RU193577U1 - Газонаполненная 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 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, первый источник ионов Пенинга, герметично присоединенный к первому полому торцевому электроду с противоположной стороны относительно первого цилиндрического изоляционного корпуса, первый кольцевой постоянный магнит, установленный на первый источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную к первому полому торцевому электроду, хранилище рабочего газа, расположенное внутри первого источника ионов Пенинга, второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, второй полый торцевой электрод со сквозным отверстием, герметично присоединенный к торцу второго цилиндрического изоляционного корпуса, второй источник ионов Пенинга, герметично присоединенный ко второму полому торцевому электроду с противоположной стороны относительно второго цилиндрического изоляционного корпуса, второй кольцевой постоянный магнит, установленный на второй источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную ко второму полому торцевому электроду; 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; сквозные отверстия имеют одинаковую геометрию; источники ионов Пенинга имеют одинаковую геометрию, за исключением того, что хранилище рабочего газа, расположенное внутри первого источника ионов Пенинга; кольцевые постоянные магниты имеют одинаковую геометрию; дополнительный кольцевой постоянный магнит, цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, отверстия, источники ионов Пенинга и кольцевые постоянные магниты расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса, полые торцевые электроды, отверстия, источники ионов Пенинга и кольцевые постоянные магниты 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.

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 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 Пеннинга 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.

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.

В качестве прототипа к данной полезной модели 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 Пеннинга, хранилище рабочего газа, насыщенная изотопом водорода мишень, постоянный кольцевой магнит, размещенный соосно с источником ионов Пеннинга, отличающаяся тем, что она оснащена дополнительным идентичным источником ионов Пеннинга, 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 Пеннинга.

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 нейтронобразующей мишени путем исключения из конструкции трубки твердотельной мишени и осуществления реакций ядерного синтеза с использованием газоплазменной мишени.

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, первый источник ионов Пенинга, герметично присоединенный к первому полому торцевому электроду с противоположной стороны относительно первого цилиндрического изоляционного корпуса, первый кольцевой постоянный магнит, установленный на первый источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную к первому полому торцевому электроду, хранилище рабочего газа, расположенное внутри первого источника ионов Пенинга, второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, второй полый торцевой электрод со сквозным отверстием, герметично присоединенный к торцу второго цилиндрического изоляционного корпуса, второй источник ионов Пенинга, герметично присоединенный ко второму полому торцевому электроду с противоположной стороны относительно второго цилиндрического изоляционного корпуса, второй кольцевой постоянный магнит, установленный на второй источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную ко второму полому торцевому электроду, 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; сквозные отверстия имеют одинаковую геометрию; источники ионов Пенинга имеют одинаковую геометрию, за исключением того, что хранилище рабочего газа, расположенное внутри первого источника ионов Пенинга; кольцевые постоянные магниты имеют одинаковую геометрию; дополнительный кольцевой постоянный магнит, цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, отверстия, источники ионов Пенинга и кольцевые постоянные магниты расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса, полые торцевые электроды, отверстия, источники ионов Пенинга и кольцевые постоянные магниты 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.

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

Принятые обозначения: 1 – два цилиндрических изоляционных корпуса; 2 – два полых торцевых электрода; 3 – полый ускоряющий электрод; 4 – два отверстия; 5 – два источника ионов Пенинга; 6 – два кольцевых постоянных магнита; 7 – хранилище рабочего газа; 8 – дополнительный кольцевой постоянный магнит.

Устройство состоит из двух цилиндрических изоляционных корпусов 1, выполненных из диэлектрического материала, полого ускоряющего электрода 3 с установленным на нем соосно с ним дополнительным кольцевым постоянным магнитом 8, двух полых торцевых электродов 2, размещенных с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3, соосно с ним, в полых торцевых электродах 2 сделаны сквозные отверстия 4 произвольной формы на оси полых торцевых электродов 2. Устройство также содержит два источника 5 ионов Пенинга, установленных на полых торцевых электродах 2, кольцевые постоянные магниты 6 и хранилище 7 рабочего газа.

Устройство работает следующим образом.

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 источниках 5 ионов Пенинга образуются при горении газового разряда в скрещенных электрических и магнитных полях. Для создания аксиального магнитного поля в источниках 5 ионов Пенинга используются кольцевые постоянные магниты 6, установленные на источники 5 ионов Пенинга соосно им и вплотную к полым торцевым электродам 2. Первый источник 5 ионов Пенинга герметично присоединен к первому полому торцевому электроду 2, на оси которого, сделано первое сквозное отверстие 4 произвольной формы и размера. Аналогично первому источнику 5 ионов Пенинга ко второму полому торцевому электроду 2 герметично присоединен второй источник 5 ионов Пенинга, на оси второго полого торцевого электрода 2 аналогично первому сделано второе сквозное отверстие 4 произвольной формы и размера, такое же, как первое сквозное отверстие 4. Ионы из источников 5 ионов Пенинга через отверстия 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 с отверстиями 4 на оси. 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 источников 5 ионов Пенинга через отверстия 4, к центру полого ускоряющего электрода 3 с двух сторон. Проходя сквозь полость ускоряющего электрода 3 ускоренные ионы тормозятся электрическим полем вблизи полых торцевых электродов 2, противоположных тем из которых они вылетели, после чего, ускоряются электрическим полем в обратном направлении к центру полого ускоряющего электрода 3, потом, опять тормозятся вблизи полых торцевых электродов 2, затем опять ускоряются и т. д. Таким образом, реализуется режим работы устройства с инерциальным удержанием ионов, при котором, ионы попадают в основной объем устройства с двух противоположных сторон (из двух противоположных источников 5 ионов Пенинга), совершают колебательные движения между полыми торцевыми электродами 2 через полость ускоряющего электрода 3. Генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерных реакций D(d,n)He³ 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, расположенного в одном из источников 5 ионов Пенинга. 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.

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.

Полые торцевые электроды 2 имеют одинаковую форму и геометрию, к ним подсоединены источники 5 ионов Пенинга одинаковой формы и геометрии. На источники 5 ионов Пенинга установлены кольцевые постоянные магниты 6 одинаковой формы и геометрии. Источники 5 ионов Пенинга с кольцевыми постоянными магнитами 6 располагаются симметрично с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3 соосно с ним. 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 источников 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 и цилиндрических изоляционных корпусов 1 могут отличаться. Например, в использованной авторами конструкции отличие составляло примерно 15 мм. Трубка имела габаритные размеры Ø45×300мм, 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.

В конструкции устройства используется два одинаковых источника 5 ионов Пенинга стандартной конструкции, аксиальное магнитное поле в которых создается одинаковыми кольцевыми постоянными магнитами 6, при этом, допускается использование источников 5 ионов Пенинга различных конфигураций, любой из известных конструкций. Например, в использованной авторами конструкции источники 5 ионов Пенинга имели габаритные размеры Ø20×40мм, а использованные кольцевые постоянные магниты 6 имели диаметры Ø30мм.

Хранилище 7 рабочего газа является отдельным конструктивным элементом и располагается в произвольном месте внутри одного из источников 5 ионов Пенинга, обычно хранилище 7 рабочего газа отделяют от области горения газового разряда (как это показано на чертеже).

Использование двух источников 5 ионов Пенинга, располагаемых с двух противоположных сторон трубки позволяет реализовать поступление ионов в основной объем устройства с двух сторон и вдвое большим количеством, что позволяет получать более хорошие рабочие характеристики устройства.

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.

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.

Claims (1)

1. 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, первый источник ионов Пенинга, герметично присоединенный к первому полому торцевому электроду с противоположной стороны относительно первого цилиндрического изоляционного корпуса, первый кольцевой постоянный магнит, установленный на первый источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную к первому полому торцевому электроду, хранилище рабочего газа, расположенное внутри первого источника ионов Пенинга, второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, второй полый торцевой электрод со сквозным отверстием, герметично присоединенный к торцу второго цилиндрического изоляционного корпуса, второй источник ионов Пенинга, герметично присоединенный ко второму полому торцевому электроду с противоположной стороны относительно второго цилиндрического изоляционного корпуса, второй кольцевой постоянный магнит, установленный на второй источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную ко второму полому торцевому электроду, отличающаяся тем, что 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; сквозные отверстия имеют одинаковую геометрию; источники ионов Пенинга имеют одинаковую геометрию, за исключением того, что хранилище рабочего газа, расположенное внутри первого источника ионов Пенинга; кольцевые постоянные магниты имеют одинаковую геометрию; дополнительный кольцевой постоянный магнит, цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, отверстия, источники ионов Пенинга и кольцевые постоянные магниты расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса, полые торцевые электроды, отверстия, источники ионов Пенинга и кольцевые постоянные магниты 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.

Images