ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области прикладной ядерной физики, конкретно, к устройствам для генерации импульсных нейтронных потоков при ядерном взаимодействии нуклидов тяжелого водорода, в которых специальная геометрия электродов с максимально прозрачной для ионов центральной областью разрядного промежутка обеспечивает осцилляцию заряженных частиц.
Такие устройства находят применение при геофизических исследованиях урановых месторождений и нефтегазовых скважин, а также при разработке компактных досмотровых систем обнаружения опасных веществ.
-2
-1
-1
Известны импульсные генераторы нейтронов, основанные на принципе инерционно-электростатического удержания дейтронов в IEC (Inertial Electrostatic Confinement) разрядных системах, для которых характерно формирование электростатической потенциальной ямы во внутренней области плазменной системы. Потенциальная яма создается либо симметричной системой электродов с центральным прозрачным (сеточным) катодом при давлении дейтерия 10÷10 Па [1], либо удержанием с использованием магнитных и электрических полей в центральной области облака электронов (виртуального катода) при давлении дейтерия 10÷1 Па [2].
Дейтроны из периферийной области плазменной системы вовлекаются в колебания через ее центральную область полем потенциальной ямы, совершая многократные прохождения через «центральный» прозрачный полый катод. Такой осциллирующий режим реализуется за счет торможения дейтронов в потенциальном поле анода, их поворота обратно и последующего ускорения к катоду. Подобные разрядные системы обладают повышенным ресурсом работы до полного использования дейтерия в ядерной реакции D+D.
-2
6
В частности, известно газонаполненное разрядное IEC-устройство [3], состоящее из цилиндрической камеры длиной около 1,4 м, диаметром около 0,12 м, с центральным полым цилиндрическим катодом диаметром около 0,1 м. Камера заполняется газообразным дейтерием при давлении 0,5⋅10 торр. В таком цилиндрическом IEC-устройстве при сравнительно невысоких токах (менее 30 мА) генерируемый нейтронный поток линейно возрастает с разрядным током, что соответствует преимущественному получению нейтронов при столкновении дейтронов пучка с дейтронами наполняющего газа. При более высоких значениях разрядного тока, нейтронный поток растет приблизительно пропорционально квадрату разрядного тока в соответствие с тем, что нейтроны преимущественно получаются при столкновении дейтронов во встречных пучках, а плотность плазмы внутри полости увеличивается. Достигнут поток нейтронов до 10 н/с (реакция D-D).
В рассматриваемом конструктивном решении не достигнуто конкурентных результатов по отношению к традиционным генераторам нейтронов прямого действия. Кроме этого, стоит отметить конструктивную сложность изготовления катода с хорошей степенью прозрачности, а также нарушение сферической симметрии анода и катода. Основные перспективы связаны с уменьшением длительности импульса при одновременном увеличении амплитуды ускоряющего напряжения, тока разряда, частоты повторения импульсов и давления в рабочей камере взаимодействия.
8
10
В развитие этой технологии известна компактная модификация высоковольтного цилиндрического IEC-диода с полым катодом [4], в котором реализован режим увеличения разрядного тока за счет дополнительной электронной эмиссии в полости катода. Это свойство высоковольтных разрядов с полым катодом делает конструкцию инерционно-электростатические устройства более компактной и позволяет повысить рабочее давление в разрядной камере. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа. Данное устройство предполагает переход от аксиального варианта к электродной системе с цилиндрическим анодом, охватывающим соосный полый катод в виде двух симметрично расположенных дисков. В подобной системе вследствие увеличения площади анодного электрода увеличивается ток разряда, а, следовательно, и поток захватываемых потенциальной ямой дейтронов. Отдельно стоит отметить конструктивное удобство рассматриваемого устройства. Достигнут нейтронный выход порядка 10 н/с на реакции D-D и порядка 10 н/с на реакции D-T.
-2
Плазменный диод размещался в рабочей камере (объем ~21 л, давление ~5⋅10 торр.), система электродов изолирована от стенок рабочей камеры, анод заземлен, а на потенциальный катод подавался высоковольтный импульс отрицательной полярности. В качестве источника ускоряющего напряжения использовался генератор импульсных напряжений с повышающим трансформатором (амплитуда в режиме холостого хода U≤150 кВ, длительность импульса t≈3 нс).
Полый катод выполнен в виде двух параллельных соосных дисков, соединенных между собой с помощью четырех тонких металлических стержней, расположенных перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси диода. Внешний цилиндрический анод симметрично охватывает полый катод.
Принцип формирования потоков дейтронов в таком устройстве состоит в том, что на первой стадии после подачи на диодные зазоры напряжения порядка 100 кВ в пространстве между катодом и анодами возникает разряд Таунсенда [5]. Дейтроны, возникающие в положительном плазменном столбе разряда, ускоряются в области катодного падения потенциала в сторону катода с обеих сторон. В силу прозрачности катодной полости отдельный дейтрон может с большой вероятностью беспрепятственно пролетать через катодную полость, потеряв часть своей энергии на столкновениях в плазме и, затормозившись полем с противоположной стороны, начать новый цикл колебаний. Таким образом, формируются встречные, более интенсивные чем исходные, потоки ускоренных дейтронов, которые взаимодействуют с плазмой в области катода.
В процессе колебаний дейтроны теряют энергию в катодной плазме, частично рассеиваясь на неоднородностях электрического поля. Замедленные дейтроны в результате перезарядки выбывают из осциллирующего ансамбля.
Однако и в этой оптимизированной геометрии устройства ток ускоренных электронов и молекулярных ионов в несколько раз превышает ток ускоренных ионов (дейтронов), что в несколько раз уменьшает энергетический коэффициент полезного действия (КПД) ускорителя дейтронов импульсного генератора нейтронов.
Технический результат предлагаемого устройства направлен на увеличение коэффициента полезного действия импульсного генератора нейтронов как за счет увеличения доли тока дейтронов в общем токе ускорителя из-за одновременной организации осцилляций как электронов, так и дейтронов в частично-прозрачном ускоряющем промежутке, так и за счет увеличения степени ионизации плазмы источника дейтронов у анода, что, в итоге приводит к увеличению на порядок нейтронного выхода без увеличения энерговклада устройства.
1
2
1
3
2
4
l
1
2
3
4
1
2
Этот результат достигается тем, что в известном импульсном генераторе нейтронов, включающим блок высоковольтного питания и запуска, генератор импульсных напряжений и вакуумную камеру с высоковольтным и низковольтными вводами, внутри которой размещены импульсный источник ионов изотопов водорода с выходным патрубком диаметром D, полый анод, полый катод в виде двух соосных металлических дисков каждый с диаметром D, расположенных соосно внутри анода и соединенных друг с другом n проводниками толщиной S и длиной L, импульсный генератор нейтронов дополнительно содержит накопительную емкость, высоковольтную емкость и высоковольтный обостряющий разрядник, генератор импульсных напряжений исполнен в виде импульсного трансформатора с низковольтным и высоковольтным выводами, полый анод выполнен из металлической сетки с прозрачностью в пределах 90-95% в форме цилиндра диаметром D, длиной 1,5L, толщиной S и выведен соосно из вакуумной камеры через высоковольтный ввод к высоковольтному обостряющему разряднику, а часть внутренней поверхности вакуумной камеры, соосно охватывающей анод, также имеет форму цилиндра диаметром D и длиной 2L, кроме этого в диске полого катода, расположенном соосно с выходным патрубком импульсного источника ионов изотопов водорода на расстоянии 1,5-2,0 мм от него, имеется соосное этому диску отверстие диаметром D, при этом импульсный источник ионов изотопов водорода включен через низковольтные вводы к блоку высоковольтного питания и запуска и подключен через накопительную емкость к низковольтному выводу импульсного трансформатора, высоковольтный вывод которого соединен с высоковольтной емкостью и с высоковольтным обостряющим разрядником, а параметры n, D, D, D, D, L, S и S удовлетворяют следующим соотношениям:
Сущность предлагаемого устройства заключается в организации существенного подавления электронной компоненты тока с катода на анод за счет его прозрачности и расположения между двумя катодами на определенных, вычисленных авторами, расстояниях. При этом осциллируют не только дейтроны внутри полого катода, но и электроны, проходящие через прозрачный анод, дополнительно ионизуя плазму у анода. В результате увеличивается энергетический КПД устройства и его нейтронный выход импульсе за счет увеличения тока дейтронов из образующейся высокоионизованной плазмы у анода.
Неравенства (1) регулирует количество проводников n, стягивающих два соосных металлических диска полого катода, при которых наблюдается высокая вероятность беспрепятственного пролета отдельного дейтрона через катодную полость. Нижний предел определяется исходя из минимально допустимой конструктивной прочности элемента, а верхний предел определяется исходя из минимально эффективной прозрачности катодной полости.
1
2
Неравенства (2) регулирует максимальный и минимальный пределы отношения диаметров выходного патрубка импульсного источника ионов изотопов водорода D и двух соосных металлических дисков катода D, при которых осуществляется хорошее заполнение области генерации нейтронов ионами изотопов водорода. Нижний предел регулирует эффективное использование импульсного источника ионов изотопов водорода, не ограничивая его инжекционные способности в катодную полость, а верхний предел определяет геометрическое расположение, при котором сохраняется оптимальное заполнение катодной полости сфокусированным потоком ионов изотопов водорода.
2
Неравенства (3) регулирует максимальный и минимальный пределы отношения длины проводников L, соединяющих два соосных металлических диска полого катода, и диаметров двух соосных металлических дисков катода D, при которых с одной стороны исключается падения пучка дейтронов (ионов тяжелых изотопов водорода) на катод, а с другой стороны обеспечивается максимальное заполнение области генерации нейтронов пучком дейтронов между дисками катода.
1
2
Неравенства (4) регулирует максимальный и минимальный пределы отношения толщины проводников S, стягивающих два соосных металлических диска полого катода, и диаметров двух соосных металлических дисков катода D, подбирается так, чтобы отдельный нуклид водорода мог с большой вероятностью беспрепятственно пролетать через катодную полость, потеряв часть своей энергии на столкновениях в плазме. Нижний предел определяется исходя из минимально допустимой конструктивной прочности элемента, а верхний предел определяется экономией материала и обеспечением прозрачности катодной полости.
2
1
Неравенства (5) регулирует максимальный и минимальный пределы отношения толщины металлической сетки полого анода S и толщины проводников S, соединяющих два соосных металлических диска полого катода, при которых обеспечивается осцилляция дейтронов в катодной полости. Нижний предел определяется исходя из минимально допустимой конструктивной прочности элемента, а верхний предел определяется экономией материала и обеспечением прозрачности полого анода.
2
3
4
Неравенства (6) регулирует соотношения диметров двух соосных металлических дисков диаметра D полого катода, полого анода из металлической сетки диаметра D и части внутренней поверхности вакуумной камеры диаметра D, соосно охватывающей анод. Предельные значения определяются условием достаточной электроизоляции вакуумных промежутков между элементами.
Верхний предел прозрачности полого анода (95%), выполненного из металлической сетки, является условием механической прочности элемента, а нижний (90%) определятся увеличением числа осцилляций электронов у анода, дополнительно ионизирующих плазму.
Габаритные размеры полого анода из металлической сетки в отношении длины 1,5L и части внутренней поверхности вакуумной камеры, соосно охватывающей анод, в отношении длины 2L определены экспериментально исходя из условий обеспечения оптимальности конструкции и высокого заполнения области генерации нейтронов пучком дейтронов.
Предлагаемое устройство поясняется фигурой 1, на которой представлена схема расположения элементов импульсного генератора нейтронов, содержащая следующие позиции: 1 - высоковольтная емкость, 2 - высоковольтный вывод импульсного трансформатора, 3 - импульсный трансформатор, 4 - низковольтный вывод импульсного трансформатора, 5 - вакуумная камера, 6 - накопительная емкость, 7 - блок высоковольтного питания и запуска, 8 - изолятор высоковольтного ввода в вакуумную камеру, 9 - полый анод из металлической сетки, 10 - полый катод в виде двух соосных металлических дисков, 11 - проводники двух соосных металлических дисков полого катода, 12 - ось симметрии расположения конструктивных элементов, 13 - высоковольтный обостряющий разрядник, 14 - высоковольтный ввод в вакуумную камеру, 15 - анод импульсного источника ионов изотопов водорода, 16 - внешний катод, 17 - геттер, 18 - электрод поджига импульсного источника ионов изотопов водорода, 19 - изолятор импульсного источника ионов изотопов водорода.
-3
-4
3
4
4
Устройство работает следующим образом. Вакуумная камера 5 находится в диапазоне давлений 10-10 торр. Блок высоковольтного питания и запуска 7 заряжает положительным напряжением накопительную емкость 6, напряжение которой (5-10 кВ) подается через разрядный промежуток импульсного источника ионов изотопов водорода 15 на низковольтный вывод импульсного трансформатора 4, которое повышается в импульсном трансформаторе 3 и через высоковольтный вывод импульсного трансформатора 2 заряжает высоковольтную емкость 1. Отрицательный вывод блока высоковольтного питания и запуска 7 заземлен и соединен со стенками вакуумной камеры 5. При достижении предельного напряжения на высоковольтной емкости 1 пробивается высоковольтный обостряющий разрядник 13 и напряжение через высоковольтный ввод в вакуумную камеру 14 подается на полый анод из металлической сетки 9. В этот момент плазма от импульсного источника ионов изотопов водорода все пространство полого катода вплоть до анода заполняется плазмой. Извлекаемые из плазмы дейтроны ускоряются к оси полого катода до энергий достаточных для протекания ядерных реакций D(d,n)He, T(d,n)He или D(t,n)He. Дейтроны могут с большой вероятностью беспрепятственно пролетать через катодную полость, теряя постепенно свою энергию на столкновениях в плазме внутри полого катода. В результате происходит захват протонов в потенциальную яму, где они продолжают осциллировать. Таким образом, в радиальном направлении формируются встречные, более интенсивные чем исходные, потоки ускоренных дейтронов, которые взаимодействуют с плазмой в катодной полости и между собой.
Таким образом, предлагаемый импульсный генератор нейтронов позволяет увеличить коэффициент его полезного действия за счет увеличения доли тока дейтронов в общем токе ускорителя из-за комбинированного применения механизмов осцилляции как дейтронов, так и электронов в максимально прозрачных электродах ускорительного триода при одновременной дополнительной ионизации плазмы у анода. Повышенные энергетический КПД и эффективность генерации нейтронов без увеличения энерговклада особенно важны с точки зрения возможного применения этой полезной модели в качестве элемента портативных систем неразрушающего контроля, в том числе для элементного анализа горных пород в полевых условиях, нейтронного каротажа нефтяных и газовых скважин.
Источники информации
1. Miley G.H., J. Appl. Radiat. Isot. 1997. Vol. 48. №10-12. p. 1557-1561.
2. Hirsch R.L., Inertial-Electrostatic Confinement of Ionized Fusion Gases, Journal of Applied Physics. 1967. Vol. 38. №11. p. 4522-4534.
3. Bussard R.W., Some Physics Considerations of Magnetic Inertial-Electrostatic Confinement: A New Concept for Spherical Converging-flow Fusion, Fusion Technology. 1991. Vol. 19. №2. p. 273-293.
4. А.Е. Шиканов, Е.Д. Вовченко, К.И. Козловский, В.Л. Шатохин, Малогабаритный плазменый диод с прозрачным внутренним катодом для генерации нейтронов, Журнал технической физики, 2015, том 85, вып. 1, стр. 47-51.
5. А.Ю. Кузнецов, К.И. Козловский, А.С. Цыбин, А.Е. Шиканов, Исследование азимутально-симметричного плазменного ионного диода с осциллирующими дейтронами для генерации нейтронов, Доклады АН ВШРФ, 2011, №1(16), стр. 105-116.