Источник нейтронов ограниченных размеров для нейтронной томографии

Изобретение относится к области прикладной ядерной физики, а более конкретно к устройствам получения нейтронов и может быть использовано в нейтронографии, в том числе для нейтронной томографии.

Нейтронная томография представляется одним из наиболее ярких достижений ядерной физики последнего времени. Она открывает широкие возможности разнообразных микроскопических исследований не только физических, но и химических, и биологических объектов. Появление в последние годы высоко поточных ядерных реакторов, автоматических нейтронных дифрактометров, специализированных систем детектирования, оснащенных комплексами компьютерных программ обработки, существенно расширило возможности нейтронной томографии, что обусловило увеличение интереса к ее использованию.

Отметим, что для нейтронной томографии требуются специализированные источники нейтронов, например, источники, формирующие параллельные прямолинейные пучки нейтронов с малым разбросом по углам. В настоящее время такие направленные пучки нейтронов с необходимой для приложений интенсивностью можно получить, используя мощные потоки нейтронов из ядерных реакторов с помощью длинных специализированных коллиматоров. Известен источник нейтронов, обеспечивающий поток нейтронов на уровне 10⁸÷10⁹ нейтр⋅с^-1, степень коллимации таких пучков обычно варьируется в диапазоне от 50 до 300 (отношение длины к ширине коллиматора) (см., например, В.Л. Аксенов, УФН, 1997, том 167, номер 5, 545-546 DOI: http://dx.doi.org/10.3367/UFNr.0167.199705g.0545). Основными недостатками таких видов источников является их высокая стоимость и сложность эксплуатации, что сдерживает широкое применение методов нейтронной томографии.

В последнее время появилась возможность создания для целей нейтронной томографии «точечных» источников нейтронов, образующихся при бомбардировке специальной нейтронообразующей мишени ионами дейтерия, возникающими при пробое газа в фокальной области мощных пучков излучения фемтосекундных лазеров (см., например, Fusion neutron yield from high intensity laser-cluster interaction J. Davis, G.M. Petrov, and A.L. Velikovich PHYSICS OF PLASMAS 13, 064501 2006, Ultrashort Pulsed Neutron Source I. Pomerantz, E. McCary, A.R. Meadows, A. Arefiev, A.C. Bernstein, C. Chester, J. Cortez, М.Е. Donovan, G. Dyer, E.W. Gaul, D. Hamilton, D. Kuk, A.C. Lestrade, C. Wang, T. Ditmire, and B.M. Hegelichl, PHYSICAL REVIEW LETTERS 113, 184801 (2014), Temporal Narrowing of Neutrons Produced by High-Intensity Short-Pulse Lasers, D.P. Higginson, L. Vassura, M.M. Gugiu, P. Antici, M. Borghesi, S. Brauckmann, C. Diouf, A. Green, L. Palumbo, H. Petrascu, S. Sofia, M. Stardubtsev, O. Willi, S. Kar, F. Negoita, and J. Fuchs PHYSICAL REVIEW LETTERS 115, 054802 (2015); патент США US 8526560 МПК H01J 49/06, H01J 3/00, публ. 03.09.2013). В этом случае в образующейся плазме происходит нагрев ионов дейтерия, которые при взаимодействии с нейтронообразующей мишенью в результате ядерных реакций производят нейтроны, которые изотропно разлетаются из области фокуса. Тем самым образуется «точечный» с размером, определяемым размерами фокального пятна сфокусированного лазерного излучения, источник нейтронов. В работе, описанной в статье («Nuclear fusion in gases of deuterium clusters heated with a femtosecond laser» T. Ditmire, J. Zweiback, V.P. Yanovsky, Т.E. Cowan, G. Hays, and K.B. Wharton PHYSICS OF PLASMAS VOLUME 7, NUMBER 5 MAY 2000), в качестве нейтронообразующей мишени в экспериментах использовался поток твердотельных кластеров с характерными размерами сотни мкм (размеры кластеров несколько мкм), содержащих дейтерий, направляемый в фокальную область сходящегося пучка электромагнитного излучения с плотностью потока энергии в фокусе на уровне 10¹⁶ Вт/см^-2. Под действием лазерного излучения вблизи на мишени в фокальной области пучка возникает плазма ограниченных размеров, происходит нагрев ионов дейтерия и бомбардировка ими кластерной мишени с образование нейтронов. В экспериментах зафиксирован заметный нейтронный выход - до 10⁵ нейтронов на 1 Дж вложенной энергии. Отметим, что радиальный (направленный) разлет нейтронов из «точки» с угловым разбросом, определяемым размерами источника, представляется перспективным для нейтронной томографии. При этом малый размер источника может обеспечить высокое разрешение, сравнимое с разрешением при использовании коллимированных пучков нейтронов, полученных из ядерных реакторов. Именно такой «точечный» источник нейтронов, выбран за прототип. Однако при использовании даже самых современных лазеров с частотой следования импульсов 1 кГц и энергией в импульсе около 0,1 Дж, средний по времени поток нейтронов составит около 10⁷ нейтр⋅с^-1, что существенно (на два-три порядка) уступает реакторным источникам. Недостаточная величина получаемого потока нейтронов является основным недостатком устройства прототипа. Другим недостатком точечного источника нейтронов на основе фемтосекундных лазеров является их значительная стоимость и сложность эксплуатации.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка более простого и доступного «точечного» с характерными размерами на уровне 100 мкм источника нейтронов с существенно более высоким по сравнению с прототипом потоком нейтронов порядка 10¹⁰ нейтр⋅с^-1.

Технический результат в разработанном источнике нейтронов ограниченных размеров для нейтронной томографии достигается за счет того, что он, как и источник нейтронов прототип использует ядерную реакцию синтеза, протекающую при бомбардировке нейтронообразующей мишени ионами дейтерия в ограниченной области пространства с характерными размерами порядка 100 мкм.

Новым в разработанном источнике нейтронов ограниченных размеров является то, что он содержит сторонний сильноточный источник ионов дейтерия, работающий как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Кроме того, источник ионов содержит систему ускорения пучка ионов дейтерия, состоящую из, по крайней мере, двух ускоряющих электродов и систему фокусировки пучка ионов дейтерия в виде магнитной или электростатической линзы на нейтронообразующую мишень. Предлагаемая специализированная система ускоряет пучки ионов дейтерия до оптимальной для осуществления ядерной реакции синтеза энергии - порядка 100 кэВ. При бомбардировке мишени ускоренными ионами дейтерия она излучает за счет упомянутой ядерной реакции нейтроны из ограниченной области с характерным размером, определяемым качеством сходящегося пучка ионов дейтерия.

В качестве стороннего сильноточного источника ионов предполагается использовать, например, источник ионов, в основу которого положен разряд, поддерживаемый в открытых магнитных ловушках мощным электромагнитным излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР). Примером такого источника может служить сильноточный источник многозарядных ионов, приведенный в патенте RU 2480858 (МПК H01J 27/16, H05H 1/46, публ. 27.04.2013 г.). Использование мощного миллиметрового излучения современных гиротронов позволяет более чем на порядок по сравнению с традиционными ЭЦР источниками увеличить плотность плазмы в разряде (до 10¹³-10¹⁴ см^-3) и соответственно увеличить ток ионного пучка, причем возможен непрерывный режим работы источника.

Схематичное изображение конструкции разработанного точечного источника нейтронов представлено на фиг. 1.

Конструкция разработанного источника нейтронов ограниченных размеров, представленная на фиг. 1, содержит последовательно расположенные сильноточный источник 1 ионов дейтерия, систему ускорения пучка 2 ионов дейтерия, состоящую из трех аксиально симметричных ускоряющих электродов 3, на которые подается высокое напряжение. Система фокусировки пучка 2 ионов выполнена в виде магнитной линзы 4, представляющей собой цилиндрическую катушку, обеспечивающую сильно неоднородное магнитное поле. Также в качестве системы фокусировки может использоваться электростатическая аксиально-симметричная линза 4, представляющая собой набор фокусирующих электродов, на которые подано высоковольтное напряжение. Сфокусированный пучок 2 ионов дейтерия подается на нейтронообразующую мишень 5, в которой происходит ядерная реакция синтеза. В качестве мишени 5 может быть использована, например, металлическая пластина, изготовленная из титана, обогащенного дейтерием (Ti₂D). Положение и размеры нейтронообразующей мишени 5 подобраны таким образом, что при попадании на нее сфокусированного пучка 2 ионов дейтерия на мишени 5 образуется ограниченная область 6 с характерным размером, определяемым качеством сходящегося пучка 2. Ограниченная область 6 является непосредственно той площадкой, откуда нейтроны изотропно разлетаются в пространство.

Предлагаемый источник нейтронов ограниченных размеров, представленный на фиг. 1, работает следующим образом.

Сторонний источник 1 ионов дейтерия нового поколения на основе разряда в открытой магнитной ловушке, поддерживаемого мощным миллиметровым излучением гиротрона, генерирует пучок 2 ионов дейтерия с рекордным током. Дело в том, использование мощного миллиметрового излучения современных гиротронов позволяет более чем на порядок, по сравнению с традиционными ЭЦР источниками, увеличить плотность плазмы в разряде (до 10¹³-10¹⁴ см^-3), при этом 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: (где, R и L - пробочное отношение и длина магнитной ловушки, - скорость ионного звука, Т_е - температура электронов, М - масса ионов), что составляет 10 мкс (отметим, что в традиционных источниках ионов время жизни плазмы достигает сотен мс). Малое время жизни плазмы в совокупности с большой плотностью обеспечивает возможность получать через пробки ловушки потоки плазмы с рекордными параметрами - I>10A, где I - поток плазмы I~Ne/τ, где Ne - плотность плазмы, τ - время. Для формирования пучка 2 ионов дейтерия используют систему ускорения ионов в виде, например, трех аксиально симметричных металлических электродов 3, на которые подается высокое напряжение. Такая система обеспечивает пучок 2 ионов дейтерия с энергий порядка 100 кэВ (оптимальной для ядерной реакции синтеза), током на уровне 1 А и нормализованным эмиттансом лучше чем 0,1⋅π⋅мм⋅мрад. Пучок 2 с приведенными выше характеристиками фокусируют с помощью магнитной или электростатической линзы 4 на ограниченную область 6 мишени 5. При бомбардировке ионами дейтерия с энергией 100 кэВ дейтерийсодержащей мишени 5 протекает ядерная реакция синтеза (D-D-реакция), обеспечивающая возникновение нейтронов. Нейтроны из ограниченной области 6 мишени 5 разлетаются изотропно и могут быть использованы для нужных приложений.

В конкретном примере реализации предлагаемого изобретения источник нейтронов, реализованный в ИПФ РАН в Нижнем Новгороде, выполнен на основе сильноточного источника 1 ионов дейтерия, использующего гирорторон с частотой 37,5 ГГц, мощностью до 100 кВт и длительностью импульса излучения 1,5 мс. В рассматриваемом случае был получен пучок 2 ионов дейтерия с энергией 60 кВ, током 0,5A и приведенным эмиттансом 0,07⋅π⋅мм⋅мрад. Пучок 2 ионов дейтерия с помощью магнитной линзы 4 с максимальной напряженностью магнитного поля на уровне 2Т сфокусирован на мишень 5 в пятно 6 с диаметром меньше 100 мкм. Что позволило получить поток нейтронов на уровне 10¹⁰ нейтр⋅с^-1.

Таким образом, разработанное устройство позволяет решить поставленную задачу, и можно надеяться на реализацию нейтронной томографии с помощью более простого и доступного источника нейтронов.