RU192986U1

RU192986U1 - Gas-filled neutron tube with inertial ion confinement

Info

Publication number: RU192986U1
Application number: RU2019119150U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Андреев; Александр Владимирович Голиков; Али Каюмович Дулатов; Борис Дмитриевич Лемешко; Юрий Владимирович Михайлов; Илья Александрович Прокуратов; Дмитрий Игоревич Юрков
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2019-10-09

Abstract

Полезная модель относится к плазменной технике, к устройствам для генерации нейтронов и может быть использована для проведения ядерно-физических исследований, в досмотровых системах, при калибровках детекторов ионизирующих излучений и т.п.Техническим результатом является увеличение ресурса работы нейтронной трубки.Технический результат достигается тем, что газонаполненная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов, содержащая первый цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу первый полый торцевой электрод со сквозным отверстием, источник ионов Пенинга, герметично присоединенный к первому полому торцевому электроду с противоположной стороны относительно первого цилиндрического изоляционного корпуса, кольцевой постоянный магнит, установленный на источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную к первому полому торцевому электроду, хранилище рабочего газа, расположенное внутри источника ионов Пенинга, также содержащая второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу второй полый торцевой электрод; дополнительно содержит полый ускоряющий электрод, герметично присоединенный к торцам цилиндрических изоляционных корпусов с противоположных сторон относительно полых торцевых электродов, дополнительный кольцевой постоянный магнит, установленный на полый ускоряющий электрод посередине между цилиндрическими изоляционными корпусами; цилиндрические изоляционные корпуса имеют одинаковую геометрию; полые торцевые электроды имеют одинаковую геометрию за исключением того, что на оси первого полого торцевого электрода сделано сквозное отверстие; дополнительный кольцевой постоянный магнит, цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, отверстие, источник ионов Пенинга и кольцевой постоянный магнит расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса и полые торцевые электроды расположены симметрично относительно полого ускоряющего электрода; полый ускоряющий и полые торцевые электроды являются фигурами вращения вокруг центральной оси газонаполненной нейтронной трубки и имеют полости вблизи оси; полый ускоряющий электрод симметричен относительно его центра. 1 ил.The utility model relates to plasma technology, to devices for generating neutrons and can be used for nuclear physics research, in inspection systems, for calibrating ionizing radiation detectors, etc. The technical result is an increase in the life of the neutron tube. that a gas-filled neutron tube with inertial ion confinement containing a first cylindrical insulating body made of a dielectric material is hermetically sealed a first hollow end electrode with a through hole connected to its end, a source of Pening ions hermetically connected to the first hollow end electrode from the opposite side to the first cylindrical insulating body, an annular permanent magnet mounted on the Penning ion source coaxially with it and adjacent to the first hollow end the electrode, a working gas storage located inside the source of the Pening ions, also containing a second cylindrical insulating body made of die ektricheskogo material sealingly attached to its front end face of the second hollow electrode; additionally contains a hollow accelerating electrode, hermetically connected to the ends of the cylindrical insulating housings on opposite sides relative to the hollow end electrodes, an additional annular permanent magnet mounted on the hollow accelerating electrode in the middle between the cylindrical insulating housings; cylindrical insulating bodies have the same geometry; the hollow end electrodes have the same geometry except that a through hole is made on the axis of the first hollow end electrode; an additional annular permanent magnet, cylindrical insulating bodies, a hollow accelerating and hollow end electrodes, a hole, a source of Pening ions and an annular permanent magnet are coaxial; cylindrical insulating bodies and hollow end electrodes are located symmetrically with respect to the hollow accelerating electrode; hollow accelerating and hollow end electrodes are figures of rotation around the central axis of a gas-filled neutron tube and have cavities near the axis; a hollow accelerating electrode is symmetrical about its center. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к плазменной технике, к устройствам для генерации нейтронов и может быть использована для проведения ядерно-физических исследований, в досмотровых системах, при калибровках детекторов ионизирующих излучений и т.п.The utility model relates to plasma technology, to devices for generating neutrons and can be used for nuclear physics research, in inspection systems, during calibrations of ionizing radiation detectors, etc.

Известен прибор инерциального электростатического удержания (Inertial Electrostatic Confinement или IEC), описанный в работе (G.H. Miley A portable neutron/tunable X-ray source based on inertial electrostatic confinement // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 422 (1999) P. 16 – 20), который состоит из сферического металлического анода, используемого одновременно в качестве вакуумной камеры, внутрь анода помещен сетчатый частично прозрачный катод, имеющий сферическую форму, расположенный концентрично аноду. Электроды соединены с источником высокого напряжения порядка 100 кВ. Межэлектродный объем заполняется дейтерием (тяжелым водородом), давление которого варьируется в пределах (10^-2÷1) Па. При включении источника напряжения между анодом и катодом образуется плазма. В плазме электроны ускоряются электрическим полем к аноду (уходят на периферию), а ионы ускоряются к центру системы (к катоду). Поскольку катод имеет не сплошную геометрию (обладает прозрачностью), ионы имеют возможность пролетать сквозь него периодически ускоряясь и замедляясь электрическим полем в межэлектродном промежутке. Таким образом, ионы неоднократно пролетают через центральную область прибора, где они вступают в ядерные реакции D+D=Не³+n, в результате чего происходит генерация нейтронов.A known device for inertial electrostatic confinement (Inertial Electrostatic Confinement or IEC), described in (GH Miley A portable neutron / tunable X-ray source based on inertial electrostatic confinement // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 422 (1999) P. 16 - 20), which consists of a spherical metal anode used simultaneously as a vacuum chamber, a mesh partially transparent cathode having a spherical shape located concentrically to the anode is placed inside the anode. The electrodes are connected to a high voltage source of the order of 100 kV. The interelectrode volume is filled with deuterium (heavy hydrogen), the pressure of which varies in the range (10 ^-2 ÷ 1) Pa. When a voltage source is turned on, a plasma is formed between the anode and cathode. In a plasma, electrons are accelerated by an electric field to the anode (go to the periphery), and ions are accelerated to the center of the system (to the cathode). Since the cathode has a non-continuous geometry (has transparency), ions have the ability to fly through it periodically accelerating and decelerating by an electric field in the interelectrode gap. Thus, ions repeatedly fly through the central region of the device, where they enter into nuclear reactions D + D = He ³ + n, resulting in the generation of neutrons.

Недостатками указанного устройства являются конструктивная сложность изготовления катода с хорошей степенью прозрачности, перегрев катода при высоких вкладываемых мощностях и отклонение электрического поля от сферической геометрии из-за наличия электрического ввода, связывающего катод с источником высокого напряжения.The disadvantages of this device are the structural complexity of manufacturing a cathode with a good degree of transparency, overheating of the cathode at high input power and deviation of the electric field from spherical geometry due to the presence of an electrical input connecting the cathode to a high voltage source.

Также известна газонаполненная нейтронная трубка (Сборник материалов межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе». М.: ВНИИА, 2003. С. 66 – 71), которая представляет собой миниатюрный линейный ускоритель ионов, с одной стороны которого расположен ионный источник, а с другой – твердотельная нейтронобразуюшая мишень. Генерация нейтронов происходит при бомбардировке ускоренными ионами мишени в результате ядерных реакций D(d,n)He³ или T(d,n)He⁴. Получаемые при этом нейтроны имеют энергию 2,5 МэВ для реакции D(d,n)He³ и 14 МэВ для реакции T(d,n)He⁴. Нейтронная трубка имеет три основных узла: ионный источник, ионнооптическая система, мишенный узел. В качестве ионного источника в трубке применен ионный источник типа Пенинга с холодным катодом. Рабочий газ (дейтерий, либо смесь дейтерия и трития) содержится в натекателе. На анод ионного источника подают модуляционное напряжение с частотой следования f от 400 Гц до 10 кГц с длительностью от 100 до 20 мкс соответственно.Also known is a gas-filled neutron tube (Collection of materials of the interdisciplinary scientific and technical conference “Portable neutron generators and technologies based on them.” M .: VNIIIA, 2003. P. 66 - 71), which is a miniature linear ion accelerator, on one side of which an ion source is located, and on the other, a solid-state neutron-forming target. Neutron generation occurs during bombardment by accelerated target ions as a result of nuclear reactions D (d, n)He³ or T (d, n)He^four. The resulting neutrons have an energy of 2.5 MeV for the reaction D (d, n) He³ and 14 MeV for the reaction T (d, n) He^four. A neutron tube has three main nodes: an ion source, an ion-optical system, and a target node. A cold cathode type Penning type ion source is used as an ion source in the tube. The working gas (deuterium, or a mixture of deuterium and tritium) is contained in the leak. A modulation voltage with a repetition rate f from 400 Hz to 10 kHz with a duration from 100 to 20 μs, respectively, is applied to the anode of the ion source.

Недостатками указанной газонаполненной нейтронной трубки является малый ресурс работы из-за износа нейтронобразующей мишени в процессе работы, а также генерация нейтронов только одной энергии при работе трубки.The disadvantages of this gas-filled neutron tube is a small service life due to wear of the neutron-forming target during operation, as well as the generation of neutrons of only one energy during tube operation.

В качестве прототипа к данной полезной модели выбрана нейтронная трубка (патент РФ RU 158870 U1, МПК G21G 4/00 (2006.01), опубликован 20.01.2016), содержащая герметично запаянный изоляционный корпус, в котором размещены источник ионов Пенинга, хранилище рабочего газа, насыщенная изотопом водорода мишень, постоянный кольцевой магнит, размещенный соосно с источником ионов Пенинга, отличающаяся тем, что она оснащена дополнительным идентичным источником ионов Пенинга, хранилищем рабочего газа и постоянным кольцевым магнитом, мишенный электрод содержит две симметричные мишени, насыщенные разными изотопами водорода, и расположен посередине корпуса, по торцам которого напротив мишеней размещены идентичные источники ионов Пенинга. A neutron tube was selected as a prototype for this utility model (RF patent RU 158870 U1, IPC G21G 4/00 (2006.01), published January 20, 2016), containing a hermetically sealed insulating casing containing a source of Pening ions, a working gas storage, saturated hydrogen isotope target, a permanent ring magnet, placed coaxially with the source of Pening ions, characterized in that it is equipped with an additional identical source of Penning ions, storage of the working gas and a permanent ring magnet, the target electrode contains two mmetrichnye target saturated different hydrogen isotopes, and is located in the middle of the housing, the ends of which are arranged opposite the target Penning ion sources are identical.

Недостатком прототипа является малый ресурс работы нейтронной трубки из-за износа нейтронобразующих мишеней в процессе работы нейтронной трубки. The disadvantage of the prototype is the small resource of the neutron tube due to the wear of neutron-forming targets during the operation of the neutron tube.

Техническим результатом является увеличение ресурса работы нейтронной трубки. Что достигается за счет отсутствия износа нейтронобразующей мишени путем исключения из конструкции трубки твердотельной мишени и осуществления реакций ядерного синтеза с использованием газоплазменной мишени.The technical result is to increase the life of the neutron tube. This is achieved due to the absence of wear of the neutron-forming target by eliminating the solid-state target from the tube structure and carrying out nuclear fusion reactions using a gas-plasma target.

Технический результат достигается тем, что газонаполненная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов, содержащая первый цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала герметично присоединенный к его торцу первый полый торцевой электрод со сквозным отверстием, источник ионов Пенинга, герметично присоединенный к первому полому торцевому электроду с противоположной стороны относительно первого цилиндрического изоляционного корпуса, кольцевой постоянный магнит, установленный на источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную к первому полому торцевому электроду, хранилище рабочего газа, расположенное внутри источника ионов Пенинга, также содержащая второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу второй полый торцевой электрод, дополнительно содержит полый ускоряющий электрод, герметично присоединенный к торцам цилиндрических изоляционных корпусов с противоположных сторон относительно полых торцевых электродов, дополнительный кольцевой постоянный магнит, установленный на полый ускоряющий электрод посередине между цилиндрическими изоляционными корпусами; цилиндрические изоляционные корпуса имеют одинаковую геометрию; полые торцевые электроды имеют одинаковую геометрию за исключением того, что на оси первого полого торцевого электрода сделано сквозное отверстие; дополнительный кольцевой постоянный магнит, цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, отверстие, источник ионов Пенинга и кольцевой постоянный магнит расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса и полые торцевые электроды расположены симметрично относительно полого ускоряющего электрода; полый ускоряющий и полые торцевые электроды являются фигурами вращения вокруг центральной оси газонаполненной нейтронной трубки и имеют полости вблизи оси; полый ускоряющий электрод симметричен относительно его центра.The technical result is achieved by the fact that a gas-filled neutron tube with inertial ion confinement, comprising a first cylindrical insulating body made of dielectric material is hermetically connected to its end face by a first hollow end electrode with a through hole, a Penning ion source is hermetically connected to the first hollow end electrode with the opposite side relative to the first cylindrical insulating body, an annular permanent magnet mounted on an ion source Penning coaxial with it and close to the first hollow end electrode, a working gas storage located inside the source of Pening ions, also containing a second cylindrical insulating body made of dielectric material, a second hollow end electrode sealed to its end, further comprises a hollow accelerating electrode, hermetically attached to the ends of the cylindrical insulating bodies from opposite sides relative to the hollow end electrodes, an additional annular constant a magnet mounted on a hollow accelerating electrode in the middle between the cylindrical insulating bodies; cylindrical insulating bodies have the same geometry; the hollow end electrodes have the same geometry except that a through hole is made on the axis of the first hollow end electrode; an additional annular permanent magnet, cylindrical insulating bodies, a hollow accelerating and hollow end electrodes, a hole, a source of Pening ions and an annular permanent magnet are coaxial; cylindrical insulating bodies and hollow end electrodes are located symmetrically with respect to the hollow accelerating electrode; hollow accelerating and hollow end electrodes are figures of rotation around the central axis of a gas-filled neutron tube and have cavities near the axis; a hollow accelerating electrode is symmetrical about its center.

На чертеже представлена схема газонаполненной нейтронной трубки с инерциальным удержанием ионов. The drawing shows a diagram of a gas-filled neutron tube with inertial ion confinement.

Принятые обозначения: 1 – два цилиндрических изоляционных корпуса; 2 – два полых торцевых электрода; 3 – полый ускоряющий электрод; 4 – отверстие; 5 – источник ионов Пенинга; 6 – кольцевой постоянный магнит; 7 – хранилище рабочего газа, 8 – дополнительный кольцевой постоянный магнит.Accepted designations: 1 - two cylindrical insulating bodies; 2 - two hollow end electrodes; 3 - hollow accelerating electrode; 4 - hole; 5 - source of Pening ions; 6 - ring permanent magnet; 7 - storage of working gas, 8 - additional annular permanent magnet.

Устройство состоит из двух цилиндрических изоляционных корпусов 1, выполненных из диэлектрического материала, полого ускоряющего электрода 3 с установленным на нем дополнительным кольцевым постоянным магнитом 8, двух полых торцевых электродов 2, размещенных с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3, соосно с ним, в одном из полых торцевых электродов 2 сделано сквозное отверстие 4 произвольной формы на оси полого торцевого электрода 2. Устройство также содержит источник 5 ионов Пенинга, установленный на полом торцевом электроде 2 с отверстием 4, кольцевой постоянный магнит 6 и хранилище 7 рабочего газа.The device consists of two cylindrical insulating bodies 1 made of a dielectric material, a hollow accelerating electrode 3 with an additional annular permanent magnet 8 installed on it, two hollow end electrodes 2 located on two sides of the hollow accelerating electrode 3, coaxially with it, in one from the hollow end electrodes 2, a through hole 4 of arbitrary shape is made on the axis of the hollow end electrode 2. The device also contains a source of 5 Pening ions mounted on the hollow end electrode 2 with a hole TIFA 4, an annular permanent magnet 6 and 7 store the working gas.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Рабочий газ (тяжелые изотопы водорода: дейтерий, тритий или их смесь) содержится в хранилище 7 рабочего газа. Выделение рабочего газа происходит в результате термодесорбции при протекании электрического тока через хранилище 7 рабочего газа. Ионы в источнике 5 ионов Пенинга образуются при горении газового разряда в скрещенных электрических и магнитных полях. Для создания аксиального магнитного поля в источнике 5 ионов Пенинга используется кольцевой постоянный магнит 6, установленный на источник 5 ионов Пенинга соосно ему и вплотную к первому полому торцевому электроду 2. Источник 5 ионов Пенинга герметично присоединен к первому полому торцевому электроду 2, на оси которого, сделано сквозное отверстие 4 произвольной формы и размера. Ионы из источника 5 ионов Пенинга через отверстие 4 попадают в основной объем устройства, ограниченный полыми торцевыми электродами 2, полым ускоряющим электродом 3 и цилиндрическими изоляционными корпусами 1. Полый ускоряющий электрод 3 расположен между цилиндрическими изоляционными корпусами 1, герметично и соосно закреплен с ними. На противоположных торцах цилиндрических изоляционных корпусов 1 герметично и соосно закреплены полые торцевые электроды 2 первый – с отверстием 4 на оси и второй – без отверстия. На полые торцевые электроды 2 и полый ускоряющий электрод 3 подается разность потенциалов таким образом, чтобы полые торцевые электроды 2 находились под одним потенциалом (или под близкими потенциалами), а на полом ускоряющем электроде 3 потенциал был отрицательным относительно полых торцевых электродов 2. Обычно: полые торцевые электроды 2 заземляются, а на полый ускоряющий электрод 3 подается напряжение отрицательной полярности. Величина подаваемого напряжения определяет нейтронный выход устройства и должна быть достаточна для осуществления ядерных реакций D(d,n)He³, T(t,2n)He⁴ или T(d,n)He⁴. После подачи разности потенциалов на полые торцевые 2 и полый ускоряющий 3 электроды в межэлектродных промежутках возникает электрическое поле. Электрическое поле ускоряет ионы, проходящие из источника 5 ионов Пенинга через отверстие 4, к центру полого ускоряющего электрода 3. Проходя сквозь полость ускоряющего электрода 3 ускоренные ионы тормозятся электрическим полем вблизи второго полого торцевого электрода 2, после чего, ускоряются электрическим полем в обратном направлении к центру полого ускоряющего электрода 3, потом, опять тормозятся вблизи первого полого торцевого электрода 2, затем опять ускоряются и т. д. Таким образом, реализуется режим работы устройства с инерциальным удержанием ионов, при котором, ионы совершают колебательные движения между полыми торцевыми электродами 2 через полость ускоряющего электрода 3. Генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерных реакций D(d,n)He³, T(t,2n)He⁴ или T(d,n)He⁴ при взаимодействии колеблющихся ионов с газоплазменной мишенью, возникающей при работе устройства, а именно, с ядрами молекул или атомов заполняющего объем устройства рабочего газа или со встречно колеблющимися ионами. Объем устройства заполняется рабочим газом из хранилища 7 рабочего газа. Тип реакции, в результате которой происходит генерация нейтронов определяется типом рабочего газа, содержащегося в хранилище 7 рабочего газа. Если хранилище 7 рабочего газа содержит дейтерий, то генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакции D(d,n)He³, если хранилище 7 рабочего газа содержит тритий, то генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакции T(t,2n)He⁴, если хранилище 7 рабочего газа содержит смесь дейтерия и трития, то генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакции T(d,n)He⁴.The working gas (heavy hydrogen isotopes: deuterium, tritium or a mixture thereof) is contained in the storage 7 of the working gas. The evolution of the working gas occurs as a result of thermal desorption during the flow of electric current through the storage 7 of the working gas. Ions in the source of 5 Penning ions are formed during the combustion of a gas discharge in crossed electric and magnetic fields. To create an axial magnetic field in the source of 5 Penning ions, an annular permanent magnet 6 is used, mounted on the source of 5 Penning ions coaxially with it and close to the first hollow end electrode 2. The source of 5 Penning ions is hermetically connected to the first hollow end electrode 2, on the axis of which made through hole 4 of arbitrary shape and size. Ions from the source 5 of Penning ions through the hole 4 fall into the main volume of the device, limited by the hollow end electrodes 2, the hollow accelerating electrode 3 and the cylindrical insulating bodies 1. The hollow accelerating electrode 3 is located between the cylindrical insulating bodies 1, hermetically and coaxially fixed to them. At the opposite ends of the cylindrical insulating bodies 1, the hollow end electrodes 2 are hermetically and coaxially fixed, the first with a hole 4 on the axis and the second without a hole. A potential difference is applied to the hollow end electrodes 2 and the hollow accelerating electrode 3 so that the hollow end electrodes 2 are at the same potential (or at close potentials), and the potential on the hollow accelerating electrode 3 is negative relative to the hollow end electrodes 2. Usually: hollow end electrodes 2 are grounded, and negative polarity voltage is applied to the hollow accelerating electrode 3. The magnitude of the applied voltage determines the neutron output of the device and should be sufficient for nuclear reactions D (d, n) He ³ , T (t, 2n) He ⁴ or T (d, n) He ⁴ . After applying the potential difference to the hollow end 2 and the hollow accelerating 3 electrodes in the interelectrode spaces, an electric field arises. The electric field accelerates the ions passing from the source of 5 Penning ions through the hole 4, to the center of the hollow accelerating electrode 3. Passing through the cavity of the accelerating electrode 3, the accelerated ions are inhibited by the electric field near the second hollow end electrode 2, after which they are accelerated by the electric field in the opposite direction to to the center of the hollow accelerating electrode 3, then, again they are braked near the first hollow end electrode 2, then they are accelerated again, etc. Thus, the operating mode of the device with inertial ion retention, in which the ions oscillate between the hollow end electrodes 2 through the cavity of the accelerating electrode 3. Neutrons are generated when nuclear reactions D (d, n) He ³ , T (t, 2n) He ⁴ or T (d, n) He ⁴ in the interaction of oscillating ions with a gas-plasma target that occurs during operation of the device, namely, with the nuclei of molecules or atoms filling the volume of the working gas device or with counter-oscillating ions. The volume of the device is filled with working gas from the storage 7 of the working gas. The type of reaction resulting in the generation of neutrons is determined by the type of working gas contained in the storage 7 of the working gas. If the working gas storage 7 contains deuterium, then neutrons are generated during the nuclear reaction D (d, n) He ³ , if the working gas storage 7 contains tritium, then neutrons are generated during the nuclear reaction T (t, 2n) He ⁴ , if the working gas storage 7 contains a mixture of deuterium and tritium, then neutrons are generated during the course of the nuclear reaction T (d, n) He ⁴ .

При колебании ионов через полость ускоряющего электрода 3 часть ионов попадает на его поверхность, вызывая интенсивную вторичную ион-электронную эмиссию. Образовавшиеся вблизи полого ускоряющего электрода 3 вторичные электроны ускоряются под действием электрического поля в сторону полых торцевых электродов 2 и обеспечивают протекание в устройстве тока вторичных электронов. Ток вторичных электронов является паразитным и может составлять существенную часть суммарного разрядного тока, снижая эффективность работы устройства. Для того, чтобы образующиеся вблизи полого ускоряющего электрода 3 вторичные электроны не доходили до полых торцевых электродов 2 на полый ускоряющий электрод 3 соосно с ним устанавливается дополнительный кольцевой постоянный магнит 8 (дополнительный кольцевой постоянный магнит 8 может набираться из сегментов или встраиваться в полый ускоряющий электрод 3 для упрощения конструкции или удобства его размещения). Дополнительный кольцевой постоянный магнит 8 создает близи полого ускоряющего электрода 3 магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю, это приводит к изменению траекторий вторичных электронов, не давая им доходить до полых торцевых электродов 2, тем самым, исключая влияние тока вторичных электронов на эффективность работы системы. Для того, чтобы влияние на траектории вторичных электронов с обоих сторон от полого ускоряющего электрода 3 было одинаковым, дополнительный кольцевой постоянный магнит 8 размещается посередине между двумя цилиндрическими изоляционными корпусами 1.When the ions oscillate through the cavity of the accelerating electrode 3, part of the ions falls on its surface, causing intense secondary ion-electron emission. Secondary electrons formed near the hollow accelerating electrode 3 are accelerated by the action of an electric field towards the hollow end electrodes 2 and provide the flow of secondary electrons in the device. The secondary electron current is spurious and can make up a significant part of the total discharge current, reducing the efficiency of the device. In order to prevent secondary electrons formed near the hollow accelerating electrode 3 from reaching the hollow end electrodes 2, an additional annular permanent magnet 8 is mounted coaxially with it. An additional annular permanent magnet 8 can be assembled from segments or built into the hollow accelerating electrode 3 to simplify the design or ease of placement). An additional ring permanent magnet 8 creates a magnetic field near the hollow accelerating electrode 3, perpendicular to the electric field, this leads to a change in the trajectories of the secondary electrons, preventing them from reaching the hollow end electrodes 2, thereby eliminating the influence of the secondary electron current on the efficiency of the system. In order for the influence on the trajectories of secondary electrons on both sides of the hollow accelerating electrode 3 to be the same, an additional annular permanent magnet 8 is placed in the middle between two cylindrical insulating bodies 1.

Полые торцевые электроды 2 имеют одинаковую форму и геометрию, за исключением того, что первый полый торцевой электрод 2, к которому подсоединен источник 5 ионов Пенинга имеет отверстие 4, которое отсутствует во втором полом торцевом электроде 2. Полые торцевые электроды 2 располагаются симметрично с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3 соосно с ним и на одинаковом расстоянии, которое определяется рабочим напряжением и может быть различным. Разделяющие полые торцевые электроды 2 и полый ускоряющий электрод 3 цилиндрические изоляционные корпуса 1 выполнены из диэлектрического материала, имеют одинаковую форму и геометрию, располагаются симметрично с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3 соосно с ним. Полый ускоряющий электрод 3 и полые торцевые электроды 2 имеют форму фигур вращения вокруг центральной оси трубки, при этом, полый ускоряющий электрод 3 симметричен относительно своего центра. Для обеспечения работоспособности данного устройства необходимо, чтобы полый ускоряющий электрод 3 и полые торцевые электроды 2 имели полости вблизи центральной оси, это достигается путем применения в их конструкции поверхностей различных типов (например, цилиндрических, конусных, сферических или других более сложных конфигураций). В конечном счете, форма полого ускоряющего электрода 3, полых торцевых электродов 2 и форма полостей полого ускоряющего 3 и полых торцевых электродов 2 не оказывает влияния на достижение технического результата. Обычно, для получения хороших рабочих характеристик устройства геометрия полого ускоряющего электрода 3 и полых торцевых электродов 2 выбирается такой, чтобы размеры полостей в них были достаточны для беспрепятственного прохождения ионов из источника 5 ионов Пенинга и обеспечения их колебательного движения. Полый ускоряющий 3 и полые торцевые электроды 2 не должны контактировать с цилиндрическими изоляционными корпусами 1 за исключением мест их герметичных соединений, размер зазоров между поверхностями цилиндрических изоляционных корпусов 1, полого ускоряющего 3 и полых торцевых 2 электродов выбираются достаточными для обеспечения электропрочности, обычно не менее 5 мм. Габаритные размеры (внешний диаметр) полых торцевых электродов 2, полого ускоряющего электрода 3, дополнительного кольцевого постоянного магнита 8 и цилиндрических изоляционных корпусов 1 могут отличаться. Например, в использованной авторами конструкции отличие составляло примерно 15 мм. Трубка имела габаритные размеры Ø55×260мм, диаметры цилиндрических изоляционных корпусов 1 составляли Ø43 мм, диаметры полых торцевых электродов 2 составляли Ø40 мм, диаметр полого ускоряющего электрода 3 составлял Ø45 мм, диаметр дополнительного кольцевого постоянного магнита 8 составлял Ø55 мм. Обычно, требования к размерам нейтронной трубки определяются технологическим процессом ее изготовления или параметрами системы, в которой используется нейтронная трубка. Опираясь на опыт применения нейтронных трубок, делается заключение, что наиболее востребованными будут трубки диаметром от Ø20 до Ø150 мм и длиной от 100 до 1000 мм.The hollow end electrodes 2 have the same shape and geometry, except that the first hollow end electrode 2, to which the source of Penning ions 5 is connected, has an opening 4 that is absent in the second hollow end electrode 2. The hollow end electrodes 2 are symmetrically on both sides from the hollow accelerating electrode 3 coaxially with it and at the same distance, which is determined by the operating voltage and may be different. The cylindrical insulating bodies 1 separating the hollow end electrodes 2 and the hollow accelerating electrode 3 are made of dielectric material, have the same shape and geometry, are located symmetrically on both sides of the hollow accelerating electrode 3 coaxially with it. The hollow accelerating electrode 3 and the hollow end electrodes 2 are in the form of figures of rotation around the central axis of the tube, while the hollow accelerating electrode 3 is symmetrical about its center. To ensure the operability of this device, it is necessary that the hollow accelerating electrode 3 and the hollow end electrodes 2 have cavities near the central axis, this is achieved by using surfaces of various types in their design (for example, cylindrical, conical, spherical or other more complex configurations). Ultimately, the shape of the hollow accelerating electrode 3, the hollow end electrodes 2 and the shape of the cavities of the hollow accelerating 3 and hollow end electrodes 2 do not affect the achievement of the technical result. Typically, in order to obtain good device performance, the geometry of the hollow accelerating electrode 3 and the hollow end electrodes 2 is chosen so that the cavity sizes in them are sufficient for the unhindered passage of ions from the source 5 of the Pening ions and ensure their vibrational motion. The hollow accelerating 3 and hollow end electrodes 2 should not come into contact with the cylindrical insulating housings 1 except for the places of their tight joints, the size of the gaps between the surfaces of the cylindrical insulating housings 1, the hollow accelerating 3 and the hollow end electrodes 2 are sufficient to provide electrical strength, usually at least 5 mm The overall dimensions (outer diameter) of the hollow end electrodes 2, the hollow accelerating electrode 3, the additional annular permanent magnet 8, and the cylindrical insulating bodies 1 may differ. For example, in the design used by the authors, the difference was approximately 15 mm. The tube had overall dimensions of Ø55 × 260 mm, the diameters of the cylindrical insulating bodies 1 were Ø43 mm, the diameters of the hollow end electrodes 2 were Ø40 mm, the diameter of the hollow accelerating electrode 3 was Ø45 mm, and the diameter of the additional annular permanent magnet 8 was Ø55 mm. Typically, the requirements for the dimensions of a neutron tube are determined by the manufacturing process of the neutron tube or the parameters of the system in which the neutron tube is used. Based on the experience of using neutron tubes, it is concluded that tubes with a diameter of Ø20 to Ø150 mm and a length of 100 to 1000 mm will be most popular.

В конструкции устройства используется источник 5 ионов Пенинга стандартной конструкции, аксиальное магнитное поле в котором создается кольцевым постоянным магнитом 6, при этом, допускается использование источников 5 ионов Пенинга различных конфигураций, любой из известных конструкций. Например, в использованной авторами конструкции габаритные размеры источника 5 ионов Пенинга составляли Ø20×40мм, а использованный кольцевой постоянный магнит 6 имел диаметр Ø30мм.The device’s design uses a source of 5 Penning ions of a standard design, the axial magnetic field in which is created by an annular permanent magnet 6, and it is allowed to use sources of 5 Penning ions of various configurations, any of the known designs. For example, in the design used by the authors, the overall dimensions of the source of 5 Penning ions were Ø20 × 40 mm, and the used ring permanent magnet 6 had a diameter of Ø30 mm.

Хранилище 7 рабочего газа является отдельным конструктивным элементом и располагается в произвольном месте внутри источника 5 ионов Пенинга, обычно хранилище 7 рабочего газа отделяют от области горения газового разряда (как это показано на чертеже).The storage gas 7 of the working gas is a separate structural element and is located in an arbitrary place inside the source 5 of Penning ions, usually the storage 7 of the working gas is separated from the combustion area of the gas discharge (as shown in the drawing).

В отличие от твердотельной мишени, которая изнашивается в процессе работы при взаимодействии с пучками ускоренных ионов, генерация нейтронов в данном устройстве осуществляется при взаимодействии колеблющихся ионов с газоплазменной мишенью, возникающей при работе устройства, а именно, с ядрами заполняющего объем устройства рабочего газа или со встречно колеблющимися ионами. Свойства газоплазменной мишени поддерживаются на необходимом уровне параметрами разряда и практически не меняются во времени. Отсутствие твердой мишени приводит к отсутствию изнашиваемого элемента в конструкции нейтронной трубки (к отсутствию износа нейтронобразующей мишени), это положительно сказывается на ресурсе работы устройства.In contrast to a solid-state target that wears out during operation when interacting with accelerated ion beams, neutrons are generated in this device when vibrating ions interact with a gas-plasma target that arises when the device operates, namely, with nuclei filling the device’s working gas volume or counter oscillating ions. The properties of the gas-plasma target are maintained at the required level by the discharge parameters and practically do not change in time. The absence of a solid target leads to the absence of a wear element in the design of the neutron tube (to the absence of wear of the neutron-forming target), this positively affects the life of the device.

Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно: увеличение ресурса работы нейтронной трубки. Что достигается за счет отсутствия износа нейтронобразующей мишени путем исключения из конструкции трубки твердотельной мишени и осуществления реакций ядерного синтеза с использованием газоплазменной мишени.Thus, the claimed technical result is achieved, namely: an increase in the life of the neutron tube. This is achieved due to the absence of wear of the neutron-forming target by eliminating the solid-state target from the tube structure and carrying out nuclear fusion reactions using a gas-plasma target.

Claims

A gas-filled neutron tube with inertial ion confinement, containing a first cylindrical insulating body made of dielectric material, a first hollow end electrode with a through hole hermetically connected to its end, a Penning ion source sealed to the first hollow end electrode from the opposite side to the first cylindrical insulating housing, an annular permanent magnet mounted on a source of Penning ions coaxially with it and close to the first a broken end electrode, a working gas storage located inside the source of the Pening ions, also containing a second cylindrical insulating body made of dielectric material, a second hollow end electrode hermetically connected to its end, characterized in that it further comprises a hollow accelerating electrode sealed to the ends cylindrical insulating housings on opposite sides relative to the hollow end electrodes, an additional annular permanent magnet, is installed a hollow accelerating electrode in the middle between cylindrical insulating bodies; cylindrical insulating bodies have the same geometry; the hollow end electrodes have the same geometry except that a through hole is made on the axis of the first hollow end electrode; an additional annular permanent magnet, cylindrical insulating bodies, a hollow accelerating and hollow end electrodes, a hole, a source of Pening ions and an annular permanent magnet are coaxial; cylindrical insulating bodies and hollow end electrodes are located symmetrically with respect to the hollow accelerating electrode; hollow accelerating and hollow end electrodes are figures of rotation around the central axis of a gas-filled neutron tube and have cavities near the axis; a hollow accelerating electrode is symmetrical about its center.