери энергии пучка, связанные с возбуждением фононов в твердотельной мишени.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в патенте US 10206273 «High power ion beam generator systems and methods» (публ. 12.02.2019 г., МПК H05H 3/06, H05H 6/00), которое выбрано в качестве прототипа. Мощный источник нейтронов содержит ускорительную камеру низкого давления и реакторную камеру повышенного давления с газовой мишенью из нейтронообразующих газов, соединенные отверстием малого диаметра. В ускорительной камере размещен источник ускоренных ионов дейтерия. Поток этих ионов посредством системы фокусировки формируется в пучок, фокус которого совмещен с центром отверстия, и направляется в реакторную камеру. Перепад давления между ускорительной и реакторной камерами обеспечивается за счет системы дифференциальной откачки.

Очевидно, что чем меньше диаметр отверстия между ускорительной и реакторной камерами, тем больший перепад давлений между этими камерами можно обеспечить. Для реализации такой схемы генератора нейтронов необходимо использовать сфокусированный пучок ионов, фокальная область которого располагается в отверстие между ускорительной и реакторной камерами. Качество пучка - его эмиттанс - определяет предельный размер пятна ионов в фокальной области. При использовании традиционных источников ионов дейтерия, которые характеризуются сравнительно низким качеством формируемых пучков ионов, не удается получить сходящиеся пучки ионов с поперечным размером пучка в фокальной области менее 1 мм. Этим существенным недостатком обладает и устройство - прототип, в котором поперечный размер пучка ускоренных ионов в фокальной области составляет несколько миллиметров. Соответственно размер отверстия между ускорительной и реакторной камерами также составляет порядка нескольких миллиметров, в таком случае между этими камерами сложно создать большой перепад давления. При обеспечении низкого давления (10^-4 Торр) в ускорительной камере, давление в реакторной камере не может быть большим с учетом конструкции устройства - прототипа. Согласно расчетам давление в реакторной камере устройства - прототипа оказывается существенно меньше 1 Торр. В этих условиях для увеличения нейтронного выхода размеры реакторной камеры необходимо увеличивать. Кроме того поддержание разницы давлений, обеспечивающей заявленный уровень выхода нейтронов в устройстве - прототипе, возможно лишь при применении дорогостоящего высоковакуумного оборудования с высокой производительностью. Таким образом, в прототипе за счет отсутствия большого градиента давления между камерами невозможно увеличить эффективность генерации нейтронов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка мощного компактного источника нейтронов, использующего сильноточный пучок ионов высокого качества, который вводится в реакторную камеру с газовой мишенью через канал уменьшенного диаметра, что позволяет поддерживать давление в ускорительной камере на уровне 10^-4 Торр и увеличивать давление в реакторной камере до нескольких Торр, в результате чего нейтронный выход мощного компактного источника нейтронов достигает уровня 10¹¹ n/с.

Технический результат достигается тем, что разработанный мощный компактный источник нейтронов, так же как и устройство - прототип, содержит источник ускоренных ионов дейтерия, помещенный в ускорительную камеру низкого давления, систему фокусировки пучка ускоренных ионов дейтерия, расположенную в ускорительной камере, реакторную камеру повышенного давления с газовой мишенью из нейтронообразующих газов, соединенную с упомянутой ускорительной камерой отверстием малого диаметра, через которое пучок ускоренных ионов дейтерия поступает в реакторную камеру, причем фокус вышеупомянутого пучка совмещен с центром отверстия, систему дифференциальной откачки, присоединенную к ускорительной и реакторной камерам, обеспечивающую в совокупности с упомянутым отверстием необходимый перепад давления между ускорительной камерой и реакторной камерой.

Новым в разработанном мощном компактном источнике нейтронов является то, что в качестве источника ускоренных ионов дейтерия используется источник ионов на основе ЭЦР разряда с квазигазодинамическим режимом удержания, плазма в котором поддерживается микроволновым излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн, система формирования и ускорения ионов, состоящая из, по крайней мере, двух электродов, на которые подается ускоряющее напряжение, в результате чего формируется сильноточный (полный ток до 1 А) пучок ускоренных ионов дейтерия (с энергией до 100 эВ) со среднеквадратичным приведенным эмиттансом не хуже чем 0,05⋅π⋅мм⋅мрад. Система фокусировки пучка ускоренных ионов дейтерия, представляющая собой магнитную линзу, фокусирует вышеописанный пучок в пучок с поперечным размером в фокальной области меньше миллиметра и протяженностью фокальной области порядка нескольких миллиметров. При этом отверстие между ускорительной и реакторной камерами представляет собой канал, то есть отверстие, длина которого больше его диаметра, а размеры канала соответствуют фокальной области проходящего через него вышеописанного пучка, то есть диаметр канала - меньше миллиметра, а длина канала порядка нескольких миллиметров.

Как уже отмечалось, важным элементом генератора нейтронов является источник ускоренных ионов дейтерия, причем одним из естественных путей повышения выхода нейтронов является увеличение тока ионного пучка, бомбардирующего мишень. Это можно осуществить за счет увеличения плотности плазмы в источнике ионов. Авторами заявки предложен ЭЦР источник ионов с плотной плазмой с использованием миллиметрового излучения гиротрона. За счет высокой частоты поддерживающего ЭЦР разряд СВЧ излучения (в современных источниках используется излучение гиротронов с частотой до 60 ГГц) в открытой магнитной ловушке источника создается плазма с уникальными параметрами: плотностью свыше 10¹³ см^-3, температурой электронов на уровне от нескольких десятков до сотен эВ. В традиционных ЭЦР источниках используют для накачки излучение с частотой 10-18 ГГц. В заявленном устройстве существенное, более чем на порядок по сравнению с обычными источниками, увеличение плотности плазмы приводит к изменению характера удержания плазмы в ловушке. Реализуется так называемый квазигазодинамический (КГД) режим удержания, при котором время жизни плазмы слабо зависит от ее плотности, вследствие чего при увеличении плотности плазмы улучшаются условия для образования ионов - растет параметр удержания N_e τ, где N_e - плотность плазмы, τ - время жизни плазмы. Переход к квазигазодинамическому режиму удержания происходит при высоких плотностях плазмы, когда частота рассеяния электронов в конус потерь становится выше, чем максимально возможная частота потерь частиц плазмы из ловушки, определяемая ее выносом со скоростью ионного звука. В такой ситуации конус потерь в пространстве скоростей на функции распределения электронов оказывается заполненным, а время жизни плазмы перестает зависеть от плотности плазмы (от частоты рассеяния электронов в конус потерь). Время жизни плазмы в источнике с таким режимом удержания, определяемое газодинамическим временем пролета плазмы через ловушку, находят из выражения: τ=L⋅lnR/V_is, где L - размер ловушки, R - пробочное отношение, V_is - скорость ионного звука. Время жизни плазмы зависит от размера ловушки, от структуры магнитного поля для систем пробочной конфигурации магнитного поля, температуры электронов, массы ионов, определяющих скорость ионного звука и оказывается существенно ниже (в условиях экспериментов - на уровне 10 мкс), чем в случае классических источников. Это обеспечивает существенное увеличение плотности потока I частиц из ловушки (I ~ N_e/τ, где N_e - плотность плазмы).

При этом параметр удержания N_e⋅τ, определяющий степень ионизации плазмы, при высокой ее плотности может быть достаточно большим и обеспечивает почти полную ионизацию водорода (дейтерия). Именно эти особенности ЭЦР разряда, поддерживаемого миллиметровым излучением, а именно низкое значение времени жизни в сочетании с высокой плотностью, обеспечивают рекордный поток плазмы через пробки ловушки с плотностью на уровне нескольких ампер через квадратный сантиметр. Согласование излучения с плотной замагниченной плазмой осуществляют в условиях электронно-циклотронного резонанса, причем ввод СВЧ пучка электромагнитных волн в зону ЭЦР должен осуществляться под малым углом к магнитным силовым линиям со стороны сильного магнитного поля. Именно такие условия ввода, при плотности плазмы меньше критической, обеспечивают заметное поглощение СВЧ излучения плазмой ЭЦР разряда. (RU 2480858 «Сильноточный источник многозарядных ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке», публ. 27.01.2013 г., МПК H01J 27/16, Н05Н 1/46). Использование импульсного режима работы нового типа ЭЦР источника ионов (источника с КГД режимом удержания плазмы) позволило получить потоки плазмы на уровне 10 А/см² и формировать пучки ионов в импульсном режиме работы с рекордными параметрами: плотностью тока до 800 мА/см², полным током до 400 мА, долей атомарных ионов дейтерия свыше 90%.

Таким образом, в разработанном мощном компактном источнике нейтронов для получения сильноточного (полный ток до 1 А) пучка ускоренных ионов дейтерия (с энергией до 100 эВ) со среднеквадратичным приведенным эмиттансом не хуже чем 0,05⋅π⋅мм⋅мрад используют источник ионов на основе ЭЦР разряда с квазигазодинамическим режимом удержания, плазма в котором поддерживается микроволновым излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн, с системой формирования и ускорения ионов.

В частном случае между ускорительной и реакторной камерами введена добавочная камера с системой высоковакуумной откачки, а в боковой стенке канала, соединяющего ускорительную и реакторную камеры, выполнено, по крайней мере, одно дополнительное отверстие, соединяющее упомянутую добавочную камеру с пространством внутри канала.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 представлена схема разработанного источника нейтронов согласно п. 1 формулы.

На фиг. 2 представлена схема разработанного источника нейтронов согласно п. 2 формулы, содержащего добавочную камеру с системой высоковакуумной откачки.

Разработанный источник нейтронов, схема которого представлена на фиг. 1, содержит ускорительную камеру 1 низкого давления и реакторную камеру 2 повышенного давления, соединенные каналом 3 малого диаметра. В ускорительной камере 1 последовательно расположены источник ионов 4 дейтерия, система формирования и ускорения 5 пучка ионов 6 дейтерия, состоящая из двух или более аксиально симметричных электродов, система компенсации заряда 7 пучка ионов 6, система фокусировки 8 пучка ионов 6. Реакторная камера 2 содержит газовую мишень, состоящую из нейтронообразующих газов (например, дейтерия). К ускорительной камере 1 и реакторной камере 2 присоединена система высоковакуумной откачки 9.

В частном случае выполнения источника нейтронов по п. 2 формулы (фиг. 2) введена добавочная камера 10 с системой высокопроизводительной вакуумной откачки 9, соединенная, по крайней мере, одним дополнительным отверстием 11 с каналом 3 ввода пучка ионов 6.

Разработанный источник нейтронов, представленный на фиг. 1, работает следующим образом.

В качестве источника ионов 4 дейтерия используется источник, в котором происходит разряд в открытой магнитной ловушке, и он поддерживается мощным миллиметровым излучением гиротрона в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), плотность плазмы в котором поддерживается не ниже уровня 10¹³ см^-3. При этом плотность образуемой плазмы более чем на порядок превосходит плотность плазмы в традиционных ЭЦР источниках. С увеличением плотности плазмы в разряде происходит смена режима удержания плазмы - реализуется, так называемый, квазигазодинамический режим удержания с заполненным конусом потерь. Время жизни плазмы в таком режиме, определяемое временем пролета ловушки ионами, составляет 10 мкс. Малое время жизни плазмы в совокупности с большой плотностью обеспечивает возможность получать через пробки ловушки потоки плазмы с рекордными параметрами - эквивалентный ток плазмы более 10 А. Формирование пучка ионов 6 происходит с использованием двух или более электродов, образующих систему формирования и ускорения 5 пучка ионов 6, на которые подают высоковольтное напряжение. На выходе системы формирования и ускорения 5 получают пучок ионов 6 с энергий порядка 100 кэВ (оптимальной для ядерной реакции синтеза), током на уровне 1 А и нормализованным эмиттансом ~ 0,05⋅π⋅мм⋅мрад.

Полученный сильноточный ускоренный пучок ионов 6 дейтерия с рекордной яркостью с помощью системы фокусировки 8, выполненной в виде магнитной линзы, фокусируют в канал 3, соединяющий ускорительную камеру 1 и реакторную камеру 2. Для реализации предельного сжатия пучка ионов 6 используют систему компенсации заряда 7, которая в простейшем случае представляет собой устройство дополнительной подачи нейтрального газа в область пучка ионов 6 на входе в систему фокусировки 8. Нейтральный газ в этой области ионизуется, и образовавшиеся электроны втягиваются в область пучка ионов 6, компенсируя его пространственный заряд. Используя длиннофокусную систему фокусировки 8, получают пучок ионов 6, имеющий в фокальной области поперечный размер менее 1 мм (предельное сжатие - 200 мкм) и протяженность фокальной области ~5 мм. Это позволяет использовать для ввода пучка ионов 6 в реакторную камеру 2 с газовой мишенью протяженное отверстие (канал 3) с существенно меньшим, по сравнению с прототипом, диаметром. Благодаря этому возможно обеспечить большое давление в реакторной камере 2 на уровне нескольких Торр. Таким образом, сильноточный ускоренный пучок ионов 6 дейтерия попадает в реакторную камеру 2, заполненную дейтерием при повышенном давлении, где происходит D-D реакция синтеза с выделением нейтронов. Повышенное давление внутри реакторной камеры 2 увеличивает эффективностью образования нейтронов, поскольку реакция синтеза может происходить, в том числе, и при вторичных столкновениях частиц.

Дальнейшее усовершенствование работы источника нейтронов может быть связано с увеличением эффективности генерации нейтронов за счет еще большего увеличения плотности дейтерия в реакторной камере 2. Согласно п. 2 формулы между ускорительной 1 и реакторной 2 камерами вводят добавочную камеру 10 с системой высокопроизводительной вакуумной откачки 9, соединенную с каналом 3 ввода пучка ионов 6, по крайней мере, одним дополнительным отверстием 11, выполненным в боковой стенке канала 3. Такая добавочная камера 10 обеспечивает дополнительную откачку газа из канала 3, и тем самым позволяет поддерживать большее давление в реакторной камере 2, сохраняя при этом давление в ускорительной камере 1 на уровне 10^-4 Торр, и, соответственно, получать большую эффективность генерации нейтронов. Для увеличения производительности откачки через дополнительное отверстие 11 целесообразно увеличивать размер добавочной камеры 10 по мере удаления от оси системы. Увеличение объема камеры 10 возможно осуществить, например, за счет увеличения по мере удаления от оси системы размера камеры, параллельного этой оси.

В случае практической реализации экстракция и формирование ускоренного пучка ионов 6 осуществлялась двухэлектродной системой 5 с напряжением экстракции до 80 кВ. Система экстракции располагалась в 10 см за пробкой магнитной ловушки, где за счет разлета плазмы по силовым линиям магнитного поля плотность ее потока существенно уменьшалась, приближаясь к оптимальной для используемого напряжения экстракции. В результате получены ускоренные пучки ионов 6 с энергией до 80 кэВ со среднеквадратичным приведенным эмиттансом не хуже чем 0,05⋅π⋅мм⋅мрад. Исследования возможности фокусировки полученных пучков ионов 6 проводились с использованием простейшей фокусирующей системы 8 - магнитной линзы (диаметр входного отверстия 3 см, длина 10 см, максимальная напряженность магнитного поля 2 Тл), установленной за экстрактором. Расчет траекторий пучка ионов 6 квазигазодинамического источника ионов 4 выполнялся с помощью библиотеки программ IBSimu. Он показал при длиннофокусной фокусировке возможность получения в фокальной области пучка ионов 6 с поперечным размером менее 1 мм (предельное сжатие - 200 мкм) и протяженностью ~5 мм. В рассматриваемом случае поток нейтронов из источника с дейтерий содержащей мишенью по оценкам превысил уровень 10¹¹ n/с. Таким образом, разработанное авторами устройство позволяет решить поставленную задачу.