ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ

Предполагаемая полезная модель относится к области нейтронной техники, конкретно, к устройствам для генерации нейтронов при взаимодействии ускоренных нуклидов водорода с твердыми мишенями.
4
Известны нейтронные генераторы на основе ускорительных трубок (УТ) [1], в которых осуществляется ускорение дейтронов к твердой мишени, содержащей тритий, где в результате ядерной реакции T(d, n)He образуется поток быстрых нейтронов. Недостатком этих приборов - аналогов является наличие в мишени УТ трития, что усложняет обеспечение необходимых условий радиационной безопасности при монтаже и эксплуатации нейтронных генераторов.
Этого недостатка лишено техническое решение, описанное в работе [2], в котором генерация нейтронов может осуществляться в результате бомбардировки дейтронами титана-дейтериевых, углеродных и бериллиевых мишеней за счет возможности ускорения дейтронов до энергий ≥300 кэВ. При этом ускорение дейтронов осуществляется в процессе инжекции импульсного потока электронов в цилиндрическую рабочую вакуумную камеру (трубу дрейфа), где при электростатическом запирании электронного потока формируется потенциальная яма. Синхронно с этим процессом в области потенциальной ямы с помощью импульсного лазера создают плазменное облако, содержащее нейтральные атомы дейтерия. Они ионизуются электронным ударом.
a
e
i
Для формирования потенциальной ямы необходимо, чтобы электронный ток превышал некоторое критическое значение, определяемое отношением радиусов трубы дрейфа и электронного пучка χ=R/, относительной полной энергией электронов γ, а также электронной n концентрации и ионной концентрации n(t), зависящей от времени [3]:
A
где I≈17 кА - ток Альвена. В результате компенсации объемного заряда электронов образуемыми ионами потенциальная яма приходит в движение и ионы, захваченные в ее объеме, начинают ускоряться к нейтронообразующей мишени до энергий порядка глубины потенциальной ямы [4]
6
Описанное выше устройство [2] с генерацией лазерной плазмы в области формирования потенциальной ямы взято за прототип. Его основным недостатком является низкая эффективность генерации нейтронов с выходом не более 10 нейтрон/импульс.
Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение нейтронного выхода при сохранении или уменьшении его габаритов.
Этот результат достигается тем, что в устройстве, содержащем источник импульсного напряжения с формирующей линией, камеру с двухэлектродным разрядником, соединенным с источником импульсного напряжения, анод в виде симметрично охватывающей катод цилиндрической трубы дрейфа длиной H с оптическим окном и расположенной на его заднем торце нейтронообразующей мишенью, взрывоэмиссионный игольчатый катод, расположенный соосно с трубой дрейфа в области его переднего торца, плазмообразующую мишень, импульсный лазер, блок синхронизации запуска лазера и ГИН, фокусирующую линзу, расположенную между импульсным лазером и плазмообразующей мишенью, согласно предлагаемой полезной модели устройство содержит второе оптическое окно в камере двухэлектродного разрядника и вторую фокусирующую линзу перед ним, частично прозрачное зеркало, расположенное на трассе лазерного луча под углом π/4 напротив окна в камере разрядника, и зеркало, расположенное за ним на трассе лазерного луча под углом π/4 напротив окна в трубе дрейфа, спиральную линию конической формы, расположенную соосно с трубкой дрейфа, с углом полураствора конуса α в сторону анода, лежащим в пределах π/6≤α≤π/4, имеющей вдоль оси спирали длину h, находящуюся в пределах (H/3)≤h≤(H/2), при этом плазмообразующая мишень расположена внутри спирали на расстоянии l≈h/3 от катода и на расстоянии r=ρ+(h/3)·tgα от оси спирали, где ρ - радиус катода. Геометрические параметры конической спиральной линии и оптимальное расположение плазмообразующей мишени анализировались в компьютерном эксперименте с целью увеличения нейтронного выхода, а их обоснование рассмотрено ниже.
Предлагаемое устройство поясняется Фиг. 1, на которой представлена схема расположения элементов импульсного генератора нейтронов, содержащая следующие позиции: 1 - источник импульсного напряжения с формирующей линией; 2 - изоляторы; 3 - разрядник-обостритель; 4 - игольчатый катод; 5 - нейтроннообразующая мишень; 6 - труба дрейфа (анод диода); 7 - импульсный лазер; 8 - плазмообразующая мишень; 9 - спиральная линия; 10 - оптические окна; 11, 12 - фокусирующие линзы; 13 - частично прозрачное зеркало; 14 - зеркало; 15 - блок запуска лазера.
Устройство работает следующим образом. Согласно схеме, представленной на Фиг. 1, нарастающий отрицательный потенциал от источника импульсного напряжения с формирующей линией 1 подается на левый электрод разрядника 3. При определенном заданном напряжении на разряднике с помощью исполнительного устройства 15 запускается лазер 7, работающий в режиме модулированной добротности. Основная часть излучения лазера проходит через частично прозрачное зеркало 13 и с помощью зеркала 14 и линзы 12 фокусируется на плазмообразующую мишень 8, расположенную на спиральной линии 9. Другая меньшая часть лазерного излучения отражается от зеркала 13, фокусируется линзой 11, попадает на электрод разрядника и вызывает интенсивную термоэмиссию в области локального разогрева этого электрода под действием лазерного излучения, которая стимулирует срабатывание разрядника в нужный момент времени, по аналогии с работой [5].
пл
5
Плазма, образуемая под действием лазерного импульса, сфокусированного на мишень 8, распространяется к центральной оси трубы дрейфа со скоростью переднего фронта V~10м/с.При этом, как показывают оценки, для приемлемых геометрий ускоряющей системы и энергии лазерного импульса время задержки должно лежать примерно в пределах от 10 до 50 нс. Для обеспечения синхронизации примерно за такое же время должно осуществляться формирование отрицательного высоковольтного импульса между катодом 4 и анодом 5. Интенсивная термоэмиссия с правого электрода разрядника сводит к минимуму статистический разброс времени его срабатывания, что обеспечивает стабильность синхронизации.
Формирование магнитного поля в области потенциальной ямы с помощью спиральной линии предполагает с одной стороны радиальное контрагирование электронного потока, с другой стороны должно обеспечить более эффективную ионизацию нейтралов лазерной плазмы за счет удлинения электронных траекторий, как это происходит, например, в разряде Кауфмана [6]. Коническая форма спирали обеспечивает проникновение электрического поля в прикатодную область. Компьютерный расчет электрических полей методом эквивалентных зарядов [7] показал, что угол полураствора конуса α спиральной линии должен лежать в пределах π/6≤α≤π/4 для создания напряженности электрического поля в области катода на уровне примерно 50-60% от поля в области правого торца спирали, что должно обеспечить формирование электронного потока.
Приведенные выше соотношения других геометрических параметров (l, r, h и Н) получаются из условий пропорции между временем формирования катодного факела [8] и временем пролета лазерной плазмы от плазмообразующей мишени до оси ускоряющей системы, проанализированных в компьютерном эксперименте, а также из предварительных экспериментальных данных по выбору оптимальной длины трубы дрейфа. Согласно (2) энергия ускоренных в трубе дрейфа дейтронов может достигать значений ~1 МэВ. Это позволяет эффективно использовать для генерации нейтронов мишени, не содержащие тритий, что существенно снижает требования к системам обеспечения радиационной безопасности.
Предлагаемое устройство позволить существенно (не менее, чем в 2 раза) увеличить нейтронный выход генератора при сохранении или уменьшении габаритов приборов его реализующих. Это особенно важно с точки зрения возможного применения ускорителя в качестве генератора нейтронов для элементного анализа горных пород в полевых условиях, а также нейтронного каротажа нефтяных и газовых скважин, особенно при анализе успешности интенсификации добычи высоковязких нефтей.
Источники информации
1. Сб. трудов Международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе». М., ВНИИА, 2005, с. 72-94.
2. Козловский К.И., Рыжков В.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Экспериментальное исследование макета генератора нейтронов на базе диода с коллективным ускорением дейтронов импульсным электронным потоком. Атомная энергия, т. 113, в. 2, 2012, с. 120-122.
3. Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. М., Мир, 1984, 432 с.
4. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. М., Атомиздат, 1977, 278 с.
5. Гусаров В.Н., Козловский К.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Исследование процессов в лазерном воздушном разряднике. Изв. Вузов, «Радиофизика», т. 27, №4, 1984, с. 512-517.
6. Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки., Мир, 1992, 356 с.
7. Бейер М., Бек В., Меллер К., Цаенгль В. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения. М., Энергоатомиздат, 1989, 555 с.
8. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде, Наука, Новосибирск, 1982, 256 с.