RU193506U1 - Вакуумная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов - Google Patents

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 вакуумная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов, содержащая первый цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу первый полый торцевой электрод, с установленным на нем первым газопоглотителем, трехэлектродный искровой источник ионов, герметично и соосно размещенный в полости первого торцевого электрода, трехэлектродный искровой источник ионов содержит анод и катод, насыщенные тяжелыми изотопами водорода и поджигающий электрод, также содержащая второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу второй полый торцевой электрод, с установленным на нем вторым газопоглотителем; дополнительно содержит полый ускоряющий электрод, герметично присоединенный к торцам цилиндрических изоляционных корпусов с противоположных сторон относительно полых торцевых электродов; цилиндрические изоляционные корпуса имеют одинаковую геометрию; полые торцевые электроды имеют одинаковую геометрию, за исключением того, что в полости первого полого торцевого электрода расположен трехэлектродный искровой источник ионов; цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, трехэлектродный искровой источник ионов расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса, полые торцевые электроды и газопоглотители расположены симметрично относительно полого ускоряющего электрода; полый ускоряющий и полые торцевые электроды являются фигурами вращения вокруг центральной оси вакуумной нейтронной трубки и имеют полости вблизи оси; полый ускоряющий электрод симметричен относительно его центра. 1 ил.

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.

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.

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.

Также известна вакуумная нейтронная трубка (Сборник материалов Межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н. Л. Духова, 2004, С. 72), которая представляет собой миниатюрный линейный ускоритель ионов, содержащая герметичный запаянный стеклянный или керамический корпус 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. В качестве ионного источника в трубке применен трехэлектродный искровой источник ионов, который состоит из поджигающего электрода, а также насыщенных дейтерием кольцевого анода и катода. Мишень выполнена в виде диска из молибдена с напыленным слоем титана, насыщенным дейтерием или тритием. Внутри трубки вакуум, для поддержания которого используется газопоглотители (геттеры).

Недостатками указанной вакуумной нейтронной трубки является малый ресурс работы из-за износа нейтронобразующей мишени в процессе работы, а также генерация нейтронов только одной энергии при работе трубки.

В качестве прототипа к данной полезной модели выбрана вакуумная нейтронная трубка (патент РФ RU 2603013 C1, МПК G21G 4/00 (2006.01), опубликован 20.11.2016), включающее в себя следующие элементы:

герметично запаянный изоляционный корпус, в котором размещены управляемый трехэлектродный источник ионов, анод и катод которого насыщены изотопом водорода, мишень, газопоглотитель, вакуумная нейтронная трубка оснащена дополнительным идентичным управляющим трехэлектродным источником ионов и газопоглотителем, мишенный электрод содержит две симметричные мишени, насыщенные одним или разными изотопами водорода, и расположен посередине корпуса, на торцах которого напротив мишеней размещены управляемые трехэлектродные источники ионов.

Недостатком прототипа является малый ресурс работы нейтронной трубки из-за износа нейтронобразующих мишеней в процессе работы нейтронной трубки.

Техническим результатом является увеличение ресурса работы нейтронной трубки, что достигается за счет отсутствия износа нейтронобразующих мишеней путем исключения из конструкции трубки твердотельных мишеней и осуществления реакций ядерного синтеза на встречных ионных пучках.

Технический результат достигается тем, что вакуумная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов, содержащая первый цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу первый полый торцевой электрод, с установленным на нем внутри вакуумной нейтронной трубки первым газопоглотителем, трехэлектродный искровой источник ионов, герметично и соосно размещенный в полости первого торцевого электрода, трехэлектродный искровой источник ионов содержит анод и катод, насыщенные тяжелыми изотопами водорода и поджигающий электрод, также содержащая второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу второй полый торцевой электрод, с установленным на нем внутри вакуумной нейтронной трубки вторым газопоглотителем, дополнительно содержит полый ускоряющий электрод, герметично присоединенный к торцам цилиндрических изоляционных корпусов с противоположных сторон относительно полых торцевых электродов; цилиндрические изоляционные корпуса имеют одинаковую геометрию; полые торцевые электроды имеют одинаковую геометрию, за исключением того, что в полости первого полого торцевого электрода расположен трехэлектродный искровой источник ионов; цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, трехэлектродный искровой источник ионов расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса, полые торцевые электроды расположены симметрично относительно полого ускоряющего электрода; полый ускоряющий и полые торцевые электроды являются фигурами вращения вокруг центральной оси вакуумной нейтронной трубки и имеют полости вблизи оси; полый ускоряющий электрод симметричен относительно его центра.

На чертеже представлена схема вакуумной нейтронной трубки с инерциальным удержанием ионов.

Принятые обозначения: 1 – два цилиндрических изоляционных корпуса; 2 – два полых торцевых электрода; 3 – полый ускоряющий электрод; 4 – трехэлектродный искровой источник ионов; 5 – анод; 6 – катод; 7 – поджигающий электрод, 8 – два газопоглотителя.

Устройство состоит из двух цилиндрических изоляционных корпусов 1, выполненных из диэлектрического материала, полого ускоряющего электрода 3, двух полых торцевых электродов 2, размещенных с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3, соосно с ним, в одном из полых торцевых электродов 2 располагается трехэлектродный искровой источник 4 ионов, содержащий анод 5 и катод 6, насыщенные тяжелыми изотопами водорода, поджигающий электрод 7, для поддержания вакуума в устройстве на двух полых торцевых электродах 2 установлены два газопоглотителя 8.

Устройство работает следующим образом.

Изначально в объеме вакуумной нейтронной трубки вакуум, его поддержание в процессе работы обеспечивается двумя газопоглотителями 8, обычно выполняемыми из сорбционных материалов, работающих по принципу сорбционных насосов. Рабочий газ (дейтерий, тритий или их смесь) содержится в аноде 5 и катоде 6 трехэлектродного искрового источника 4 ионов. Выделение рабочего газа происходит в результате термодесорбции при зажигании и горении разряда в трехэлектродном искровом источнике 4 ионов. Разряд в трехэлектродном искровом источнике 4 ионов горит между анодом 5 и катодом 6, зажигание разряда происходит при подаче высоковольтного электрического импульса на поджигающий электрод 7. Ионы в трехэлектродном искровом источнике 4 ионов образуются при горении искрового разряда из молекул и атомов рабочего газа, выделяющегося из анода 5 и катода 6. Трехэлектродный искровой источник 4 ионов герметично размещен внутри полости первого полого торцевого электрода 2 соосно с ним. Ионы из трехэлектродного искрового источника 4 ионов через первый полый торцевой электрод 2 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 трехэлектродным искровым источником 4 ионов и второй – без трехэлектродного искрового источника 4 ионов. 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, вылетающие из трехэлектродного искрового источника 4 ионов, 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 со встречно колеблющимися ионами. Тип реакции определяется рабочим газом, которым насыщены анод 5 и катод 6 трехэлектродного искрового источника 4 ионов. При насыщении анода 5 и катода 6 дейтерием генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакций D(d,n)He³. При насыщении анода 5 и катода 6 тритием – T(t,2n)He⁴. При насыщении анода 5 и катода 6 смесью дейтерия и трития, либо насыщении анода 5 дейтерием, а катода 6 тритием, либо насыщении анода 5 тритием, а катода 6 дейтерием, генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакций T(d,n)He⁴.

Полые торцевые электроды 2 имеют одинаковую форму и геометрию, за исключением того, что в первом полом торцевом электроде 2 размещен трехэлектродный искровой источник 4 ионов, который отсутствует во втором полом торцевом электроде 2. 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. Полые торцевые электроды 2 располагаются с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3 соосно с ним и на одинаковом расстоянии, которое определяется рабочим напряжением и может быть различным. 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 трехэлектродного искрового источника 4 ионов 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 и цилиндрических изоляционных корпусов 1 могут отличаться. 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.

В конструкции устройства используется трехэлектродный искровой источник 4 ионов, стандартной конструкции, используемой в вакуумных нейтронных трубках. В качестве примера использован трехэлектродный искровой источник 4 ионов цилиндрической конструкции, показанный на чертеже, в котором используется следующий порядок размещения электродов: катод 6 располагается внутри анода 5, а поджигающий электрод 7 располагается внутри катода 6. Анод 5, катод 6 и поджигающий электрод 7 имеют цилиндрическую геометрию и разделены изоляторами для подачи на них разных электрических потенциалов и обеспечения герметичности конструкции. В случае использования трехэлектродного искрового источника 4 ионов подобной конструкции длины анода 5, катода 6 и поджигающего электрода 7 могут отличаться, также допускается отклонение геометрии анода 5, катода 6 и поджигающего электрода 7 от цилиндрической (например применение элементов конической, сферической или других геометрий) с сохранением порядка размещения электродов и общей конфигурации. Допускается использование трехэлектродных искровых источников 4 ионов любой из известных конструкций (отличных от показанной на чертеже). Трехэлектродный искровой источник 4 ионов герметично и соосно устанавливается внутрь первого полого торцевого электрода 2 в произвольном месте его полости, обычно вблизи его внешнего торца для удобства сборки и подключения к внешним цепям питания. При работе устройства на электроды трехэлектродного искрового источника 4 ионов подаются разные электрические потенциалы, таким образом, что анод 5 имеет положительный потенциал относительно катода 6, при этом анод 5 имеет электрический контакт с первым полым торцевым электродом 2 и находится под одним потенциалом с ним. На поджигающий электрод 7 подается напряжение относительно катода 6, достаточное для развития электрического пробоя между ними и поджигания разряда в трехэлектродном искровом источнике 4 ионов.

Газопоглотители 8 являются отдельными конструктивными элементами, имеют произвольную форму и геометрию, например, цилиндрическую (как это показано на чертеже) и располагаются внутри трубки в произвольном месте на полых торцевых электродах, обычно вблизи цилиндрических изоляционных корпусов 1, так, чтобы не перекрывать полости торцевых электродов 2 (например, как показано на чертеже). Два газопоглотителя 8 могут иметь разную форму и геометрию (могут отличаться).

В отличие от твердотельной мишени, которая изнашивается в процессе работы при взаимодействии с пучками ускоренных ионов, генерация нейтронов в данном устройстве осуществляется на встречных ионных пучках (при взаимодействии колеблющихся ионов со встречно колеблющимися ионами), отсутствие твердой мишени приводит к отсутствию изнашиваемого элемента в конструкции нейтронной трубки (к отсутствию износа нейтронобразующей мишени), это положительно сказывается на ресурсе работы устройства.

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 на встречных ионных пучках.

Claims (1)

1. Вакуумная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов, содержащая первый цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу первый полый торцевой электрод, с установленным на нем внутри вакуумной нейтронной трубки первым газопоглотителем, трехэлектродный искровой источник ионов, герметично и соосно размещенный в полости первого торцевого электрода, трехэлектродный искровой источник ионов содержит анод и катод, насыщенные тяжелыми изотопами водорода, и поджигающий электрод, также содержащая второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу второй полый торцевой электрод, с установленным на нем внутри вакуумной нейтронной трубки вторым газопоглотителем, отличающаяся тем, что дополнительно содержит полый ускоряющий электрод, герметично присоединенный к торцам цилиндрических изоляционных корпусов с противоположных сторон относительно полых торцевых электродов; цилиндрические изоляционные корпуса имеют одинаковую геометрию; полые торцевые электроды имеют одинаковую геометрию, за исключением того, что в полости первого полого торцевого электрода расположен трехэлектродный искровой источник ионов; цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, трехэлектродный искровой источник ионов расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса, полые торцевые электроды расположены симметрично относительно полого ускоряющего электрода; полый ускоряющий и полые торцевые электроды являются фигурами вращения вокруг центральной оси вакуумной нейтронной трубки и имеют полости вблизи оси; полый ускоряющий электрод симметричен относительно его центра.

Images