RU2523026C1

RU2523026C1 - Pulse neutron generator

Info

Publication number: RU2523026C1
Application number: RU2012157875/07A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Диденко; Константин Иванович Козловский; Вячеслав Иванович Сбродов; Дамир Рюрикович Хасая; Вадим Леонидович Шатохин; Александр Евгеньевич Шиканов
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-20
Also published as: RU2012157875A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device includes vacuum accelerator tube with anode and cathode with target on the internal surface, pulse voltage generator, high-voltage actuation transformer with its high-voltage winding connected to accelerator tube cathode and low-voltage winding connected to accumulation capacitor via discharger. Accelerator tube anode is made in the form of two counter-directed rods in symmetrical position, rod ends bearing heads out of deuterium-saturated metal, one of rods is connected to primary winding of high-voltage transformer, second rod is grounded, and cathode with target are made in the form of cylinder housing the anode symmetrically.

EFFECT: enhanced power efficiency of neutron generation, reduced dimensions of device.

1 dwg

Description

Изобретение относится к приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии импульсных потоков ускоренных нуклидов водорода с твердыми мишенями, содержащими изотопы тяжелого водорода.The invention relates to devices for generating neutrons in the nuclear interaction of pulsed flows of accelerated hydrogen nuclides with solid targets containing heavy hydrogen isotopes.

Известны импульсные нейтронные генераторы (ИНГ) на основе вакуумных ускорительных трубок (ВУТ) [1,2], в которых осуществляется ускорение дейтронов и (или) тритонов к твердой мишени, содержащей тритий и (или) дейтерий, где в результате ядерных реакций синтеза образуется поток быстрых нейтронов.Known pulsed neutron generators (ING) based on vacuum accelerator tubes (VUT) [1,2], in which deuterons and (or) tritons are accelerated to a solid target containing tritium and (or) deuterium, where as a result of nuclear fusion reactions flux of fast neutrons.

В этих приборах ускорение дейтронов осуществляется вдоль оси симметрии ВУТ, что ограничивает первеанс ее диодной системы, а следовательно, и нейтронный поток, излучаемый мишенью. Поэтому такие приборы затруднительно использовать в транспортабельной аппаратуре нейтронного элементного анализа, а также для обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов и веществ.In these devices, deuterons are accelerated along the axis of symmetry of the VUT, which limits the perveance of its diode system and, consequently, the neutron flux emitted by the target. Therefore, such devices are difficult to use in transportable neutron element analysis equipment, as well as for the detection and identification of hidden dangerous objects and substances.

Известен также импульсный нейтронный генератор, принятый в качестве прототипа, описанный в работе [3]. Он содержит ВУТ с анодом, катодом и мишенью, расположенной на внутренней поверхности катода, накопительную емкость и генератор импульсных напряжений на основе высоковольтного трансформатора, высоковольтная обмотка которого соединена с катодом ВУТ, а низковольтная - с накопительной емкостью через разрядник.Also known is a pulsed neutron generator, adopted as a prototype, described in [3]. It contains a VUT with an anode, a cathode, and a target located on the inner surface of the cathode, a storage capacitance and a pulse voltage generator based on a high voltage transformer, the high voltage winding of which is connected to the VUT cathode, and the low voltage winding is connected to the storage capacitance through a spark gap.

Это техническое решение предполагает ускорение дейтронов в коаксиальной диодной системе в радиальном направлении, что позволяет значительно увеличить первеанс диодной системы, а следовательно, и нейтронный выход ИНГ.This technical solution involves the acceleration of deuterons in the coaxial diode system in the radial direction, which can significantly increase the perveance of the diode system, and hence the neutron yield of the ING.

Недостатками указанного устройства является его низкий энергетический кпд, связанный с большим электронным током, протекающим через диод, и значительные габариты.The disadvantages of this device is its low energy efficiency associated with a large electronic current flowing through the diode, and significant dimensions.

Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение энергетического кпд генерации нейтронов и уменьшение габаритов устройства.The technical result of the proposed device is to increase the energy efficiency of neutron generation and reduce the dimensions of the device.

Этот результат достигается тем, что в устройстве, содержащем вакуумную ускорительную трубку с анодом и катодом с мишенью, расположенной на его внутренней поверхности, генератор импульсных напряжений, включающий высоковольтный трансформатор, высоковольтная обмотка которого соединена с катодом ускорительной трубки, а низковольтная - с накопительной емкостью через разрядник, анод ускорительной трубки выполнен в виде двух встречных симметрично расположенных стержней, на торцах которых размещены насадки из металла, насыщенного дейтерием, один из стержней соединен с первичной обмоткой высоковольтного трансформатора, а второй заземлен, при этом катод с мишенью выполнены в виде цилиндра, симметрично охватывающего анод.This result is achieved by the fact that in a device containing a vacuum accelerator tube with an anode and a cathode with a target located on its inner surface, a pulse voltage generator including a high voltage transformer, a high voltage winding of which is connected to the cathode of the accelerator tube, and a low voltage coil with a storage capacitance through the spark gap, the anode of the accelerator tube is made in the form of two counter symmetrically opposed rods, at the ends of which are placed nozzles made of metal saturated with deuterium , one of the rods is connected to the primary winding of the high-voltage transformer, and the second is grounded, while the cathode with the target is made in the form of a cylinder symmetrically surrounding the anode.

Схематический разрез устройства представлен на фиг.1, представляет собой источник зарядного напряжения 1, балластное сопротивление 2, накопительную емкость 3, высоковольтный трансформатор 4, вакуумную ускорительную трубку, включающую катод 5, изоляторы 6, анод из стержней 7, нейтронообразующую мишень 8.A schematic section of the device is shown in FIG. 1, represents a charging voltage source 1, ballast resistance 2, storage capacitance 3, high voltage transformer 4, a vacuum accelerator tube including a cathode 5, insulators 6, an anode of rods 7, a neutron-forming target 8.

Устройство может работать в режиме автогенерации нейтронов и в управляемом режиме. В обоих случаях от источника зарядного напряжения через балластное сопротивление осуществляется зарядка накопительной емкости до напряжения от 2 до 10 кВ. При этом в режиме автогенерации это напряжение должно превышать напряжение пробоя в зазоре между анодными стержнями. По достижению пробойного напряжения происходит разряд между стержнями с образованием вакуумной дуги. Ее электродные пятна испускают струи плазмы, содержащей дейтроны.The device can operate in neutron auto-generation mode and in controlled mode. In both cases, the storage capacity is charged from the charging voltage source through the ballast to a voltage of 2 to 10 kV. Moreover, in auto-generation mode, this voltage should exceed the breakdown voltage in the gap between the anode rods. Upon reaching the breakdown voltage, a discharge occurs between the rods with the formation of a vacuum arc. Its electrode spots emit jets of plasma containing deuterons.

Одновременно на катоде формируется отрицательный ускоряющий импульс с амплитудой (10(Н500) кВ. Под действием возникающего радиального электрического поля осуществляется ускорение дейтронов к цилиндрической мишени, содержащей изотопы тяжелого водорода.At the same time, a negative accelerating pulse with an amplitude of (10 (H500) kV is formed at the cathode. Under the action of the arising radial electric field, deuterons are accelerated to a cylindrical target containing heavy hydrogen isotopes.

В результате протекания ядерных реакций T(d,n)⁴He или D(d,n)³He в мишени образуется поток быстрых нейтронов.As a result of nuclear reactions T (d, n) ⁴ He or D (d, n) ³ He, a fast neutron flux forms in the target.

Для эффективной работы устройства необходимо выполнение условий магнитной изоляции ускоряющего зазора, когда электроны не могут попадать на анод. В рассматриваемой ВУТ источником азимутального магнитного поля является ток I, протекающий по аноду в результате дугового разряда. Оценки показывают, что условием магнитной изоляции является выполнение неравенстваFor the effective operation of the device, it is necessary to fulfill the conditions of magnetic insulation of the accelerating gap, when electrons cannot reach the anode. In the considered VUT, the source of the azimuthal magnetic field is the current I flowing through the anode as a result of an arc discharge. Estimates show that the condition for magnetic isolation is the fulfillment of the inequality

,

где

Where

- ток Альвена, т.е.- масса и заряд электрона, U- амплитуда ускоряющего импульса, с- скорость света.is the Alfven current, i.e., is the mass and charge of the electron, U is the amplitude of the accelerating pulse, and c is the speed of light.

Благодаря магнитной изоляции осуществляется подавление электронной проводимости ускоряющего зазора. За счет этого происходит увеличение энергетического кпд генерации нейтронов и одновременное повышение нейтронного выхода за счет увеличения первеанса диодной системы.Thanks to magnetic insulation, the electronic conductivity of the accelerating gap is suppressed. Due to this, there is an increase in the energy efficiency of neutron generation and a simultaneous increase in the neutron yield due to an increase in the perveance of the diode system.

Разработка и внедрение предлагаемого устройства должны повысить производительность исследований горных пород, содержащих продуктивные углеводороды, уран и драгоценные металлы методом нейтронного элементного анализа, а также работ, связанных с поиском и идентификацией скрытых опасных предметов нейтронными методами.The development and implementation of the proposed device should increase the productivity of studies of rocks containing productive hydrocarbons, uranium and precious metals by the method of neutron elemental analysis, as well as work related to the search and identification of hidden dangerous objects by neutron methods.

Источники информацииInformation sources

1. Беспалов Д.Ф., Васин B.C., Овсянников СБ. Малогабаритные импульсные нейтронные трубки НТ-16, НТ-19. Сб. Скважинные генераторы нейтронов, ВНИИЯГТ, ОНТИ, м., 1973, с.81-87.1. Bespalov DF, Vasin B.C., Ovsyannikov SB. Small-sized pulsed neutron tubes NT-16, NT-19. Sat Downhole neutron generators, VNIIAGT, ONTI, m., 1973, pp. 81-87.

2. Бессарабский Ю.Г., Битулев А.А., Бобылев В.Т. и др. Импульсные нейтронные генераторы на вакуумных нейтронных трубках. Сб. материалов Международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», М., ВНИИА им. Н.Л. Духова, 2005, с.72-74.2. Bessarabsky Yu.G., Bitulev A.A., Bobylev V.T. etc. Pulse neutron generators on vacuum neutron tubes. Sat materials of the International scientific and technical conference "Portable neutron generators and technologies based on them", Moscow, VNIIA im. N.L. Dukhov, 2005, p. 72-74.

3. Козловский К.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. и др. Опыт создания малогабаритных нейтронных генераторов с лазерными источниками дейтронов, новые перспективы. Сб. материалов Международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе». -М.: ВНИИА им. Н.Л. Духова, 2005, с.127- 136.3. Kozlovsky K.I., Tsybin A.S., Shikanov A.E. et al. Experience in creating small-sized neutron generators with laser deuteron sources, new perspectives. Sat materials of the International scientific and technical conference "Portable neutron generators and technologies based on them." -M .: VNIIA them. N.L. Dukhov, 2005, p. 127-136.

Claims

A pulsed neutron generator containing a vacuum accelerator tube with an anode and a cathode with a target located on its inner surface, a pulse voltage generator including a high voltage transformer, the high voltage winding of which is connected to the cathode of the accelerator tube, and the low voltage with a storage capacitance through a spark gap, characterized in that that the anode of the accelerating tube is made in the form of two counter symmetrically opposed rods, at the ends of which are placed nozzles of metal saturated with deuterium In series, one of the rods is connected to the primary winding of the high-voltage transformer, and the second rod is grounded, while the cathode with the target is made in the form of a cylinder symmetrically surrounding the anode.