RU195755U1 - 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, первый трехэлектродный искровой источник ионов, герметично и соосно размещенный в полости первого торцевого электрода, первый трехэлектродный искровой источник ионов содержит первый анод и первый катод, насыщенные тяжелыми изотопами водорода, и первый поджигающий электрод, второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, второй полый торцевой электрод с установленным на нем вторым газопоглотителем, герметично присоединенный к торцу второго цилиндрического изоляционного корпуса, второй трехэлектродный искровой источник ионов, герметично и соосно размещенный в полости второго торцевого электрода, второй трехэлектродный искровой источник ионов содержит второй анод и второй катод, насыщенные тяжелыми изотопами водорода и второй поджигающий электрод, трехэлектродные искровые источники ионов имеют одинаковую геометрию; 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; дополнительный кольцевой постоянный магнит, цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, трехэлектродные искровые источники ионов расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса, полые торцевые электроды, газопоглотители, трехэлектродные искровые источники ионов 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 в 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, первый трехэлектродный искровой источник ионов, герметично и соосно размещенный в полости первого торцевого электрода, первый трехэлектродный искровой источник ионов содержит первый анод и первый катод, насыщенные тяжелыми изотопами водорода и первый поджигающий электрод, второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, второй полый торцевой электрод с установленным на нем внутри вакуумной нейтронной трубки вторым газопоглотителем, герметично присоединенный к торцу второго цилиндрического изоляционного корпуса, второй трехэлектродный искровой источник ионов, герметично и соосно размещенный в полости второго торцевого электрода, второй трехэлектродный искровой источник ионов содержит второй анод и второй катод, насыщенные тяжелыми изотопами водорода и второй поджигающий электрод, трехэлектродные искровые источники ионов имеют одинаковую геометрию, 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; дополнительный кольцевой постоянный магнит, цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, трехэлектродные искровые источники ионов расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса, полые торцевые электроды, трехэлектродные искровые источники ионов 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 – два трехэлектродных искровых источника ионов; 5 – два анода; 6 – два катода; 7 – два поджигающих электрода, 8 – два газопоглотителя, 9 – дополнительный кольцевой постоянный магнит.

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, на полом ускоряющем электроде 3, соосно с ним установлен дополнительный кольцевой постоянный магнит 9, в обоих полых торцевых электродах 2 располагаются трехэлектродные искровые источники 4 ионов одинаковой конструкции, содержащие 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 анодах 5 и катодах 6 трехэлектродных искровых источников 4 ионов. Выделение рабочего газа происходит в результате термодесорбции при зажигании и горении разряда в каждом трехэлектродном искровом источнике 4 ионов. Разряд в каждом из трехэлектродных искровых источников 4 ионов горит между соответствующим анодом 5 и катодом 6, зажигание разряда происходит при подаче высоковольтного электрического импульса на оба поджигающих электрода 7. Ионы в трехэлектродных искровых источниках 4 ионов образуются при горении искрового разряда из молекул и атомов рабочего газа, выделяющегося из анодов 5 и катодов 6. Трехэлектродные искровые источники 4 ионов герметично размещены внутри полостей полых торцевых электродов 2 соосно с ними. Ионы из трехэлектродных искровых источников 4 ионов через полые торцевые электроды 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 с трехэлектродными искровыми источниками 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 трехэлектродных искровых источников 4 ионов, 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 трехэлектродных искровых источников 4 ионов) 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 аноды 5 и катоды 6 трехэлектродных искровых источников 4 ионов. При насыщении анодов 5 и катодов 6 дейтерием генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакций D(d,n)He³. При насыщении анодов 5 и катодов 6 тритием – T(t,2n)He⁴. При насыщении анодов 5 и катодов 6 смесью дейтерия и трития, либо насыщении анодов 5 и катодов 6 разными тяжелыми изотопами водорода в разных конфигурациях с использованием дейтерия и трития (например один анод 5 дейтерием, второй анод 5 тритием, один катод 6 дейтерием, второй катод тритием и т. д.) генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакций 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 9 (дополнительный кольцевой постоянный магнит 9 может набираться из сегментов или встраиваться в полый ускоряющий электрод 3 для упрощения конструкции или удобства его размещения). Дополнительный кольцевой постоянный магнит 9 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 9 размещается посередине между двумя цилиндрическими изоляционными корпусами 1.

Полые торцевые электроды 2 имеют одинаковую форму и геометрию, в их полостях размещены два трехэлектродных искровых источника 4 ионов одинаковой конструкции, в составе которых используются аноды 5 одинаковой формы и геометрии, катоды 6 одинаковой формы и геометрии и поджигающие электроды 7 одинаковой фомы и геометрии. 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 трехэлектродных искровых источников 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 используются два одинаковых трехэлектродных искровых источника 4 ионов, стандартной конструкции, используемой в вакуумных нейтронных трубках. В качестве примера использованы трехэлектродные искровые источники 4 ионов цилиндрической конструкции, показанные на чертеже, в которых 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 трехэлектродных искровых источниов 4 ионов подобной конструкции длины анодов 5, катодов 6 и поджигающих электродов 7 могут отличаться, также допускается отклонение геометрии анодов 5, катодов 6 и поджигающих электродов 7 от цилиндрической (например применение элементов конической, сферической или других геометрий) с сохранением порядка размещения электродов и общей конфигурации. Допускается использование двух одинаковых трехэлектродных искровых источников 4 ионов любой из известных конструкций (отличных от показанной на чертеже). Трехэлектродные искровые источники 4 ионов герметично и соосно устанавливаются внутрь полых торцевых электродов 2 в произвольном месте их полостей, обычно вблизи их внешних торцов. При работе устройства на электроды трехэлектродных искровых источников 4 ионов подаются разные электрические потенциалы, таким образом, что аноды 5 имеют положительный потенциал относительно катодов 6, при этом аноды 5 имеют электрический контакт с полыми торцевыми электродами 2 в которые установлены и находятся под одним потенциалом с ними. На поджигающие электроды 7 подается напряжение относительно катодов 6, достаточное для развития электрического пробоя между ними и поджигания разряда в трехэлектродных искровых источниках 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).

Использование двух трехэлектродных искровых источников 4 ионов, 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 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, первый трехэлектродный искровой источник ионов, герметично и соосно размещенный в полости первого торцевого электрода, первый трехэлектродный искровой источник ионов содержит первый анод и первый катод, насыщенные тяжелыми изотопами водорода, и первый поджигающий электрод, второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, второй полый торцевой электрод с установленным на нем внутри вакуумной нейтронной трубки вторым газопоглотителем, герметично присоединенный к торцу второго цилиндрического изоляционного корпуса, второй трехэлектродный искровой источник ионов, герметично и соосно размещенный в полости второго торцевого электрода, второй трехэлектродный искровой источник ионов содержит второй анод и второй катод, насыщенные тяжелыми изотопами водорода, и второй поджигающий электрод, трехэлектродные искровые источники ионов имеют одинаковую геометрию, 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; дополнительный кольцевой постоянный магнит, цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, трехэлектродные искровые источники ионов расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса, полые торцевые электроды, трехэлектродные искровые источники ионов 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