ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ

Полезная модель относится к области ядерной физики и техники, в частности к источникам нейтронов, конкретно, к устройствам для генерации импульсных нейтронных потоков.
Известен импульсный генератор нейтронов, на основе ядерного взаимодействии ускоренных дейтронов с мишенями, содержащими тяжелые изотопы водорода [1]. Данный генератор состоит из вакуумной ускорительной трубки с анодом и катодом с дейтерированной мишенью, генератора импульсных напряжений на основе высоковольтного трансформатора, накопительной емкости.
Однако, недостатком данного устройства является его потребность в значительных энергозатратах на создание внешнего магнитного поля вокруг катода.
Известен также импульсный генератор нейтронов, описанный в работе [2], взятый за прототип. Устройство содержит содержащий нейтронную трубку с анодным электродом, охватывающим лазерную мишень, высоковольтный трансформатор и конденсатор, лазерная мишень соединена с анодным электродом через вторичную и первичную обмотки трансформатора и конденсатор. При этом вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с конденсатором и первичной обмоткой, а выход - с анодным электродом и лазерной мишенью. Такое последовательное соединение элементов образует разрядный контур, коммутация которого осуществляется через промежуток между лазерной мишенью и анодом при его заполнении лазерной плазмой. В результате на анодном электроде относительно катода, который в этом случае можно заземлить, формируется высоковольтный импульс ускоряющего напряжения. Тем самым генератор не требует применения высоковольтной электроизоляции нейтронообразующей мишени, а эмиссионная эффективность лазерно-плазменного источника дейтронов существенно возрастает.
Однако, недостатком данного устройства является его низкий энергетический КПД, связанный с большим электронным током, протекающим через диод, так как отсутствует эффективная магнитная изоляция электронов в ускоряющем промежутке, поскольку часть силовых линий примененных постоянных магнитов соединяют ускоряющий промежуток между катодом и лазерной плазмой у анода.
Технический результат предлагаемой полезной модели направлен на увеличение коэффициента полезного действия импульсного генератора нейтронов за счет эффективного подавления электронного тока в ускоряющем дейтроны промежутке и увеличения количества генерируемых нейтронов при увеличении частоты следования импульсов ИГН без перегрева анода и источника дейтронов вакуумной ускорительной трубки.
1
2
1
2
2
1
2
1
1
2
Этот результат достигается тем, что в импульсном генераторе нейтронов, содержащем источник ускоряющего напряжения и вакуумную ускорительную трубку, включающую внешний пустотелый цилиндрический катод диаметром D, на внутренней поверхности которого расположена нейтронообразующая мишень, соосный катоду анод в виде цилиндра Фарадея диаметром d с глухим и выходным торцами и источник дейтронов внутри цилиндра Фарадея, дополнительно введены источник тока и соединенный с источником тока проводник в форме кольца диаметром D, с продольным размером t, расположенный так, что его центральная плоскость совпадает с плоскостью выходного торца цилиндра Фарадея и с плоскостью торца начала катода, и перпендикулярна оси симметрии катода, при этом диаметры D, D и d удовлетворяют соотношениям 0,25d≈D, 0,80 D<D<1,02D, а размер t удовлетворяет неравенству: 0,01D≤t≤0,02D.
Последние соотношения были получены в результате компьютерного расчета, котором определены оптимальные соотношения реальных геометрических размеров описанной выше конструкции вакуумной нейтронной трубки с точки зрения максимального подавления тока вторичных электронов с катода и с нейтронообразующей мишени на катоде при минимальном токе в проводнике в форме кольца толщиной t.
Сущность полезной модели заключается в том, что данная совокупность элементов: в вакуумной ускорительной трубке цилиндр Фарадея с источником дейтронов, эмитирующий в ускоряющий промежуток между анодом и катодом дейтроны, источник ускоряющего напряжения, подключенный к аноду и катоду вакуумной ускорительной трубки, позволяют сформировать ускоренный пучок дейтронов, направляемый в сторону нейтронообразующей мишени с существенным подавлением электронной составляющей тока магнитным полем проводника в форме кольца за счет того, что вторичные электроны не могут покинуть катод с нейтронообразующей мишенью. За счет ядерного взаимодействия дейтронов с поверхностью нейтронообразующей мишени происходит эмиссия нейтронов.
Конкретный варианта исполнения устройства поясняется на фиг. 1, где представлена схема расположения основных элементов импульсного генератора нейтронов: 1 - источник ускоряющего напряжения, 2 - диэлектрический корпус вакуумной ускорительной трубки (высоковольтный изолятор), 3 - внешний пустотелый катод обычно диаметром 50-70 мм, 4 - нейтронообразующая мишень на внутренней поверхности катода 3, 5 - проводник в форме кольца, 6 - цилиндр Фарадея, 7 - источник дейтронов, 8 - центральная плоскость проводника в форме кольца, 9 - источник тока 100 А, подключенный проводнику в форме кольца.
ИГН работает следующим образом. Согласно схеме, представленной на фиг. 1. Из расположенного внутри цилиндра Фарадея 6 источника дейтронов 7 эмиттируется плазма, состоящая из дейтронов и электронов. В момент образования плазмы источник ускоряющего напряжения 1 формирует положительный импульс высоковольтного напряжения в диапазоне от 200 до 300 кВ на цилиндре Фарадея 6, при этом катод 3, подключенный к источнику ускоряющего напряжения 1, находится под нулевым потенциалом. До этого процесса источник тока 9 формирует ток ~ 100 А в проводнике в форме кольца 5, в результате чего вокруг проводника в форме кольца 5 возникает аксиальное магнитное поле, подавляющее паразитный ток электронов от катода к аноду, из-за тем самым увеличивая КПД ИГН. В результате подачи импульса высоковольтного напряжения на цилиндр Фарадея 6, между цилиндром Фарадея 6 с выходящей из него дейтеросодержащей плазмой и катодом 3 возникает ускоряющее электрическое поле, вдоль которого по направлению к катоду движутся дейтроны с током ~ 1 кА в течение импульса, длительностью ~ 0,5 мкс. При столкновении дейтронов с поверхностью нейтронообразующей мишени, содержащей тяжелые изотопы водорода, происходит ядерная реакция деления, в результате которой генерируются нейтроны.
10
12
При вышеуказанных размерах вакуумной ускорительной трубки и параметрах источника ускоряющего напряжения ожидаемый нейтронный выход за импульс на реакции D+Т составит 5⋅10 и поток нейтронов более 10 в секунду при частоте следования импульсов более 30 Гц.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет расширить функциональные возможности ИГН за счет увеличения коэффициента полезного действия и количества генерируемых нейтронов при увеличении частоты следования импульсов ИГН, что делает возможным использовать предлагаемый ИГН в различных установках нейтронного облучения, в частности предназначенных для обнаружения и досмотра опасных предметов и делящихся элементов.
Источники информации:
1. А.С. СССР №580725 Импульсный генератор нейтронов, Беспалов Д.Ф., Быковский Ю.А., Вергун И.И., Козловский К.И., Козырев Ю.П., Леонов Р.К., Симагин Б.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е.,, М. кл. G21G 4/02. - Бюл. №48, от 30.12.1979.
2. Патент РФ №135216, МПК Н05Н 3/06. Импульсный генератор нейтронов / Вовченко Е.Д., Козловский К.И., Пономаренко А.Г., Пономарев Д.Д., Шведова Т.А., Шиканов А.Е.; НИЯУ МИФИ, заявлено 18.06.2013; Опубл. 27.11.2013, Бюл. №33.