RU2707272C1

RU2707272C1 - Powerful neutron source using a nuclear synthesis reaction, which proceeds during bombardment of a neutron-forming gas target by accelerated deuterium ions

Info

Publication number: RU2707272C1
Application number: RU2019117444A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Голубев; Иван Владимирович Изотов; Вадим Александрович Скалыга; Сергей Владимирович Разин; Александр Васильевич Сидоров; Роман Анатольевич Шапошников; Алексей Феликсович Боханов; Михаил Юрьевич Казаков; Роман Львович Лапин; Сергей Сергеевич Выбин
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2019-11-26

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to a device for producing neutrons and can be used in fundamental and applied research: nuclear physics, spectrometry, neutron diffraction, medicine, safety systems, flaw detection, etc. Device uses an ion source based on the ECR discharge with quasi-gas-dynamic retention mode, the plasma in which is maintained by microwave radiation of a gyrotron of the millimeter wavelength range, and a system for generating and accelerating ions. Hole between the acceleration chamber and the chamber with the gas target is a channel whose dimensions correspond to the focal region of the above beam passing through it. In the developed device, the neutron flux with deuterium-containing target is estimated to exceed level 10¹¹ n/s due to maintaining pressure in acceleration chamber at level 10^-4 Torr and increasing pressure in reactor chamber to several Torr.

EFFECT: as a result, a high-current beam of accelerated deuterium ions with mean square reduced emittance not less than 0,05 π⋅mm⋅mrad is formed, with transverse size in focal area less than a millimeter and length of focal region of the order of several millimeters.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области прикладной ядерной физики, а именно к устройствам получения нейтронов и может быть использовано, как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях: в ядерной физике, спектрометрии, нейтронографии, медицине, системах безопасности, дефектоскопии и т.д.The invention relates to the field of applied nuclear physics, namely to devices for producing neutrons and can be used both in basic and applied research: in nuclear physics, spectrometry, neutron diffraction, medicine, security systems, flaw detection, etc.

В настоящее время для этих целей широко используются источники нейтронов различного типа: изотопные источники, ядерные реакторы, ускорители, D-D и D-T генераторы нейтронов и др. Одним из наиболее перспективных путей создания компактного мощного источника нейтронов, не использующего радиоактивные вещества, является разработка D-D генератора нового поколения. Это источник на основе реакции синтеза между двумя ядрами дейтерия, в результате которой образуется изотоп гелия и нейтрон с энергией 2,5 МэВ. Существенным преимуществом такой реакции является возможность ее реализации при низких энергиях - десятки кэВ, а также отсутствие вредных и радиоактивных элементов.For this purpose, various types of neutron sources are widely used: isotope sources, nuclear reactors, accelerators, DD and DT neutron generators, etc. One of the most promising ways to create a compact powerful neutron source that does not use radioactive substances is to develop a new DD generator generations. This is a source based on the synthesis reaction between two deuterium nuclei, resulting in the formation of a helium isotope and a neutron with an energy of 2.5 MeV. A significant advantage of this reaction is the possibility of its implementation at low energies - tens of keV, as well as the absence of harmful and radioactive elements.

D-D генератор нейтронов состоит из источника ионов дейтерия на основе разрядов различного типа, системы формирования и ускорения пучка ионов дейтерия, помещенных в ускорительную вакуумную камеру с низким давлением остаточного газа, и нейтронообразующей мишени, например титановой, насыщенной дейтерием (Н.А. Власов. Источники нейтронов. УФН, т. XLIII, вып. 2, с. 169-253, 1951). Генерируемый ионным источником поток ионов дейтерия ускоряется до энергии порядка 100 кэВ. Энергия 100 кэВ является техническим оптимумом, обеспечивающим уже достаточно высокое сечение реакции, но не требующим дополнительных мер по подготовке помещения. Ускоренный поток ионов дейтерия направляется на мишень, в которой и происходит ядерная реакция с испусканием нейтронов.A DD neutron generator consists of a source of deuterium ions based on discharges of various types, a system for the formation and acceleration of a deuterium ion beam placed in an accelerating vacuum chamber with a low residual gas pressure, and a neutron-forming target, for example, a titanium saturated with deuterium (N. Vlasov. Sources Neutrons, Physics-Uspekhi, vol. XLIII, issue 2, pp. 169-253, 1951). The deuterium ion flux generated by the ion source is accelerated to an energy of the order of 100 keV. An energy of 100 keV is a technical optimum, which provides a sufficiently high reaction cross section, but does not require additional measures to prepare the room. The accelerated flux of deuterium ions is directed to the target, in which a nuclear reaction occurs with the emission of neutrons.

Улучшение характеристик каждого из вышеперечисленных элементов генератора увеличивает генерируемый поток нейтронов. Плотность потока плазмы из ловушки определяет максимально возможную плотность тока ионного пучка. Система формирования ионного пучка определяет значения полного тока и плотности тока извлекаемого ионного пучка, а также его энергию, от которой сильно зависит сечение ядерной реакции, используемой для генерации нейтронов. Ток ионного пучка вносит свой пропорциональный вклад в итоговый нейтронный выход. Ключевым элементом генератора нейтронов является нейтронообразующая мишень, в настоящее время наиболее распространенной является твердотельная мишень, содержащая дейтерий или тритий, например TiD₂, которая должна работать при больших мощностях энерговыделения - на уровне 100 кВт. По патенту US 9805830 ((Generating neutron» (публ. 31.10.2017 г., МПК Н05Н 3/06) известен источник нейтронов, использующий для генерации нейтронов твердотельную мишень в форме цилиндра. Предложенная конструкция генератора нейтронов позволяет регулировать формы плазмы и мишени, что в конечном итоге позволяет увеличить срок службы твердотельной мишени. В патенте US 9008256 «Method and system for in situ depositon and regeneration of high efficiency target materials for long life nuclear reaction devices» (публ. 14.04.2015 г., МПК H05H 3/06, H05H 6/00) описан источник нейтронов с твердотельной мишенью. В заявленном изобретении предложен также способ осаждения и регенерации материала мишени in situ, направленный на увеличения срока службы и качества рабочей поверхности мишени. Однако разработка мощных источников нейтронов непрерывного действия с твердотельными мишенями сталкивается с существенными трудностями. Дело в том, что при бомбардировке твердотельной мишени пучком ионов дейтерия с энергией 100 кэВ вся энергия пучка выделяется в тонком (порядка 1 мкм) поверхностном слое. При этом мощность энерговыделения достигает десятков кВт и эту энергию необходимо отводить. Причем нельзя допустить перегрева поверхности, так как перегрев может приводить не только к разрушению мишени, но и десорбции дейтерия, то есть к снижению эффективности мишени. Например, для мишени из TiD₂ рабочая температура не должна превышать 400°С.Improving the characteristics of each of the above elements of the generator increases the generated neutron flux. The plasma flux density from the trap determines the maximum possible current density of the ion beam. The ion beam formation system determines the total current and current density of the extracted ion beam, as well as its energy, on which the cross section of the nuclear reaction used to generate neutrons strongly depends. The ion beam current contributes proportionally to the resulting neutron yield. A key element of a neutron generator is a neutron-forming target, currently the most common is a solid-state target containing deuterium or tritium, for example TiD ₂ , which should work at high energy release powers - at the level of 100 kW. According to the patent US 9805830 ((Generating neutron "(publ. 10/31/2017, IPC Н05Н 3/06), a neutron source is known that uses a solid-state target in the form of a cylinder to generate neutrons. The proposed design of the neutron generator allows you to adjust the shape of the plasma and the target, which ultimately allows you to increase the life of the solid target. In patent US 9008256 "Method and system for in situ depositon and regeneration of high efficiency target materials for long life nuclear reaction devices" (publ. 04/14/2015, IPC H05H 3/06 , H05H 6/00) describes a neutron source with a solid-state target. A method of deposition and regeneration of the target material in situ, aimed at increasing the service life and quality of the target surface of the target, however, the development of powerful sources of continuous neutrons with solid targets faces significant difficulties. The fact is that when bombarding a solid target with a beam of deuterium ions with an energy of 100 keV all beam energy is released in a thin (of the order of 1 μm) surface layer. In this case, the energy release power reaches tens of kW and this energy must be removed. Moreover, one must not allow overheating of the surface, since overheating can lead not only to destruction of the target, but also to desorption of deuterium, that is, to a decrease in the efficiency of the target. For example, for a TiD ₂ target, the operating temperature should not exceed 400 ° C.

В этой связи представляют несомненный интерес газовые мишени. Газовая мишень представляет собой реакторную камеру с протоком газа повышенного давления. Она отделена от ускорительной вакуумной камеры низкого давления (давление в которой поддерживается на уровне 10^-4-10^-5 Торр) перегородкой с отверстием малого диаметра, через которое проходит ускоренный пучок ионов дейтерия. Генераторы нейтронов с использованием газовых мишеней описаны, в том числе, на сайте https://phoenixwi.com.In this regard, gas targets are of undoubted interest. The gas target is a reactor chamber with a gas flow of high pressure. It is separated from the accelerating vacuum chamber of low pressure (the pressure in which is maintained at a level of 10 ^-4 -10 ^-5 Torr) by a partition with a small diameter hole through which an accelerated beam of deuterium ions passes. Neutron generators using gas targets are described, including on the website https://phoenixwi.com.

Использование газовой мишени позволяет существенно (обратно пропорционально плотности газа) увеличить размер области энерговыделения, и соответственно уменьшить уровень удельного энерговыделения, при этом выделившееся тепло уносится газовым потоком. Газовая мишень обладает, кроме того, и большей эффективностью образования нейтронов, поскольку реакция синтеза может происходить и при вторичных столкновениях частиц. При этом уменьшаются потери энергии пучка, связанные с возбуждением фононов в твердотельной мишени.The use of a gas target allows one to significantly (inversely proportional to the density of the gas) increase the size of the energy release region and, accordingly, reduce the level of specific energy release, while the released heat is carried away by the gas stream. The gas target also has a higher neutron production efficiency, since the fusion reaction can also occur in secondary particle collisions. In this case, the beam energy losses associated with the excitation of phonons in a solid target are reduced.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в патенте US 10206273 «High power ion beam generator systems and methods» (публ. 12.02.2019 г., МПК H05H 3/06, H05H 6/00), которое выбрано в качестве прототипа. Мощный источник нейтронов содержит ускорительную камеру низкого давления и реакторную камеру повышенного давления с газовой мишенью из нейтронообразующих газов, соединенные отверстием малого диаметра. В ускорительной камере размещен источник ускоренных ионов дейтерия. Поток этих ионов посредством системы фокусировки формируется в пучок, фокус которого совмещен с центром отверстия, и направляется в реакторную камеру. Перепад давления между ускорительной и реакторной камерами обеспечивается за счет системы дифференциальной откачки.The closest in technical essence is the device described in patent US 10206273 "High power ion beam generator systems and methods" (publ. 02/12/2019, IPC H05H 3/06, H05H 6/00), which is selected as a prototype. A powerful neutron source contains a low-pressure accelerator chamber and a high-pressure reactor chamber with a gas target of neutron-forming gases, connected by a small diameter hole. A source of accelerated deuterium ions is located in the accelerating chamber. The flow of these ions through the focusing system is formed into a beam, the focus of which is aligned with the center of the hole, and is sent to the reactor chamber. The pressure differential between the accelerator and reactor chambers is ensured by the differential pumping system.

Очевидно, что чем меньше диаметр отверстия между ускорительной и реакторной камерами, тем больший перепад давлений между этими камерами можно обеспечить. Для реализации такой схемы генератора нейтронов необходимо использовать сфокусированный пучок ионов, фокальная область которого располагается в отверстие между ускорительной и реакторной камерами. Качество пучка - его эмиттанс - определяет предельный размер пятна ионов в фокальной области. При использовании традиционных источников ионов дейтерия, которые характеризуются сравнительно низким качеством формируемых пучков ионов, не удается получить сходящиеся пучки ионов с поперечным размером пучка в фокальной области менее 1 мм. Этим существенным недостатком обладает и устройство - прототип, в котором поперечный размер пучка ускоренных ионов в фокальной области составляет несколько миллиметров. Соответственно размер отверстия между ускорительной и реакторной камерами также составляет порядка нескольких миллиметров, в таком случае между этими камерами сложно создать большой перепад давления. При обеспечении низкого давления (10^-4 Торр) в ускорительной камере, давление в реакторной камере не может быть большим с учетом конструкции устройства - прототипа. Согласно расчетам давление в реакторной камере устройства - прототипа оказывается существенно меньше 1 Торр. В этих условиях для увеличения нейтронного выхода размеры реакторной камеры необходимо увеличивать. Кроме того поддержание разницы давлений, обеспечивающей заявленный уровень выхода нейтронов в устройстве - прототипе, возможно лишь при применении дорогостоящего высоковакуумного оборудования с высокой производительностью. Таким образом, в прототипе за счет отсутствия большого градиента давления между камерами невозможно увеличить эффективность генерации нейтронов.Obviously, the smaller the diameter of the hole between the accelerator and reactor chambers, the greater the pressure difference between these chambers can be achieved. To implement such a scheme of a neutron generator, it is necessary to use a focused ion beam, the focal region of which is located in the hole between the accelerator and reactor chambers. The quality of the beam — its emittance — determines the limiting size of the ion spot in the focal region. When using traditional sources of deuterium ions, which are characterized by a relatively low quality of the formed ion beams, it is not possible to obtain converging ion beams with a transverse beam size in the focal region of less than 1 mm. This significant drawback also has a device - a prototype, in which the transverse size of the beam of accelerated ions in the focal region is several millimeters. Accordingly, the size of the hole between the accelerator and reactor chambers is also about several millimeters, in which case it is difficult to create a large pressure drop between these chambers. Providing low pressure (10 ^-4 Torr) in the accelerator chamber, the pressure in the reactor chamber cannot be large, taking into account the design of the prototype device. According to the calculations, the pressure in the reactor chamber of the prototype device is significantly less than 1 Torr. Under these conditions, to increase the neutron yield, the dimensions of the reactor chamber must be increased. In addition, maintaining the pressure difference, which ensures the declared level of neutron yield in the prototype device, is possible only with the use of expensive high-vacuum equipment with high performance. Thus, in the prototype due to the absence of a large pressure gradient between the cameras, it is impossible to increase the efficiency of neutron generation.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка мощного компактного источника нейтронов, использующего сильноточный пучок ионов высокого качества, который вводится в реакторную камеру с газовой мишенью через канал уменьшенного диаметра, что позволяет поддерживать давление в ускорительной камере на уровне 10^-4 Торр и увеличивать давление в реакторной камере до нескольких Торр, в результате чего нейтронный выход мощного компактного источника нейтронов достигает уровня 10¹¹ n/с.The problem to which the present invention is directed, is the development of a powerful compact neutron source using a high-current high-quality ion beam, which is introduced into the reactor chamber with a gas target through a channel of reduced diameter, which allows maintaining the pressure in the accelerator chamber at the level of 10 ^-4 Torr and increase the pressure in the reactor chamber to several Torr, as a result of which the neutron yield of a powerful compact neutron source reaches 10 ¹¹ n / s.

Технический результат достигается тем, что разработанный мощный компактный источник нейтронов, так же как и устройство - прототип, содержит источник ускоренных ионов дейтерия, помещенный в ускорительную камеру низкого давления, систему фокусировки пучка ускоренных ионов дейтерия, расположенную в ускорительной камере, реакторную камеру повышенного давления с газовой мишенью из нейтронообразующих газов, соединенную с упомянутой ускорительной камерой отверстием малого диаметра, через которое пучок ускоренных ионов дейтерия поступает в реакторную камеру, причем фокус вышеупомянутого пучка совмещен с центром отверстия, систему дифференциальной откачки, присоединенную к ускорительной и реакторной камерам, обеспечивающую в совокупности с упомянутым отверстием необходимый перепад давления между ускорительной камерой и реакторной камерой.The technical result is achieved by the fact that the developed powerful compact source of neutrons, like the prototype device, contains a source of accelerated deuterium ions placed in an accelerating chamber of low pressure, a focusing system for a beam of accelerated ions of deuterium located in the accelerating chamber, and a reactor chamber of increased pressure with a gas target of neutron-forming gases, connected to the accelerator chamber with a small diameter hole through which a beam of accelerated deuterium ions enters a reactor chamber, wherein the aforementioned focus beam is aligned with the center of the hole, a differential pumping system connected to the accelerator and the reactor chamber providing in combination with said desired opening pressure difference between the accelerating chamber and the reaction chamber.

Новым в разработанном мощном компактном источнике нейтронов является то, что в качестве источника ускоренных ионов дейтерия используется источник ионов на основе ЭЦР разряда с квазигазодинамическим режимом удержания, плазма в котором поддерживается микроволновым излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн, система формирования и ускорения ионов, состоящая из, по крайней мере, двух электродов, на которые подается ускоряющее напряжение, в результате чего формируется сильноточный (полный ток до 1 А) пучок ускоренных ионов дейтерия (с энергией до 100 эВ) со среднеквадратичным приведенным эмиттансом не хуже чем 0,05⋅π⋅мм⋅мрад. Система фокусировки пучка ускоренных ионов дейтерия, представляющая собой магнитную линзу, фокусирует вышеописанный пучок в пучок с поперечным размером в фокальной области меньше миллиметра и протяженностью фокальной области порядка нескольких миллиметров. При этом отверстие между ускорительной и реакторной камерами представляет собой канал, то есть отверстие, длина которого больше его диаметра, а размеры канала соответствуют фокальной области проходящего через него вышеописанного пучка, то есть диаметр канала - меньше миллиметра, а длина канала порядка нескольких миллиметров.New in the developed powerful compact neutron source is that an ion source based on an ECR discharge with a quasi-gasdynamic confinement mode is used as a source of accelerated deuterium ions, a plasma in which is supported by microwave radiation of a millimeter-wave gyrotron, and an ion formation and acceleration system consisting of at least two electrodes to which an accelerating voltage is applied, as a result of which a high-current (full current up to 1 A) beam of accelerated ions Teria (with energy up to 100 eV) with mean given emittance of not worse than 0,05⋅π⋅mm⋅mrad. The focusing system of a beam of accelerated deuterium ions, which is a magnetic lens, focuses the above beam into a beam with a transverse size in the focal region of less than a millimeter and a focal region of the order of several millimeters. In this case, the hole between the accelerator and reactor chambers is a channel, that is, a hole whose length is greater than its diameter, and the channel dimensions correspond to the focal region of the above described beam passing through it, that is, the channel diameter is less than a millimeter, and the channel length is of the order of several millimeters.

Как уже отмечалось, важным элементом генератора нейтронов является источник ускоренных ионов дейтерия, причем одним из естественных путей повышения выхода нейтронов является увеличение тока ионного пучка, бомбардирующего мишень. Это можно осуществить за счет увеличения плотности плазмы в источнике ионов. Авторами заявки предложен ЭЦР источник ионов с плотной плазмой с использованием миллиметрового излучения гиротрона. За счет высокой частоты поддерживающего ЭЦР разряд СВЧ излучения (в современных источниках используется излучение гиротронов с частотой до 60 ГГц) в открытой магнитной ловушке источника создается плазма с уникальными параметрами: плотностью свыше 10¹³ см^-3, температурой электронов на уровне от нескольких десятков до сотен эВ. В традиционных ЭЦР источниках используют для накачки излучение с частотой 10-18 ГГц. В заявленном устройстве существенное, более чем на порядок по сравнению с обычными источниками, увеличение плотности плазмы приводит к изменению характера удержания плазмы в ловушке. Реализуется так называемый квазигазодинамический (КГД) режим удержания, при котором время жизни плазмы слабо зависит от ее плотности, вследствие чего при увеличении плотности плазмы улучшаются условия для образования ионов - растет параметр удержания N_e τ, где N_e - плотность плазмы, τ - время жизни плазмы. Переход к квазигазодинамическому режиму удержания происходит при высоких плотностях плазмы, когда частота рассеяния электронов в конус потерь становится выше, чем максимально возможная частота потерь частиц плазмы из ловушки, определяемая ее выносом со скоростью ионного звука. В такой ситуации конус потерь в пространстве скоростей на функции распределения электронов оказывается заполненным, а время жизни плазмы перестает зависеть от плотности плазмы (от частоты рассеяния электронов в конус потерь). Время жизни плазмы в источнике с таким режимом удержания, определяемое газодинамическим временем пролета плазмы через ловушку, находят из выражения: τ=L⋅lnR/V_is, где L - размер ловушки, R - пробочное отношение, V_is - скорость ионного звука. Время жизни плазмы зависит от размера ловушки, от структуры магнитного поля для систем пробочной конфигурации магнитного поля, температуры электронов, массы ионов, определяющих скорость ионного звука и оказывается существенно ниже (в условиях экспериментов - на уровне 10 мкс), чем в случае классических источников. Это обеспечивает существенное увеличение плотности потока I частиц из ловушки (I ~ N_e/τ, где N_e - плотность плазмы).As already noted, an important element of the neutron generator is the source of accelerated deuterium ions, and one of the natural ways to increase the neutron yield is to increase the current of the ion beam bombarding the target. This can be done by increasing the plasma density in the ion source. The authors of the application proposed an ECR source of dense plasma ions using millimeter-wave radiation of a gyrotron. Due to the high frequency of the ECR-supporting microwave discharge (in modern sources, gyrotron radiation with a frequency of up to 60 GHz is used), a plasma with unique parameters is created in the open magnetic trap of the source: with a density of more than 10 ¹³ cm ^-3 , electron temperature from several tens to hundreds eV. In traditional ECR sources, radiation with a frequency of 10-18 GHz is used for pumping. In the claimed device, a significant, more than an order of magnitude compared to conventional sources, increase in plasma density leads to a change in the nature of plasma confinement in a trap. The so-called quasi-gasdynamic (QGD) confinement mode is realized, in which the plasma lifetime weakly depends on its density, as a result of which the conditions for the formation of ions improve with increasing plasma density - the confinement parameter N _e τ increases, where N _e is the plasma density, τ is the time plasma life. The transition to the quasi-gasdynamic confinement regime occurs at high plasma densities, when the frequency of electron scattering into the loss cone becomes higher than the maximum possible frequency of plasma particle losses from the trap, determined by its removal at the speed of ionic sound. In such a situation, the loss cone in the velocity space on the electron distribution function is filled, and the plasma lifetime ceases to depend on the plasma density (on the frequency of electron scattering into the loss cone). The plasma lifetime in a source with such a confinement regime, determined by the gas-dynamic plasma transit time through the trap, is found from the expression: τ = L⋅lnR / V _is , where L is the trap size, R is the cork ratio, V _is is the speed of ionic sound. The plasma lifetime depends on the size of the trap, on the structure of the magnetic field for systems of the plug configuration of the magnetic field, electron temperature, and ion mass, which determine the speed of ionic sound and turn out to be significantly lower (under experimental conditions, at the level of 10 μs) than in the case of classical sources. This provides a significant increase in the flux density I of particles from the trap (I ~ _Ne / τ, where _Ne is the plasma density).

При этом параметр удержания N_e⋅τ, определяющий степень ионизации плазмы, при высокой ее плотности может быть достаточно большим и обеспечивает почти полную ионизацию водорода (дейтерия). Именно эти особенности ЭЦР разряда, поддерживаемого миллиметровым излучением, а именно низкое значение времени жизни в сочетании с высокой плотностью, обеспечивают рекордный поток плазмы через пробки ловушки с плотностью на уровне нескольких ампер через квадратный сантиметр. Согласование излучения с плотной замагниченной плазмой осуществляют в условиях электронно-циклотронного резонанса, причем ввод СВЧ пучка электромагнитных волн в зону ЭЦР должен осуществляться под малым углом к магнитным силовым линиям со стороны сильного магнитного поля. Именно такие условия ввода, при плотности плазмы меньше критической, обеспечивают заметное поглощение СВЧ излучения плазмой ЭЦР разряда. (RU 2480858 «Сильноточный источник многозарядных ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке», публ. 27.01.2013 г., МПК H01J 27/16, Н05Н 1/46). Использование импульсного режима работы нового типа ЭЦР источника ионов (источника с КГД режимом удержания плазмы) позволило получить потоки плазмы на уровне 10 А/см² и формировать пучки ионов в импульсном режиме работы с рекордными параметрами: плотностью тока до 800 мА/см², полным током до 400 мА, долей атомарных ионов дейтерия свыше 90%.Moreover, the retention parameter N _e ⋅τ, which determines the degree of plasma ionization, at its high density can be quite large and provides almost complete ionization of hydrogen (deuterium). It is these features of the ECR discharge supported by millimeter radiation, namely the low value of the lifetime, combined with a high density, that provides a record plasma flow through the trap plugs with a density of several amperes per square centimeter. The coordination of radiation with a dense magnetized plasma is carried out under conditions of electron-cyclotron resonance, and the introduction of a microwave beam of electromagnetic waves into the ECR zone should be carried out at a small angle to the magnetic field lines from the side of a strong magnetic field. It is these input conditions, when the plasma density is less than critical, that provide a noticeable absorption of microwave radiation by an ECR discharge plasma. (RU 2480858 “High-current source of multiply charged ions based on electron-cyclotron resonant discharge plasma held in an open magnetic trap”, publ. January 27, 2013, IPC H01J 27/16, Н05Н 1/46). Using the pulse mode of operation of a new type of ECR ion source (source with a QGD plasma confinement mode) allowed us to obtain plasma flows at a level of 10 A / cm ² and to form ion beams in a pulse mode of operation with record parameters: current density up to 800 mA / cm ² , full current up to 400 mA, fractions of atomic ions of deuterium over 90%.

Таким образом, в разработанном мощном компактном источнике нейтронов для получения сильноточного (полный ток до 1 А) пучка ускоренных ионов дейтерия (с энергией до 100 эВ) со среднеквадратичным приведенным эмиттансом не хуже чем 0,05⋅π⋅мм⋅мрад используют источник ионов на основе ЭЦР разряда с квазигазодинамическим режимом удержания, плазма в котором поддерживается микроволновым излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн, с системой формирования и ускорения ионов.Thus, in the developed powerful compact neutron source, to obtain a high-current (total current up to 1 A) beam of accelerated deuterium ions (with energies up to 100 eV) with a mean-square reduced emittance no worse than 0.05⋅π⋅mm⋅mrad, an ion source is used on based on an ECR discharge with a quasi-gasdynamic confinement regime, the plasma in which is supported by microwave radiation of a millimeter-wave gyrotron, with a system for the formation and acceleration of ions.

В частном случае между ускорительной и реакторной камерами введена добавочная камера с системой высоковакуумной откачки, а в боковой стенке канала, соединяющего ускорительную и реакторную камеры, выполнено, по крайней мере, одно дополнительное отверстие, соединяющее упомянутую добавочную камеру с пространством внутри канала.In a particular case, an additional chamber with a high-vacuum pumping system is introduced between the accelerator and reactor chambers, and at least one additional hole is made in the side wall of the channel connecting the accelerator and reactor chambers connecting the said additional chamber with the space inside the channel.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами.The invention is illustrated by the following figures.

На фиг. 1 представлена схема разработанного источника нейтронов согласно п. 1 формулы.In FIG. 1 is a diagram of the developed neutron source according to paragraph 1 of the formula.

На фиг. 2 представлена схема разработанного источника нейтронов согласно п. 2 формулы, содержащего добавочную камеру с системой высоковакуумной откачки.In FIG. 2 is a diagram of a developed neutron source according to claim 2 of the formula containing an additional chamber with a high-vacuum pumping system.

Разработанный источник нейтронов, схема которого представлена на фиг. 1, содержит ускорительную камеру 1 низкого давления и реакторную камеру 2 повышенного давления, соединенные каналом 3 малого диаметра. В ускорительной камере 1 последовательно расположены источник ионов 4 дейтерия, система формирования и ускорения 5 пучка ионов 6 дейтерия, состоящая из двух или более аксиально симметричных электродов, система компенсации заряда 7 пучка ионов 6, система фокусировки 8 пучка ионов 6. Реакторная камера 2 содержит газовую мишень, состоящую из нейтронообразующих газов (например, дейтерия). К ускорительной камере 1 и реакторной камере 2 присоединена система высоковакуумной откачки 9.The developed neutron source, the circuit of which is presented in FIG. 1, comprises an accelerator chamber 1 of low pressure and a reactor chamber 2 of high pressure, connected by a channel 3 of small diameter. In the accelerator chamber 1, a source of 4 ions of deuterium is sequentially located, a system of formation and acceleration of 5 ion beams of 6 deuterium, consisting of two or more axially symmetric electrodes, a charge compensation system of 7 ion beams 6, a focusing system of 8 ion beams 6. Reactor chamber 2 contains a gas a target consisting of neutron-forming gases (e.g. deuterium). The accelerator chamber 1 and the reactor chamber 2 are connected to a high-vacuum pumping system 9.

В частном случае выполнения источника нейтронов по п. 2 формулы (фиг. 2) введена добавочная камера 10 с системой высокопроизводительной вакуумной откачки 9, соединенная, по крайней мере, одним дополнительным отверстием 11 с каналом 3 ввода пучка ионов 6.In the particular case of performing the neutron source according to claim 2 of the formula (Fig. 2), an additional chamber 10 is introduced with a high-performance vacuum pumping system 9 connected by at least one additional hole 11 to the channel 3 for introducing the ion beam 6.

Разработанный источник нейтронов, представленный на фиг. 1, работает следующим образом.The developed neutron source shown in FIG. 1, works as follows.

В качестве источника ионов 4 дейтерия используется источник, в котором происходит разряд в открытой магнитной ловушке, и он поддерживается мощным миллиметровым излучением гиротрона в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), плотность плазмы в котором поддерживается не ниже уровня 10¹³ см^-3. При этом плотность образуемой плазмы более чем на порядок превосходит плотность плазмы в традиционных ЭЦР источниках. С увеличением плотности плазмы в разряде происходит смена режима удержания плазмы - реализуется, так называемый, квазигазодинамический режим удержания с заполненным конусом потерь. Время жизни плазмы в таком режиме, определяемое временем пролета ловушки ионами, составляет 10 мкс. Малое время жизни плазмы в совокупности с большой плотностью обеспечивает возможность получать через пробки ловушки потоки плазмы с рекордными параметрами - эквивалентный ток плазмы более 10 А. Формирование пучка ионов 6 происходит с использованием двух или более электродов, образующих систему формирования и ускорения 5 пучка ионов 6, на которые подают высоковольтное напряжение. На выходе системы формирования и ускорения 5 получают пучок ионов 6 с энергий порядка 100 кэВ (оптимальной для ядерной реакции синтеза), током на уровне 1 А и нормализованным эмиттансом ~ 0,05⋅π⋅мм⋅мрад.As a source of 4 deuterium ions, a source is used in which a discharge occurs in an open magnetic trap, and it is supported by powerful millimeter-wave radiation of a gyrotron under electron-cyclotron resonance (ECR) conditions, the plasma density in which is maintained at a level of 10 ¹³ cm ^-3 . In this case, the density of the formed plasma exceeds the plasma density in traditional ECR sources by more than an order of magnitude. With an increase in the plasma density in the discharge, the plasma confinement regime changes - the so-called quasi-gasdynamic confinement regime with a filled loss cone is realized. The plasma lifetime in such a regime, determined by the time of flight of the trap by ions, is 10 μs. A short plasma lifetime combined with a high density makes it possible to obtain plasma flows with record parameters through trap plugs — an equivalent plasma current of more than 10 A. The formation of an ion beam 6 occurs using two or more electrodes forming a system for the formation and acceleration of 5 ion beam 6, to which high voltage is applied. At the output of the formation and acceleration system 5, an ion beam of 6 is obtained with energies of the order of 100 keV (optimal for the nuclear fusion reaction), a current of 1 A and a normalized emittance of ~ 0.05⋅π⋅mm⋅mrad.

Полученный сильноточный ускоренный пучок ионов 6 дейтерия с рекордной яркостью с помощью системы фокусировки 8, выполненной в виде магнитной линзы, фокусируют в канал 3, соединяющий ускорительную камеру 1 и реакторную камеру 2. Для реализации предельного сжатия пучка ионов 6 используют систему компенсации заряда 7, которая в простейшем случае представляет собой устройство дополнительной подачи нейтрального газа в область пучка ионов 6 на входе в систему фокусировки 8. Нейтральный газ в этой области ионизуется, и образовавшиеся электроны втягиваются в область пучка ионов 6, компенсируя его пространственный заряд. Используя длиннофокусную систему фокусировки 8, получают пучок ионов 6, имеющий в фокальной области поперечный размер менее 1 мм (предельное сжатие - 200 мкм) и протяженность фокальной области ~5 мм. Это позволяет использовать для ввода пучка ионов 6 в реакторную камеру 2 с газовой мишенью протяженное отверстие (канал 3) с существенно меньшим, по сравнению с прототипом, диаметром. Благодаря этому возможно обеспечить большое давление в реакторной камере 2 на уровне нескольких Торр. Таким образом, сильноточный ускоренный пучок ионов 6 дейтерия попадает в реакторную камеру 2, заполненную дейтерием при повышенном давлении, где происходит D-D реакция синтеза с выделением нейтронов. Повышенное давление внутри реакторной камеры 2 увеличивает эффективностью образования нейтронов, поскольку реакция синтеза может происходить, в том числе, и при вторичных столкновениях частиц.The obtained high-current accelerated ion beam 6 of deuterium with record brightness using a focusing system 8, made in the form of a magnetic lens, is focused into a channel 3 connecting the accelerating chamber 1 and the reactor chamber 2. To realize the maximum compression of the ion beam 6, a charge compensation system 7 is used, which in the simplest case, it is a device for additional supply of a neutral gas to the region of the ion beam 6 at the entrance to the focusing system 8. The neutral gas in this region is ionized, and the electrons generated the shrinkage in the region of the ion beam 6, compensating for its space charge. Using a telephoto focusing system 8, an ion beam 6 is obtained having a transverse size of less than 1 mm in the focal region (ultimate compression is 200 μm) and a focal region of ~ 5 mm. This allows you to use to enter the ion beam 6 into the reactor chamber 2 with a gas target, an extended hole (channel 3) with a significantly smaller diameter compared to the prototype. Due to this, it is possible to provide a large pressure in the reactor chamber 2 at the level of several Torr. Thus, a high-current accelerated beam of deuterium ions 6 enters the reactor chamber 2 filled with deuterium at elevated pressure, where a D-D fusion reaction with the release of neutrons occurs. The increased pressure inside the reactor chamber 2 increases the efficiency of neutron production, since the synthesis reaction can occur, including during secondary particle collisions.

Дальнейшее усовершенствование работы источника нейтронов может быть связано с увеличением эффективности генерации нейтронов за счет еще большего увеличения плотности дейтерия в реакторной камере 2. Согласно п. 2 формулы между ускорительной 1 и реакторной 2 камерами вводят добавочную камеру 10 с системой высокопроизводительной вакуумной откачки 9, соединенную с каналом 3 ввода пучка ионов 6, по крайней мере, одним дополнительным отверстием 11, выполненным в боковой стенке канала 3. Такая добавочная камера 10 обеспечивает дополнительную откачку газа из канала 3, и тем самым позволяет поддерживать большее давление в реакторной камере 2, сохраняя при этом давление в ускорительной камере 1 на уровне 10^-4 Торр, и, соответственно, получать большую эффективность генерации нейтронов. Для увеличения производительности откачки через дополнительное отверстие 11 целесообразно увеличивать размер добавочной камеры 10 по мере удаления от оси системы. Увеличение объема камеры 10 возможно осуществить, например, за счет увеличения по мере удаления от оси системы размера камеры, параллельного этой оси.Further improvement in the operation of the neutron source can be associated with an increase in the efficiency of neutron generation due to an even greater increase in the density of deuterium in the reactor chamber 2. According to paragraph 2 of the formula, between the accelerator 1 and reactor 2 chambers, an additional chamber 10 is introduced with a high-performance vacuum pumping system 9 connected to channel 3 of the input of the ion beam 6, at least one additional hole 11 made in the side wall of the channel 3. Such an additional chamber 10 provides additional pumping in the gas from the duct 3, thus allowing greater pressure to maintain in the reaction chamber 2, while maintaining pressure in the accelerating chamber at the level of 1 × 10 ^-4 Torr, and thus obtain greater efficiency of neutron generation. To increase the pumping capacity through the additional hole 11, it is advisable to increase the size of the additional chamber 10 with distance from the axis of the system. It is possible to increase the volume of the chamber 10, for example, by increasing the size of the chamber parallel to this axis as the distance from the system axis increases.

В случае практической реализации экстракция и формирование ускоренного пучка ионов 6 осуществлялась двухэлектродной системой 5 с напряжением экстракции до 80 кВ. Система экстракции располагалась в 10 см за пробкой магнитной ловушки, где за счет разлета плазмы по силовым линиям магнитного поля плотность ее потока существенно уменьшалась, приближаясь к оптимальной для используемого напряжения экстракции. В результате получены ускоренные пучки ионов 6 с энергией до 80 кэВ со среднеквадратичным приведенным эмиттансом не хуже чем 0,05⋅π⋅мм⋅мрад. Исследования возможности фокусировки полученных пучков ионов 6 проводились с использованием простейшей фокусирующей системы 8 - магнитной линзы (диаметр входного отверстия 3 см, длина 10 см, максимальная напряженность магнитного поля 2 Тл), установленной за экстрактором. Расчет траекторий пучка ионов 6 квазигазодинамического источника ионов 4 выполнялся с помощью библиотеки программ IBSimu. Он показал при длиннофокусной фокусировке возможность получения в фокальной области пучка ионов 6 с поперечным размером менее 1 мм (предельное сжатие - 200 мкм) и протяженностью ~5 мм. В рассматриваемом случае поток нейтронов из источника с дейтерий содержащей мишенью по оценкам превысил уровень 10¹¹ n/с. Таким образом, разработанное авторами устройство позволяет решить поставленную задачу.In the case of practical implementation, the extraction and formation of an accelerated ion beam 6 was carried out by a two-electrode system 5 with an extraction voltage of up to 80 kV. The extraction system was located 10 cm behind the stopper of the magnetic trap, where due to the expansion of the plasma along the lines of force of the magnetic field, its flux density decreased significantly, approaching the optimal extraction voltage used. As a result, accelerated ion beams of 6 with an energy of up to 80 keV with a mean-square reduced emittance no worse than 0.05⋅π⋅mm⋅mrad were obtained. Investigations of the possibility of focusing the obtained ion beams 6 were carried out using the simplest focusing system 8 — a magnetic lens (inlet diameter 3 cm, length 10 cm, maximum magnetic field strength 2 T) installed behind the extractor. The trajectories of the ion beam 6 of the quasi-gas-dynamic ion source 4 were calculated using the IBSimu program library. With long-focusing, he showed the possibility of obtaining in the focal region of the ion beam 6 with a transverse size of less than 1 mm (ultimate compression - 200 μm) and a length of ~ 5 mm. In the case under consideration, the neutron flux from a source with a deuterium containing target is estimated to exceed 10 ¹¹ n / s. Thus, the device developed by the authors allows us to solve the problem.

Claims

1. A powerful neutron source using a nuclear fusion reaction proceeding during the bombardment of a neutron-forming gas target by accelerated deuterium ions, containing a source of accelerated deuterium ions placed in a low-pressure accelerator chamber, a focusing system of an accelerated deuterium ion beam located in the accelerator chamber, and a high-pressure reactor chamber with a gas target of neutron-forming gases, connected to the said accelerator chamber with a small diameter hole through which the beam is accelerated deuterium ion ions enters the reactor chamber, wherein the focus of the aforementioned beam is aligned with the center of the hole, a differential pumping system connected to the accelerator and reactor chambers, which together with the aforementioned hole provides the necessary pressure difference between the accelerator chamber and the reactor chamber, characterized in that as The source of accelerated deuterium ions uses an ion source based on an ECR discharge with a quasi-gas-dynamic confinement regime, the plasma in which is supported by by the wave radiation of a millimeter-wave gyrotron, and an ion generation and acceleration system consisting of at least two electrodes to which an accelerating voltage is applied, as a result of which a high-current beam of accelerated deuterium ions with a mean-square reduced emittance is formed no worse than 0.05 ⋅π⋅mm⋅mrad, then the beam of accelerated deuterium ions is fed to the beam focusing system, which is a magnetic lens focusing the above beam into a beam with a transverse focal size th region is less than a millimeter and the focal region is of the order of several millimeters, while the hole between the accelerator and reactor chambers is a channel, that is, a hole longer than its diameter, and the channel dimensions correspond to the focal region of the above described beam passing through it, i.e., the channel diameter - less than a millimeter, and the channel length is of the order of several millimeters.

2. A powerful neutron source that uses a nuclear fusion reaction during the bombardment of a neutron-generating gas target by accelerated deuterium ions according to claim 1, characterized in that an additional chamber with a high-vacuum pumping system is introduced between the accelerator and reactor chambers, and in the side wall of the channel connecting the accelerator and a reactor chamber, at least one additional hole is made connecting said additional chamber with the space inside the channel.