RU135216U1

RU135216U1 - PULSE NEUTRON GENERATOR

Info

Publication number: RU135216U1
Application number: RU2013127722/07U
Authority: RU
Inventors: Евгений Дмитриевич Вовченко; Константин Иванович Козловский; Алексей Гаврилович Пономаренко; Дмитрий Дмитриевич Пономарев; Татьяна Александровна Шведова; Александр Евгеньевич Шиканов
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2013-11-27

Abstract

Импульсный генератор нейтронов, содержащий нейтронную трубку с анодным электродом, охватывающим лазерную мишень, высоковольтный трансформатор и конденсатор, отличающийся тем, что лазерная мишень соединена с анодным электродом через вторичную и первичную обмотки трансформатора и конденсатор, причем вторичная обмотка выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с конденсатором и первичной обмоткой, а выход - с анодным электродом и лазерной мишенью.A pulsed neutron generator comprising a neutron tube with an anode electrode spanning a laser target, a high voltage transformer and a capacitor, characterized in that the laser target is connected to the anode electrode through a secondary and primary winding of the transformer and a capacitor, the secondary winding being made in the form of a two-wire line, the input of which connected to the capacitor and the primary winding, and the output to the anode electrode and the laser target.

Description

Полезная модель 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.The utility model relates to the field of applied nuclear physics, specifically, to devices for generating pulsed neutron fluxes intended for use in applied problems of science and technology, for example, for geophysical applications.

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 дейтронов с нейтронобразующей 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 10¹¹ 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.Known pulsed neutron generator (GII), containing a neutron tube with a laser-plasma source of deuterons and an accelerating electrode system, a high voltage transformer and capacitor [1]. When laser radiation acts on a target covered by an anode electrode and a high-voltage pulse is applied to the electrodes of a neutron tube, accelerated deuterons interact with a neutron-forming target at the cathode, where a flux of fast neutrons is formed as a result of nuclear fusion reactions. The synchronization between the accelerating voltage pulse and the laser pulse acting on the target is ensured by the fact that the high-voltage unit contains a laser spark gap located in front of the tube on the optical axis of the system — a switching element that is triggered by the action of the laser pulse. When operating in the frequency mode on such a device, a neutron flux of up to 10 ¹¹ neutrons / second can be obtained. However, the inevitable presence of a statistical spread in the response time of the laser spark gap with respect to the processes of plasma formation and expansion on the laser target limits the synchronization accuracy and affects the stability of the neutron yield. In addition, the presence of a laser spark gap in the specified IIG complicates the design and reduces the manufacturability of application in applied problems.

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.This drawback is deprived of a pulsed neutron generator containing a neutron tube with an anode electrode covering a laser target, a high-voltage transformer and a capacitor, while the laser target is connected to the anode electrode through the primary winding of the transformer and the capacitor so that together they form a serial circuit [2]. This device eliminates the need for a laser spark gap, since the switching of the elements of the serial circuit occurs automatically through the space between the laser target and the anode when it is filled with laser plasma. Due to this, an increase in the stability of the neutron generator and simplification of the design is achieved.

Однако реализация малогабаритного варианта такого ИГН, в частности, для нужд ядерной геофизики, сопряженная с рядом трудностей. Наличие на катоде импульса высокого напряжении усложняет конструкцию генератора, поскольку требует обеспечения надежной изоляции катода с нейтронобразующей мишенью от элементов ИГН, находящихся под потенциалом земли. В свою очередь, это увеличивает габариты нейтронной трубки, удаляет нейтронобразующую мишень от облучаемых образцов и затрудняет применение методов магнитной изоляции, ограничивая тем самым повышение эффективности и технологичности применения генератора.However, the implementation of a small-sized version of such a GII, in particular, for the needs of nuclear geophysics, is associated with a number of difficulties. The presence of a high voltage pulse at the cathode complicates the design of the generator, since it requires reliable isolation of the cathode with the neutron-forming target from the GIN elements that are under the ground potential. In turn, this increases the dimensions of the neutron tube, removes the neutron-forming target from the irradiated samples and complicates the use of magnetic isolation methods, thereby limiting the increase in the efficiency and manufacturability of the generator.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности и технологичности применения генератора, а также упрощении его конструкции.The technical result of the proposed utility model is to increase the efficiency and adaptability of the generator, as well as simplifying its design.

Этот результат достигается тем, что в известном устройстве импульсного генератора нейтронов [2], содержащем 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 предложенное устройство в отличие от прототипа не требует применения высоковольтной электроизоляции нейтронобразующей мишени, что позволяет повысить эффективность и технологичность применения генератора, а также упростить его конструкцию при работе с высоким напряжением и использованием режима магнитной изоляции.This result is achieved by the fact that in the known device of a pulsed neutron generator [2], containing a neutron tube with an anode electrode covering a laser target, a high voltage transformer and capacitor, the laser target is connected to the anode electrode through the secondary and primary windings of the transformer and capacitor. The secondary winding of the transformer is made in the form of a two-wire line, the input of which is connected to the capacitor and the primary winding, and the output to the anode electrode and the laser target. Such a series connection of elements forms a discharge circuit, the switching of which is carried out through the gap between the laser target and the anode when it is filled with laser plasma. As a result, a high-voltage accelerating voltage pulse is formed on the anode electrode relative to the cathode, which in this case can be grounded. Thus, the proposed device, unlike the prototype, does not require the use of high-voltage electrical insulation of a neutron-forming target, which allows to increase the efficiency and adaptability of the generator, as well as to simplify its design when working with high voltage and using the magnetic isolation mode.

Предлагаемое устройство поясняется фигурой 1, где представлена схема расположения основных элементов импульсного генератора нейтронов: 1 - источник постоянного напряжения; 2 - конденсатор; 3 - первичная обмотка трансформатора; 4 - вторичная обмотка, выполненная в виде двухпроводной линии; 5 - анодный электрод, охватывающий лазерную мишень; 6 - катод; 7 - нейтронообразующая мишень; 8 - лазерная мишень; 9 - фокусирующее устройство; 10 - лазер.The proposed device is illustrated by figure 1, which shows the layout of the main elements of a pulsed neutron generator: 1 - a constant voltage source; 2 - capacitor; 3 - primary winding of the transformer; 4 - secondary winding made in the form of a two-wire line; 5 - anode electrode spanning a laser target; 6 - cathode; 7 - neutron-forming target; 8 - laser target; 9 - focusing device; 10 - laser.

Устройство работает следующим образом. Источник постоянного напряжения 1 заряжает накопительный конденсатор 2, у которого заземленный вывод соединен с одним из выводов первичной обмотки 3 и катодом б. Вторичная обмотка 4 выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с потенциальными выводами конденсатора 2 и первичной обмотки 3, а выход - с анодным электродом 5 и лазерной мишенью 8. Анодный электрод, лазерная мишень и двухпроводная линия вторичной обмотки вместе с конденсатором и первичной обмоткой составляют последовательный контур. Импульс излучения лазера 10 проходит через фокусирующее устройство 9 установленное так, что его фокальная плоскость находится вблизи или на поверхности лазерной мишени 8, например, сделанной из TiD, и создает сгусток лазерной плазмы в промежутке между лазерной мишенью и анодом. При замыкании плазмой этого промежутка накопительный конденсатор разряжается через двухпроводную линию на первичную обмотку трансформатора. При этом на вторичной обмотке между началом и концом каждого из токопроводов двухпроводной линии формируется импульс высокого напряжения (≥100 кВ), за счет которого к аноду относительно заземленного катода прикладывается ускоряющее напряжение. Дейтроны, получаемые в сгустке лазерной плазмы, вытягиваются из плазменного анода и ускоряются к нейтронообразующей мишени 7 на катоде, где в результате ядерных реакций образуются нейтроны.The device operates as follows. A constant voltage source 1 charges a storage capacitor 2, in which a grounded terminal is connected to one of the terminals of the primary winding 3 and cathode b. The secondary winding 4 is made in the form of a two-wire line, the input of which is connected to the potential terminals of the capacitor 2 and the primary winding 3, and the output is connected to the anode electrode 5 and the laser target 8. The anode electrode, the laser target, and the two-wire secondary winding line together with the capacitor and the primary winding make up a serial circuit. The radiation pulse of the laser 10 passes through a focusing device 9 installed so that its focal plane is near or on the surface of the laser target 8, for example, made of TiD, and creates a bunch of laser plasma in the gap between the laser target and the anode. When a plasma shorts this gap, the storage capacitor is discharged through a two-wire line to the primary winding of the transformer. In this case, a high voltage pulse (≥100 kV) is formed on the secondary winding between the beginning and the end of each of the conductors of the two-wire line, due to which an accelerating voltage is applied to the anode relative to the grounded cathode. Deuterons obtained in a bunch of laser plasma are pulled from the plasma anode and accelerated to the neutron-forming target 7 at the cathode, where neutrons are formed as a result of nuclear reactions.

Для повышения эффективности генерации необходимо подавлять электронную проводимость, обусловленную развитием вторичных эмиссионных процессов на катоде нейтронной трубки. Обычно для этих целей используется магнитная изоляция ускорительного зазора, причем магнитное поле необходимо создать в ограниченном пространстве возле катода, например, с помощью спиральной линии [3]. Очевидно, что применение ускорительной системы с заземленным катодом в этом случае более предпочтительно.To increase the generation efficiency, it is necessary to suppress the electronic conductivity due to the development of secondary emission processes at the cathode of the neutron tube. Usually, magnetic insulation of the accelerating gap is used for these purposes, and the magnetic field must be created in a limited space near the cathode, for example, using a spiral line [3]. Obviously, the use of an accelerated system with a grounded cathode in this case is more preferable.

Предложенное техническое решение позволяет повысить 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.The proposed technical solution allows to increase the manufacturability and efficiency of using the device in various applied problems of science and technology, for example, for geophysical applications, elemental analysis of substances using short-lived radionuclides, and testing diagnostic tools for powerful pulsed installations for thermonuclear fusion.

Источники информацииInformation sources

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, 30.12.1979.1. Bespalov D.F., Bykovsky Yu.A., Vergun I.I., Kozlovsky K.I., Kozyrev Yu.P., Leonov R.K., Simagin B.I., Tsybin A.S., Shikanov A.E. Pulse neutron generator, A.S. USSR, No. 580725, cl. G21G 4/02. - Bull. No. 48, December 30, 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. H05H 1/00. - Бюл. №48, 30.12.1986.2. Bakhurova L.A., Bespalov D.F., Vergun I.I., Mints A.Z., Pleshakova R.P., Ryabov E.V., Starinsky A.A., Shikanov A.E. Pulse neutron generator, A.S. USSR, No. 971068, class H05H 1/00. - Bull. No. 48, December 30, 1986.

3. Козловский К.И., Пономарев Д.Д., Рыжков В.И., Цыбин А.С, Шиканов А.Е. Экспериментальное исследование макета малогабаритного генератора нейтронов с импульсной магнитной изоляцией. Атомная энергия, 2012, т.112, вып.3, с.182-184.3. Kozlovsky K.I., Ponomarev D.D., Ryzhkov V.I., Tsybin A.S., Shikanov A.E. An experimental study of the model of a small-sized neutron generator with pulsed magnetic insulation. Atomic Energy, 2012, vol. 112, issue 3, p. 182-184.

Claims

A pulsed neutron generator comprising a neutron tube with an anode electrode spanning a laser target, a high voltage transformer and a capacitor, characterized in that the laser target is connected to the anode electrode through a secondary and primary winding of the transformer and a capacitor, the secondary winding being made in the form of a two-wire line, the input of which connected to the capacitor and the primary winding, and the output to the anode electrode and the laser target.