RU192809U1 - Наносекундный генератор быстрых нейтронов - Google Patents
Наносекундный генератор быстрых нейтронов Download PDFInfo
- Publication number
- RU192809U1 RU192809U1 RU2019117593U RU2019117593U RU192809U1 RU 192809 U1 RU192809 U1 RU 192809U1 RU 2019117593 U RU2019117593 U RU 2019117593U RU 2019117593 U RU2019117593 U RU 2019117593U RU 192809 U1 RU192809 U1 RU 192809U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- pulsed
- high voltage
- anode
- cathode
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21G—CONVERSION OF CHEMICAL ELEMENTS; RADIOACTIVE SOURCES
- G21G4/00—Radioactive sources
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Предлагаемая полезная модель относится к ядерной технике, конкретно, к устройствам для генерации нейтронов в малогабаритных диодных системах при взаимодействии ускоренных нуклидов водорода с твердыми мишенями. Такие устройства находят применение в прикладных задачах науки и техники, например, в досмотровых системах безопасности, комплексах добычи углеводородного сырья, радиационной томографии и терапии, системах элементного анализа состава вещества.Сущность полезной модели заключается в том, что в известном наносекундном генераторе быстрых нейтронов, содержащем импульсный источник высокого напряжения, импульсный лазер, устройство синхронизации импульсов источника высокого напряжения и импульсного лазера и вакуумную камеру с высоковольтным и оптическим вводами, внутри которой соосно размещены катод диаметром Dс лазерной дейтеросодержащей мишенью на его торце и анод с внутренним диаметром D, соосно пристыкованный к цилиндрической дрейфовой трубе диаметром D, имеющей нейтронообразующую мишень на ее внутренней поверхности, он дополнительно содержит соосно аноду катушку соленоида и, подключенный к ней, импульсный источник тока, соединенный также с устройством синхронизации импульсов источника высокого напряжения и импульсного лазера, при этом катушка соленоида соосно и симметрично охватывает лазерную дейтеросодержащую мишень, а параметры D, Dи Dудовлетворяют соотношению:2D≤ D≤ 0,5DТехнический результат направлен на увеличение энергетического коэффициента полезного действия коллективного ускорителя дейтронов наносекундного генератора быстрых нейтронов за счет увеличения достигаемых значений плотности электронного тока при одновременном использовании, как лазерно-плазменного катода в зоне ускорения, так и импульсного соленоида определенной геометрии, способствующих формированию ускоряющего дейтроны эффективного виртуального катода внутри цилиндрического анода.
Description
Предлагаемая полезная модель относится к ядерной технике, конкретно, к устройствам для генерации нейтронов в малогабаритных диодных системах при взаимодействии ускоренных нуклидов водорода с твердыми мишенями.
Такие устройства находят применение в прикладных задачах науки и техники, например, в досмотровых системах безопасности, комплексах добычи углеводородного сырья, радиационной томографии и терапии, системах элементного анализа состава вещества.
Известен коллективный ускоритель ионов [1], содержащий в качестве анода ускорителя трехэлектродный разрядник, в котором плазма на аноде образуется при разряде между двумя компланарными проводящими дисками по диэлектрическому диску с центральными отверстиями. В момент достижения максимальной величины высоковольтного импульса на катоде ускорителя на поджигающий электрод трехэлектродного разрядника подается поджигающий импульс, вследствие чего происходит коммутация трехэлектродного разрядника. В этот момент внутри его генерируется плазма, служащая источником ионов. Генерируемый на катоде электронный пучок проникает через плазму в заанодную область, где формируется отрицательная потенциальная яма, в которую ускоряются ионы плазмы.
Механизм активного управления пробоем по поверхности диэлектрика способствует высокой повторяемости генерации ионного пучка. Одновременно с этим, стоит отметить невысокую интенсивность источника электронов в рассматриваемом устройстве. Одним из способов решения выявленных ограничений является применение лазерно-плазменного катода.
Известен импульсный источник нейтронов [2] в котором лазерная мишень размещена на катоде ускорителя, а нейтронный поток образуется в результате бомбардировки ускоренными ионами нейтронобразующей мишени, размещенной на аноде, выполненном в виде проводящей цилиндрической дрейфовой трубы.
В таком импульсном источнике нейтронов импульс лазерного излучения, проходя через линзу и оптический ввод, фокусируется на лазерную мишень, в результате чего на катоде перед анодом образуется сгусток высоко ионизированной плазмы. При подаче в этот момент на катод отрицательного высоковольтного импульса от катода по направлению к аноду формируется сильноточный электронный пучок. Попадая во внутреннюю дрейфовую полость анода, электронный поток запирается и в области запирания образуется отрицательная потенциальная яма. Отрицательный объемный заряд компенсируется проникающими в заанодное пространство ионами лазерной плазмы, которые при этом ускоряются внутрь проводящей цилиндрической дрейфовой трубы.
Недостатком указанного устройства является низкий энергетический КПД формирования электронного пучка в заанодное пространство из-за большого угла разлета лазерной плазмы и отсутствия при этом механизмов подавления электронного компонента тока между катодом и анодом.
Этого недостатка лишен известный импульсный генератор нейтронов [3], принятый в качестве прототипа. В рассматриваемом техническом решении анод представлен в виде симметрично охватывающей катод цилиндрической трубы дрейфа с расположенной на его заднем торце нейтронообразующей мишенью. Кроме этого, применена спиральная линия конической формы для формирования магнитного поля вокруг взрывоэмиссионного катода.
В данном устройстве плазма, образуемая под действием лазерного импульса, сфокусированного на мишень, распространяется к центральной оси трубы дрейфа и компенсирует объемный заряд электронного пучка. Формирование магнитного поля в области потенциальной ямы с помощью спиральной линии предполагает с одной стороны радиальное контрагирование электронного потока, с другой стороны, должно обеспечить вместе с распространяющимся электронным пучком более эффективную ионизацию лазерной плазмы.
Основным его недостатком является, как и в [1], отсутствие эффективного формирования электронного пучка с током более 10 кА при малой длительности фронта импульса тока электронов с взрывоэмиссионного катода, что приводит к неэффективному ускорению ионов лазерной плазмы из-за недостаточного отрицательного потенциала виртуального катода, образующегося в ускорительной зоне анода.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на увеличение энергетического коэффициента полезного действия коллективного ускорения дейтронов сильноточным электронным пучком.
Этот результат достигается тем, что в наносекундном генераторе быстрых нейтронов, содержащем импульсный источник высокого напряжения, импульсный лазер, устройство синхронизации импульсов источника высокого напряжения и импульсного лазера и вакуумную камеру с высоковольтным и оптическим вводами, внутри которой соосно размещены катод диаметром Dc с лазерной дейтеросодержащей мишенью на его торце и анод с внутренним диаметром Da, соосно пристыкованный к проводящей цилиндрической дрейфовой трубе диаметром Dd, имеющей нейтронообразующую мишень на ее внутренней поверхности, дополнительно содержится соосно аноду катушка соленоида и, подключенный к ней, импульсный источник тока, соединенный также с устройством синхронизации импульсов источника высокого напряжения и импульсного лазера, при этом катушка соленоида соосно и симметрично охватывает лазерную дейтеросодержащую мишень, а параметры Da, Dc и Dd удовлетворяют следующему соотношению:
Сущность полезной модели заключается в том, что совокупность таких элементов как импульсный источник высокого напряжения, импульсный лазер, устройство синхронизации импульсов источника высокого напряжения и импульсного лазера, вакуумная камера с высоковольтным и оптическим вводами, с катодом диаметром Dc, с лазерной дейтеросодержащей мишенью на его торце катода, с анодом диаметром D a , с дрейфовой трубой диаметром Dd, с нейтронообразующей мишенью, соосная аноду катушка соленоида, импульсный источник тока, соединенный с устройством синхронизации импульсов источника высокого напряжения и импульсного лазера и с катушкой соленоида, импульсный лазер и соотношений (1), согласно проведенным расчетам, позволяет существенно увеличить максимальный ток электронного пучка и, при этом, уменьшить фронт импульса тока пучка, что приводит к существенному повышению энергетической эффективности коллективного ускорения дейтронов лазерной плазмы за счет большего отрицательного потенциала образующегося внутри цилиндрического анода ускоряющего дейтроны виртуального катода. Увеличивается и максимальное значение наносекундного нейтронного выхода как за счет увеличения максимальной энергии ускоренных дейтронов, так и за счет их большего количества.
При этом, нижний предел соотношения (1) является условием достаточной электроизоляции вакуумного промежутка между катодом с лазерной дейтеросодержащей мишенью и анодом в условиях наличия магнитного поля катушки соленоида, а верхний предел (1) определяется наибольшей эффективностью генерации нейтронов под действием дейтронов.
Конкретный вариант исполнения полезной модели поясняется фиг. 1, где представлена схема позиций элементов наносекундного генератора быстрых нейтронов: 1 - импульсный источник высокого напряжения 100-500 кВ с током до 20 кА при длительности 20-50 не, 2 - высоковольтный ввод в вакуумную камеру, 3 - проводящая цилиндрическая дрейфовая труба с внутренним диаметром 70-150 мм и длиной 10-20 см, 4 - анод с внутренним диаметром 30-40 мм, 5 - катод с внешним диаметром 10-15 мм, 6 - лазерная дейтеросодержащая мишень, 7 - катушка соленоида, 8 - нейтронообразующие мишени с содержанием дейтерия и/или трития, лития, бериллия, углерода, 9 - устройство синхронизации импульсов источника высокого напряжения и импульсного лазера, 10 - импульсный источник тока с амплитудой 1-5 кА при длительности 200-1000 нс, 11 - система откачки вакуума до 10-5 торр, 12 - оптический ввод в вакуумную камеру, 13 - устройство для фокусирования на расстоянии 10-20 см, 14 - импульсный лазер с энергией 1-10 Дж при длительности импульса 1-20 нс.
Устройство работает следующим образом.
Излучение импульсного лазера 14, проходя через фокусирующее устройство 13 и оптический ввод в вакуумную камеру 12, фокусируется на лазерной дейтерийсодержащей мишени 6, расположенной на торце катода, в результате этого у торца катода образуется сгусток высокоионизированной плазмы. Посредством устройства синхронизации импульсов источника высокого напряжения и импульсного лазера 9 от импульсного источника высокого напряжения 1 на катод 5 в максимуме импульса тока в катушке соленоида 7 подается отрицательный высоковольтный импульс. В результате этого из лазерной плазмы у катода внутрь анода 4 формируется сильноточный электронный пучок. Высоковольтный ввод в вакуумную камеру 3 обеспечивает отсутствие пробоев по его внутренней и внешней поверхностям. Формируемое катушкой соленоида 7 продольное магнитное поле с индукцией около 1 Тл препятствует разлету лазерной плазмы поперек силовых линий магнитного поля и обеспечивает формирование электронного пучка цилиндрической геометрии внутрь анода вдоль его оси, а также обеспечивает отсутствие пробоев между катодом и анодом. Такой электронный пучок создает в цилиндрической дрейфовой трубе отрицательный потенциал больше первоначального ускоряющего напряжения при токе электронного пучка, превосходящем критический. Попадая во внутреннюю область цилиндрической дрейфовой трубы 3 с нейтронообразующей мишенью 8, электронный поток запирается, отрицательный объемный заряд постепенно компенсируется ионами лазерной плазмы, условия запирания нарушаются, вследствие чего происходит коллективное ускорение ионов внутри электронного пучка. Ускоренные до энергий 0,1-2,0 МэВ дейтроны, бомбардируя различные нейтронообразующие мишени, вызывают протекание различных ядерных реакций с испусканием нейтронов с длительностью импульса 20-50 нс. Количество ускоренных дейтронов при этом достигает ~ 1014 за импульс, а выход быстрых нейтронов различной энергии в зависимости от выбора нейтронообразющей мишени может составить ~109 в импульсе длительностью ~ 30 нс.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет существенно увеличить энергетический коэффициент полезного действия коллективного ускорения дейтронов сильноточным электронным пучком, повысить ток и энергию ускоренных из лазерной плазмы дейтронов и на порядок увеличить выход наносекундного генератора быстрых нейтронов за счет определенного применения комбинации лазерно-плазменного катода и магнитного поля соленоида определенной геометрии. Это особенно важно с точки зрения возможного применения этой полезной модели в качестве элемента портативных систем неразрушающего контроля, в том числе для элементного анализа горных пород в полевых условиях, нейтронного каротажа нефтяных и газовых скважин, а других поисковых работ.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство (патент на изобретение) №SU 702938 А1 от 07.07.1981, Быстрицкий В.М., Красик Я.Е., Лопатин B.C., Подкатов В.И.
2. Авторское свидетельство (патент на изобретение) № SU 865110 А1 от 05.08.1987, Быковский Ю.А., Беспалов Д.Ф., Козловский К.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е.
3. Патент на полезную модель № RU 161783 U1 от 10.05.2016, Богданович Б.Ю., Вовченко Е.Д., Исаев А.А., Козловский К.И., Криворучко Н.И., Нестерович А.В., Шиканов А.Е.
Claims (2)
- Наносекундный генератор быстрых нейтронов, содержащий импульсный источник высокого напряжения, импульсный лазер, устройство синхронизации импульсов источника высокого напряжения и импульсного лазера и вакуумную камеру с высоковольтным и оптическим вводами, внутри которой соосно размещены катод диаметром Dc с лазерной дейтеросодержащей мишенью на его торце и анод с внутренним диаметром Da, соосно пристыкованный к проводящей цилиндрической дрейфовой трубе, имеющей нейтронообразующую мишень на ее внутренней поверхности с диаметром Dd, отличающийся тем, что он дополнительно содержит соосно аноду катушку соленоида и, подключенный к ней, импульсный источник тока, соединенный также с устройством синхронизации импульсов источника высокого напряжения и импульсного лазера, при этом катушка соленоида соосно и симметрично охватывает лазерную дейтеросодержащую мишень, а параметры Da, Dd и Dc удовлетворяют соотношению:
- 2 Dc ≤ Da ≤ 0,5 Dd.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019117593U RU192809U1 (ru) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | Наносекундный генератор быстрых нейтронов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019117593U RU192809U1 (ru) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | Наносекундный генератор быстрых нейтронов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU192809U1 true RU192809U1 (ru) | 2019-10-02 |
Family
ID=68162410
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019117593U RU192809U1 (ru) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | Наносекундный генератор быстрых нейтронов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU192809U1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU161783U1 (ru) * | 2015-11-17 | 2016-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Импульсный генератор нейтронов |
CA2971387A1 (en) * | 2014-12-19 | 2016-06-23 | Joint Stock Company "Akme-Engineering" | Operational neutron source |
RU168025U1 (ru) * | 2016-05-20 | 2017-01-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Импульсный генератор нейтронов |
RU187270U1 (ru) * | 2018-10-16 | 2019-02-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Импульсный генератор нейтронов |
-
2019
- 2019-06-06 RU RU2019117593U patent/RU192809U1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2971387A1 (en) * | 2014-12-19 | 2016-06-23 | Joint Stock Company "Akme-Engineering" | Operational neutron source |
RU161783U1 (ru) * | 2015-11-17 | 2016-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Импульсный генератор нейтронов |
RU168025U1 (ru) * | 2016-05-20 | 2017-01-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Импульсный генератор нейтронов |
RU187270U1 (ru) * | 2018-10-16 | 2019-02-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Импульсный генератор нейтронов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3969628A (en) | Intense, energetic electron beam assisted X-ray generator | |
US9560734B2 (en) | Dense plasma focus (DPF) accelerated non radio isotopic radiological source | |
Maenchen et al. | Advances in pulsed power-driven radiography systems | |
Yonas | Fusion power with particle beams | |
Tarasenko et al. | SLEP-150M compact supershort avalanche electron beam accelerator | |
US7809115B2 (en) | Diode for flash radiography | |
RU161783U1 (ru) | Импульсный генератор нейтронов | |
US3946236A (en) | Energetic electron beam assisted X-ray generator | |
US8971473B2 (en) | Plasma driven neutron/gamma generator | |
RU168025U1 (ru) | Импульсный генератор нейтронов | |
RU192809U1 (ru) | Наносекундный генератор быстрых нейтронов | |
RU187270U1 (ru) | Импульсный генератор нейтронов | |
RU149963U1 (ru) | Ионный триод для генерации нейтронов | |
Tarasenko et al. | On the mechanism of subnanosecond electron beam formation in gas-filled diodes | |
Bratchikov et al. | X-ray radiation from the volume discharge in atmospheric-pressure air | |
Choi et al. | Characteristics of diode perveance and vircator output under various anode-cathode gap distances | |
RU2581618C1 (ru) | Способ генерации пучков быстрых электронов в газонаполненном промежутке и устройство для его реализации (варианты) | |
Charbonnier et al. | Intense, nanosecond electron beams | |
Pushkarev et al. | Stabilization of ion beam generation in a diode with self-magnetic insulation in double-pulse mode | |
Vintizenko | Linear induction accelerators for high-power microwave devices | |
SU766048A1 (ru) | Импульсна нейтронна трубка | |
RU2306683C1 (ru) | Плазменный электронный источник | |
RU184106U1 (ru) | Импульсный генератор нейтронов | |
RU179236U1 (ru) | Импульсный генератор нейтронов | |
SU865110A1 (ru) | Импульсный источник нейтронов |