RU161783U1

RU161783U1 - Импульсный генератор нейтронов

Info

Publication number: RU161783U1
Application number: RU2015149128/07U
Authority: RU
Inventors: Борис Юрьевич Богданович; Евгений Дмитриевич Вовченко; Антон Алексеевич Исаев; Константин Иванович Козловский; Николай Игоревич Криворучко; Александр Владимирович Нестерович; Александр Евгеньевич Шиканов
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2016-05-10

Abstract

Импульсный генератор нейтронов, содержащий источник импульсного напряжения с формирующей линией, камеру с двухэлектродным разрядником, соединенным с источником импульсного напряжения, анод в виде симметрично охватывающей катод цилиндрической трубы дрейфа длиной Н с оптическим окном и расположенной на его заднем торце нейтронообразующей мишенью, взрывоэмиссионный игольчатый катод, расположенный соосно с трубой дрейфа в области его переднего торца, плазмообразующую мишень, импульсный лазер, блок синхронизации запуска лазера и генератора импульсного напряжения, фокусирующую линзу, расположенную между импульсным лазером и плазмообразующей мишенью, отличающийся тем, что он содержит второе оптическое окно в камере двухэлектродного разрядника и вторую фокусирующую линзу перед ним, частично прозрачное зеркало, расположенное на трассе лазерного луча под углом π/4 напротив окна в камере разрядника, и зеркало, расположенное за ним на трассе лазерного луча под углом π/4 напротив окна в трубе дрейфа, спиральную линию конической формы, расположенную соосно с трубкой дрейфа, с углом полураствора конуса α в сторону анода, лежащим в пределах π/6≤α≤π/4, имеющей вдоль оси спирали длину h, находящуюся в пределахпри этом плазмообразующая мишень расположена внутри спирали на расстоянииот катода и на расстоянииот оси спирали, где ρ - радиус катода.

Description

Предполагаемая полезная модель относится к области нейтронной техники, конкретно, к устройствам для генерации нейтронов при взаимодействии ускоренных нуклидов водорода с твердыми мишенями.

Известны нейтронные генераторы на основе ускорительных трубок (УТ) [1], в которых осуществляется ускорение дейтронов к твердой мишени, содержащей тритий, где в результате ядерной реакции T(d, n)⁴He образуется поток быстрых нейтронов. Недостатком этих приборов - аналогов является наличие в мишени УТ трития, что усложняет обеспечение необходимых условий радиационной безопасности при монтаже и эксплуатации нейтронных генераторов.

Этого недостатка лишено техническое решение, описанное в работе [2], в котором генерация нейтронов может осуществляться в результате бомбардировки дейтронами титана-дейтериевых, углеродных и бериллиевых мишеней за счет возможности ускорения дейтронов до энергий ≥300 кэВ. При этом ускорение дейтронов осуществляется в процессе инжекции импульсного потока электронов в цилиндрическую рабочую вакуумную камеру (трубу дрейфа), где при электростатическом запирании электронного потока формируется потенциальная яма. Синхронно с этим процессом в области потенциальной ямы с помощью импульсного лазера создают плазменное облако, содержащее нейтральные атомы дейтерия. Они ионизуются электронным ударом.

Для формирования потенциальной ямы необходимо, чтобы электронный ток превышал некоторое критическое значение, определяемое отношением радиусов трубы дрейфа и электронного пучка χ=R/a, относительной полной энергией электронов γ, а также электронной n_e концентрации и ионной концентрации n_i(t), зависящей от времени [3]:

где I_A≈17 кА - ток Альвена. В результате компенсации объемного заряда электронов образуемыми ионами потенциальная яма приходит в движение и ионы, захваченные в ее объеме, начинают ускоряться к нейтронообразующей мишени до энергий порядка глубины потенциальной ямы [4]

Описанное выше устройство [2] с генерацией лазерной плазмы в области формирования потенциальной ямы взято за прототип. Его основным недостатком является низкая эффективность генерации нейтронов с выходом не более 10⁶ нейтрон/импульс.

Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение нейтронного выхода при сохранении или уменьшении его габаритов.

Этот результат достигается тем, что в устройстве, содержащем источник импульсного напряжения с формирующей линией, камеру с двухэлектродным разрядником, соединенным с источником импульсного напряжения, анод в виде симметрично охватывающей катод цилиндрической трубы дрейфа длиной H с оптическим окном и расположенной на его заднем торце нейтронообразующей мишенью, взрывоэмиссионный игольчатый катод, расположенный соосно с трубой дрейфа в области его переднего торца, плазмообразующую мишень, импульсный лазер, блок синхронизации запуска лазера и ГИН, фокусирующую линзу, расположенную между импульсным лазером и плазмообразующей мишенью, согласно предлагаемой полезной модели устройство содержит второе оптическое окно в камере двухэлектродного разрядника и вторую фокусирующую линзу перед ним, частично прозрачное зеркало, расположенное на трассе лазерного луча под углом π/4 напротив окна в камере разрядника, и зеркало, расположенное за ним на трассе лазерного луча под углом π/4 напротив окна в трубе дрейфа, спиральную линию конической формы, расположенную соосно с трубкой дрейфа, с углом полураствора конуса α в сторону анода, лежащим в пределах π/6≤α≤π/4, имеющей вдоль оси спирали длину h, находящуюся в пределах (H/3)≤h≤(H/2), при этом плазмообразующая мишень расположена внутри спирали на расстоянии l≈h/3 от катода и на расстоянии r=ρ+(h/3)·tgα от оси спирали, где ρ - радиус катода. Геометрические параметры конической спиральной линии и оптимальное расположение плазмообразующей мишени анализировались в компьютерном эксперименте с целью увеличения нейтронного выхода, а их обоснование рассмотрено ниже.

Предлагаемое устройство поясняется Фиг. 1, на которой представлена схема расположения элементов импульсного генератора нейтронов, содержащая следующие позиции: 1 - источник импульсного напряжения с формирующей линией; 2 - изоляторы; 3 - разрядник-обостритель; 4 - игольчатый катод; 5 - нейтроннообразующая мишень; 6 - труба дрейфа (анод диода); 7 - импульсный лазер; 8 - плазмообразующая мишень; 9 - спиральная линия; 10 - оптические окна; 11, 12 - фокусирующие линзы; 13 - частично прозрачное зеркало; 14 - зеркало; 15 - блок запуска лазера.

Устройство работает следующим образом. Согласно схеме, представленной на Фиг. 1, нарастающий отрицательный потенциал от источника импульсного напряжения с формирующей линией 1 подается на левый электрод разрядника 3. При определенном заданном напряжении на разряднике с помощью исполнительного устройства 15 запускается лазер 7, работающий в режиме модулированной добротности. Основная часть излучения лазера проходит через частично прозрачное зеркало 13 и с помощью зеркала 14 и линзы 12 фокусируется на плазмообразующую мишень 8, расположенную на спиральной линии 9. Другая меньшая часть лазерного излучения отражается от зеркала 13, фокусируется линзой 11, попадает на электрод разрядника и вызывает интенсивную термоэмиссию в области локального разогрева этого электрода под действием лазерного излучения, которая стимулирует срабатывание разрядника в нужный момент времени, по аналогии с работой [5].

Плазма, образуемая под действием лазерного импульса, сфокусированного на мишень 8, распространяется к центральной оси трубы дрейфа со скоростью переднего фронта V_пл~10⁵м/с.При этом, как показывают оценки, для приемлемых геометрий ускоряющей системы и энергии лазерного импульса время задержки должно лежать примерно в пределах от 10 до 50 нс. Для обеспечения синхронизации примерно за такое же время должно осуществляться формирование отрицательного высоковольтного импульса между катодом 4 и анодом 5. Интенсивная термоэмиссия с правого электрода разрядника сводит к минимуму статистический разброс времени его срабатывания, что обеспечивает стабильность синхронизации.

Формирование магнитного поля в области потенциальной ямы с помощью спиральной линии предполагает с одной стороны радиальное контрагирование электронного потока, с другой стороны должно обеспечить более эффективную ионизацию нейтралов лазерной плазмы за счет удлинения электронных траекторий, как это происходит, например, в разряде Кауфмана [6]. Коническая форма спирали обеспечивает проникновение электрического поля в прикатодную область. Компьютерный расчет электрических полей методом эквивалентных зарядов [7] показал, что угол полураствора конуса α спиральной линии должен лежать в пределах π/6≤α≤π/4 для создания напряженности электрического поля в области катода на уровне примерно 50-60% от поля в области правого торца спирали, что должно обеспечить формирование электронного потока.

Приведенные выше соотношения других геометрических параметров (l, r, h и Н) получаются из условий пропорции между временем формирования катодного факела [8] и временем пролета лазерной плазмы от плазмообразующей мишени до оси ускоряющей системы, проанализированных в компьютерном эксперименте, а также из предварительных экспериментальных данных по выбору оптимальной длины трубы дрейфа. Согласно (2) энергия ускоренных в трубе дрейфа дейтронов может достигать значений ~1 МэВ. Это позволяет эффективно использовать для генерации нейтронов мишени, не содержащие тритий, что существенно снижает требования к системам обеспечения радиационной безопасности.

Предлагаемое устройство позволить существенно (не менее, чем в 2 раза) увеличить нейтронный выход генератора при сохранении или уменьшении габаритов приборов его реализующих. Это особенно важно с точки зрения возможного применения ускорителя в качестве генератора нейтронов для элементного анализа горных пород в полевых условиях, а также нейтронного каротажа нефтяных и газовых скважин, особенно при анализе успешности интенсификации добычи высоковязких нефтей.

Источники информации

1. Сб. трудов Международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе». М., ВНИИА, 2005, с. 72-94.

2. Козловский К.И., Рыжков В.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Экспериментальное исследование макета генератора нейтронов на базе диода с коллективным ускорением дейтронов импульсным электронным потоком. Атомная энергия, т. 113, в. 2, 2012, с. 120-122.

3. Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. М., Мир, 1984, 432 с.

4. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. М., Атомиздат, 1977, 278 с.

5. Гусаров В.Н., Козловский К.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Исследование процессов в лазерном воздушном разряднике. Изв. Вузов, «Радиофизика», т. 27, №4, 1984, с. 512-517.

6. Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки., Мир, 1992, 356 с.

7. Бейер М., Бек В., Меллер К., Цаенгль В. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения. М., Энергоатомиздат, 1989, 555 с.

8. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде, Наука, Новосибирск, 1982, 256 с.

Claims

Импульсный генератор нейтронов, содержащий источник импульсного напряжения с формирующей линией, камеру с двухэлектродным разрядником, соединенным с источником импульсного напряжения, анод в виде симметрично охватывающей катод цилиндрической трубы дрейфа длиной Н с оптическим окном и расположенной на его заднем торце нейтронообразующей мишенью, взрывоэмиссионный игольчатый катод, расположенный соосно с трубой дрейфа в области его переднего торца, плазмообразующую мишень, импульсный лазер, блок синхронизации запуска лазера и генератора импульсного напряжения, фокусирующую линзу, расположенную между импульсным лазером и плазмообразующей мишенью, отличающийся тем, что он содержит второе оптическое окно в камере двухэлектродного разрядника и вторую фокусирующую линзу перед ним, частично прозрачное зеркало, расположенное на трассе лазерного луча под углом π/4 напротив окна в камере разрядника, и зеркало, расположенное за ним на трассе лазерного луча под углом π/4 напротив окна в трубе дрейфа, спиральную линию конической формы, расположенную соосно с трубкой дрейфа, с углом полураствора конуса α в сторону анода, лежащим в пределах π/6≤α≤π/4, имеющей вдоль оси спирали длину h, находящуюся в пределах
при этом плазмообразующая мишень расположена внутри спирали на расстоянии
от катода и на расстоянии
от оси спирали, где ρ - радиус катода.