RU192809U1

RU192809U1 - Наносекундный генератор быстрых нейтронов

Info

Publication number: RU192809U1
Application number: RU2019117593U
Authority: RU
Inventors: Константин Иванович Козловский; Александр Рашатович Каримов; Александр Евгеньевич Шиканов; Евгений Дмитриевич Вовченко; Владимир Иванович Ращиков; Антон Алексеевич Исаев; Андрей Александрович Плеханов; Олег Владимирович Дерябочкин
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2019-10-02

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 D_c с лазерной дейтеросодержащей мишенью на его торце и анод с внутренним диаметром D_a, соосно пристыкованный к проводящей цилиндрической дрейфовой трубе диаметром D_d, 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 D_a, D_c и D_d 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 D_c, с лазерной дейтеросодержащей мишенью на его торце катода, с анодом диаметром D_a, с дрейфовой трубой диаметром D_d, 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

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 D_c с лазерной дейтеросодержащей мишенью на его торце и анод с внутренним диаметром D_a, соосно пристыкованный к проводящей цилиндрической дрейфовой трубе, имеющей нейтронообразующую мишень на ее внутренней поверхности с диаметром D_d, 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 D_a, D_d и D_c удовлетворяют соотношению:
2 D_c ≤ D_a ≤ 0,5 D_d.