RU2366124C1

RU2366124C1 - Induction deuteron accelerator - neutron generator

Info

Publication number: RU2366124C1
Application number: RU2008100646/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Дмитриевич Иосселиани (RU); Дмитрий Дмитриевич Иосселиани
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-08-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention concerns linear induction accelerators of charged particles and can be used for acceleration of intensive beams of light ions both in fundamental, and in applied problems. The induction deuteron accelerator - neutron generator contains an accelerating section from sequence of identical inductors and an accelerating tube with vacuum-pumping and the electrical pressure concentrator. One end of a tube is strengthened on a face flange of the case, and on the second the cathode of an electronic gun is strengthened. The gun anode is supplied by the central drift aperture and strengthened on an opposite flange of the case coaxially to the inductors. A ring source of a tubular deuteron beam and a ring neutron creating target are in addition included into the accelerator. The voltage integrator is executed from two aluminium coaxial pipes. One end faces of pipes are leak-tightly strengthened with maintenance of the electric contact electrode on a face cover of the case, and opposite free end faces are similarly strengthened with a ring target. The cavity between pipes is connected by branch pipes with the system of target cooling allocated outside of the accelerator. The regeneration section contains the case, an electron stream water cooled collector and sequence of inductors.

EFFECT: invention allows to increase accelerated currents and to increase device efficiency.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области технической физики, в частности к линейным индукционным ускорителям заряженных частиц, и может быть использовано для ускорения интенсивных пучков легких ионов как в фундаментальных, так и в прикладных задачах, например для генерации нейтронных потоков при терапии онкологических заболеваний.The invention relates to the field of technical physics, in particular to linear induction accelerators of charged particles, and can be used to accelerate intense light ion beams in both fundamental and applied problems, for example, to generate neutron fluxes in the treatment of cancer.

Известен индкуционный ускоритель ЛИУ 5/5000, содержащий последовательность соосных идентичных индукторов, укомплектованных ферромагнитными сердечниками, внутри которых размещена ускорительная трубка и фокусирующие катушки; генератор импульсного напряжения, питающий индукторы, генератор импульсного напряжения, питающий катушки /Ю.П.Вахрушин "Линейные индукционные ускорители". Докторская диссертация НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, Ленинград, 1977/ /1/. Однако ускорять в ЛИУ 5/5000 ионные токи с интенсивностью, достаточной для промышленного использования - невозможно.Known induction accelerator LIU 5/5000, containing a sequence of coaxial identical inductors equipped with ferromagnetic cores, inside which there is an accelerating tube and focusing coils; pulse voltage generator supplying inductors, pulse voltage generator supplying coils / Yu.P. Vakhrushin "Linear induction accelerators". Doctoral dissertation NIIEFA them. D.V. Efremova, Leningrad, 1977 / / 1 /. However, it is impossible to accelerate ion currents at LIU 5/5000 with an intensity sufficient for industrial use.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство, описанное в /1/ на страницах 221-224, которое и выбрано за прототип. Индукционный ускоритель - прототип содержит ускоряющую секцию, состоящую из идентичных размещенных соосно индукторов с сердечниками из ферромагнитного материала, в которых размещена ускоряющая трубка. В ней укреплена металлическая труба. Один из торцев ее заземлен, а на противоположном - укреплен катод электронной пушки.Closest to the proposed technical solution is the device described in / 1 / on pages 221-224, which is chosen as the prototype. Induction accelerator - the prototype contains an accelerating section, consisting of identical coaxially placed inductors with cores of ferromagnetic material in which the accelerating tube is placed. A metal pipe is fixed in it. One of its ends is grounded, and on the opposite - the cathode of the electron gun is strengthened.

Анод пушки снабжен отверстием для пролета ускоренного пучка и укреплен на заземленном корпусе ускорителя с обеспечением электрического контакта. В сослав ускорителя входят также генераторы импульсов ускоряющего напряжения, элетрически связванные фидерами с питаемыми индукторами.The anode of the gun is equipped with an opening for the passage of the accelerated beam and is mounted on the grounded case of the accelerator with electrical contact. The accelerator class also includes accelerator voltage pulse generators that are electrically connected by feeders to the feed inductors.

Однако в прототипе невозможно ускорять высокоинтенсивные ионные токи. Указанное обстоятельство не позволяет получить достаточно высокого для промышленного применения КПД устройства.However, in the prototype it is impossible to accelerate high-intensity ion currents. This circumstance does not allow to obtain a device efficiency that is high enough for industrial use.

Техническая сущность изобретения состоит в том, что одновременно с трубчатым ионным пучком навстречу ему ускоряется электронный пучок, который находится внутри ионного. При этом достигается компенсация зарядов ионного пучка, что позволяет ускорять большие токи по сравнению с прототипом. Энергия, затрачиваемая на ускорение электронного пучка, преобразуется обратно в энергию электромагнитных колебаний в дополнительно установленной секции рекуперации и возвращается в ускоряющую секцию, чем повышаемся КПД устройства до уровня электронных индукционных ускорителей, использующихся в промышленности.The technical essence of the invention lies in the fact that simultaneously with a tubular ion beam towards it, an electron beam that is inside the ion beam is accelerated. This achieves the compensation of the charges of the ion beam, which allows to accelerate large currents in comparison with the prototype. The energy spent on accelerating the electron beam is converted back into electromagnetic energy in an additionally installed recovery section and returned to the accelerating section, which increases the efficiency of the device to the level of electronic induction accelerators used in industry.

Технический результат достигается тем, что дополнительно введены кольцевой источник трубчатого пучка дейтронов, укрепленный вокруг анода; кольцевая нейтронообразующая мишень, укрепленная вокруг катода, снабженная катушками размещенными аксиально-симметрично, так что их оси расположены в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя, источники электропитания катушек, интегратор напряжения выполнен из двух алюминиевых коаксиальных труб, одни торцы которых вакуумно-плотно укреплены, с обеспечением электрического контакта на торцевой крышке корпуса, а противоположные свободные торцы труб аналогично укреплены с кольцевой мишенью, и полость между трубами связана патрубками с размещенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени, содержащей резервуар с раствором борной кислоты, теплообменник и насос, объединенные трубопроводом; секция рекуперации содержит цилиндрический металлический заземленный корпус, который граничит с корпусом ускоряющей секции общим торцевым фланцем с анодом в нем, водоохлаждаемый коллектор электронного пучка, укрепленный на противоположном торцевом фланце, последовательность индукторов, идентичных индукторам ускоряющей секции, связанных с ними электрическими фидерами.The technical result is achieved by the fact that an additional annular source of a tubular deuteron beam is introduced, mounted around the anode; an annular neutron-forming target, mounted around the cathode, equipped with coils arranged axially symmetrically, so that their axes are located in a plane perpendicular to the axis of the accelerator, the coil power sources, the voltage integrator is made of two aluminum coaxial tubes, one of whose ends is vacuum-tightly fixed, providing electrical contact on the end cover of the housing, and the opposite free ends of the pipes are likewise reinforced with an annular target, and the cavity between the pipes is connected by pipes a target cooling system located outside the accelerator, containing a reservoir with a solution of boric acid, a heat exchanger and a pump, combined by a pipeline; The recovery section contains a cylindrical metal grounded case, which borders the case of the accelerating section with a common end flange with an anode in it, a water-cooled electron beam collector mounted on the opposite end flange, a series of inductors identical to the inductors of the accelerating section, connected with them by electric feeders.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображена схема предлагаемого ускорителя дейтронов - нейтронного генератора. На фиг.2 изображено сечение нейтронообразующей мишени плоскостью, перпендикулярной оси ускорителя.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a diagram of the proposed deuteron accelerator - a neutron generator. Figure 2 shows a cross section of a neutron-forming target with a plane perpendicular to the axis of the accelerator.

На фиг.3 изображено сечение источника трубчатого пучка дейтронов плоскостью, перпендикулярной оси ускорителя, а на фиг.4 - сечение одной из двенадцати сборок источника дейтронов.Figure 3 shows a cross section of the source of a tubular deuteron beam with a plane perpendicular to the axis of the accelerator, and figure 4 is a cross section of one of the twelve deuteron source assemblies.

Индукционный ускоритель - нейтронный генератор состоит из ускоряющей секции, индукторы которой содержат сердечники, изготовленные из ферромагнитного материала - 1, внутри которых проходит вакуумированная ускорительная трубка - 2, в которой размещены две коаксиальные алюминиевые трубы: наружная - 3 и внутренняя - 4. Своими торцами трубы укреплены на корпусе ускорителя герметично, с обеспечением электрического контакта. На противоположных торцах труб герметично укреплена кольцевая нейтронообразующая мишень - 5, которая размещена вокруг катода электронной пушки - 6 с обеспечением электрического контакта с ним. Катод снабжен подогревателем - 7. Полость - 8 между трубами сообщается посредством патрубков - 9 с расположенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени 10, которая содержит резервуар с раствором борной кислоты, теплообменник, насос и обеспечивает циркуляцию в полости между трубами 3 и 4 охлаждающего мишень - 5 раствора борной кислоты 11. Мишень - 5 снабжена магнитными катушками 12 (фиг.2), размещенными аксиально-симметрично.Induction accelerator - a neutron generator consists of an accelerating section, the inductors of which contain cores made of ferromagnetic material - 1, inside which there passes a vacuum accelerated tube - 2, in which two coaxial aluminum pipes are placed: the outer - 3 and the inner - 4. Pipe ends mounted on the accelerator case hermetically, providing electrical contact. An annular neutron-forming target - 5, which is placed around the cathode of the electron gun - 6, is electrically tightened at the opposite ends of the tubes, providing electrical contact with it. The cathode is equipped with a heater - 7. The cavity - 8 between the pipes communicates via nozzles - 9 with the target cooling system 10 located outside the accelerator, which contains a reservoir with boric acid solution, a heat exchanger, a pump and provides circulation in the cavity between pipes 3 and 4 of the cooling target - 5 boric acid solution 11. Target - 5 is equipped with magnetic coils 12 (figure 2), placed axially symmetrically.

Оси катушек расположены в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя. Катушки создают магнитное поле параллельное плоскости мишени и перпендикулярное оси ускорителя. Анод пушки - 13 снабжен центральным отверстием - 14, через которое проходит ускоренный пучок - 15 в секцию рекуперации. Секция рекуперации содержит индукторы, в каждом из которых размещен ферромагнитный сердечник - 16 и катушка магнитной фокусировки - 17. Индукторы-рекуператоры снабжены фидерами - 18, связывающими их с ускоряющими индукторами. На выходе секции рекуперации размещен водоохлаждаемый коллектор электронного пучка - 19. В Вокруг анода - 13 размещен, с обеспечением электрического контакта, источник трубчатого пучка дейтронов - 20, содержащий двенадцать идентичных, размещенных аксиально-симметрично сборок искровых источников - 21. Каждая сборка состоит из шести искровых источников - 22, электропитание к которым подводится по высоковольтным кабелям - 23, снабженным ферритовыми шайбами - 24, от импульсного высоковольтного источника напряжения, не показанного на чертежах. В торце керамического изолятора - 26 выполнены отверстия - 27, стенки которых 28 образуют искровой зазор между торцами источников - 22 и заземленным корпусом - 32 сборки 21. Ускоритель снабжен генераторами импульсов ускоряющего напряжения - 29, связанными с индукторами ускоряющей секции кабелями - 30. Импульсные электрогенераторы - 31 питают катушки магнитной фокусировки - 17, размещенные в каждом индукторе-рекуператоре.The axis of the coils are located in a plane perpendicular to the axis of the accelerator. Coils create a magnetic field parallel to the plane of the target and perpendicular to the axis of the accelerator. The anode of the gun - 13 is equipped with a central hole - 14, through which the accelerated beam - 15 passes into the recovery section. The recuperation section contains inductors, each of which contains a ferromagnetic core - 16 and a magnetic focusing coil - 17. Inductors-recuperators are equipped with feeders - 18, connecting them with accelerating inductors. A water-cooled electron beam collector - 19 is placed at the output of the recovery section. Around the anode - 13 is placed, with electrical contact, a source of a tubular deuteron beam - 20, containing twelve identical, axially symmetrically arranged spark source assemblies - 21. Each assembly consists of six spark sources - 22, the power to which is supplied via high-voltage cables - 23, equipped with ferrite washers - 24, from a pulsed high-voltage voltage source, not shown in the drawings. The ends of the ceramic insulator - 26 have openings - 27, the walls of which 28 form a spark gap between the ends of the sources - 22 and the grounded housing - 32 of the assembly 21. The accelerator is equipped with accelerating voltage pulse generators - 29, cables connected to the accelerators of the accelerating section - 30. Pulse electric generators - 31 are powered by magnetic focus coils - 17, located in each inductor-recuperator.

Индукционный ускоритель дейтронов - источник нейтронов работает следующим образом. Импульсы высокого напряжения от генератора - 29 поступают на индукторы ускоряющей секции по высоковольтному кабелю - 30. В ферромагнитных сердечниках - 1, размещенных в индукторах, возникают импульсные магнитные потоки, индуцирующие на свободном конце катодной трубы - 3 суммарный высоковольтный потенциал отрицательной полярности относительно ее заземленного торца, под воздействием которого электроны из катода электронной пушки - 6, подогретого нагревателем - 7, ускоряются к аноду 13, укрепленному на заземленном корпусе ускорителя. /Внутрь полости между трубами - 3 и - 4 электромагнитное поле не проникает, затухая в стенке трубы - 3./ Ускоренный электронный пучок - 15 через пролетное отверстие в аноде поступает в секцию рекуперации, составленную из индукторов, в каждом из которых размещен ферромагнитный сердечник - 16, в котором под воздействием импульсного тока пучка наводится импульсный магнитный поток, индуцирующий напряжение на индукторе-рекуператоре.Induction deuteron accelerator - a neutron source operates as follows. High voltage pulses from the generator - 29 are fed to the inductors of the accelerating section via a high-voltage cable - 30. In the ferromagnetic cores - 1, placed in the inductors, pulsed magnetic fluxes appear, inducing at the free end of the cathode tube - 3 the total high-voltage potential of negative polarity relative to its grounded end under the influence of which the electrons from the cathode of the electron gun - 6, heated by the heater - 7, are accelerated to the anode 13, mounted on a grounded accelerator casing. / Inside the cavity between the pipes - 3 and - 4 the electromagnetic field does not penetrate, attenuating in the pipe wall - 3. / Accelerated electron beam - 15 through the passage hole in the anode enters the recovery section, composed of inductors, in each of which a ferromagnetic core is placed - 16, in which, under the influence of a pulsed beam current, a pulsed magnetic flux is induced, which induces a voltage on the recuperator inductor.

В результате взаимодействия электронного пучка с тормозящим электрическим полем, им же созданным, происходит рекуперация - кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию электромагнитного поля, часть которой возвращается по фидеру - 18 в ускоряющую секцию, где вместе с полем, созданным генератором - 29, расходуется на ускорение заряженных частиц. Фокусировка электронов в рекуператоре осуществляется продольной компонентой магнитного поля, создаваемого катушками - 17, питающимися электрическим током, вырабатываемым импульсным генератором - 31. Оставшаяся после рекуперации кинематическая энергия электронного пучка поглощается в коллекторе - 19. Одновременно с электронным пучком навстречу ему ускоряется трубчатый пучок дейтронов. Электронный пучок ускоряется внутри ионного пучка. Дейтроны образуются в источнике - 20, содержащем двенадцать идентичных сборок - 21, в состав каждой из которых входит по шесть идентичных искровых источников - 22. Импульс высоковольтного напряжения от источника, не показанного на чертежах, поступает по кабелям - 23 на источники - 22. Искровые зазоры, образованные торцами источников 22 и корпусом сборки - 32 вдоль стенок - 28 отверстий - 27, выполненных в торце керамического изолятора - пробиваются. На торцах источников - 22 образуются "катодные пятна" и из катода, изготовленного из дейтерида, циркония, десорбируется дейтерий. Ферритовые шайбы - 24 задерживают на время их намагничивания начальную стадию разряда, обеспечивая участие в нем всех источников - 22, независимо от того, на каком из них разряд начался раньше. /Поскольку напряжение, приложенное к источникам, на которых разряд еще не начался, остается в течение времени до магнитного насыщения материала шайб достаточным для пробоя искрового зазора./ Ускоренный пучок дейтронов бомбардирует нейтронообразующую мишень - 5 и вызывает нейтронный поток, который по трубе - 4 поступает к потребителю. Нейтроны, попавшие в полость между трубами - 3 и 4, поглощаются в растворе борной кислоты, не участвуя в активации ускоряющей секции.As a result of the interaction of the electron beam with the decelerating electric field created by it, recovery takes place - the kinetic energy of the electrons is converted into electromagnetic field energy, part of which is returned by the feeder - 18 to the accelerating section, where, together with the field created by the generator - 29, it is spent on acceleration charged particles. Electrons are focused in the recuperator by the longitudinal component of the magnetic field generated by coils - 17, powered by an electric current generated by a pulsed generator - 31. The kinematic energy of the electron beam remaining after recovery is absorbed in the collector - 19. Simultaneously with the electron beam, a tube deuteron beam accelerates towards it. The electron beam is accelerated inside the ion beam. Deuterons are formed in a source - 20, containing twelve identical assemblies - 21, each of which includes six identical spark sources - 22. A high-voltage voltage pulse from a source not shown in the drawings is transmitted via cables - 23 to sources - 22. Spark the gaps formed by the ends of the sources 22 and the assembly body 32 along the walls 28 holes 27 made at the end of the ceramic insulator make their way. At the ends of sources - 22, "cathode spots" are formed and deuterium is desorbed from a cathode made of deuteride, zirconium. Ferrite washers - 24 delay the initial stage of the discharge during their magnetization, ensuring the participation of all sources - 22, regardless of which one the discharge started earlier. / Since the voltage applied to the sources at which the discharge has not yet begun, remains sufficient for the breakdown of the spark gap for the time before the magnetic saturation of the material of the washers. / An accelerated deuteron beam bombards the neutron-forming target - 5 and causes a neutron flux that flows through the pipe - 4 to the consumer. Neutrons that enter the cavity between tubes 3 and 4 are absorbed in a solution of boric acid without participating in the activation of the accelerating section.

Claims

A deuteron induction accelerator is a neutron generator containing an accelerating section, consisting of a sequence of identical inductors located in a grounded metal cylindrical housing, an accelerating tube located on the axis of the inductors, equipped with vacuum pumping means, containing a coaxially placed metal pipe - a voltage concentrator, one end of which is strengthened on the end flange of the housing, and on the second, loose end, the cathode of the electron gun and the anode of the gun equipped with untrapped tral hole is mounted on the opposite housing flange coaxially inductors, characterized in that the further annular introduced deuteron beam source tubular reinforced around the anode; an annular neutron-forming target, mounted around the cathode, equipped with coils placed axially symmetrically, so that their axes are located in a plane perpendicular to the axis of the accelerator, the power sources of the coils; the voltage integrator is made of two aluminum coaxial pipes, one end of which is vacuum tightly secured to provide electrical contact on the end cover of the housing, and the opposite free ends of the pipes are similarly strengthened with an annular target, and the cavity between the pipes is connected by pipes to the target cooling system located outside the accelerator, containing a reservoir with a solution of boric acid, a heat exchanger and a pump combined by a pipeline; The recovery section contains a cylindrical metal grounded case, which borders the case of the accelerating section with a common end flange with an anode in it, a water-cooled electron beam collector mounted on the opposite end flange, a sequence of inductors identical to the inductors of the accelerating section, connected with them by electric feeders.