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.
Известны нейтронные генераторы по схеме коллективного ускорения ионов в так называемом диоде Люса с изолированным анодом [1]. В диоде Люса собственно диодная область представлена катодом, который обычно имеет форму стержня с заостренным концом, и составным анодом, имеющим в центре аксиально-симметричное отверстие. Анод в центральной части имеет диэлектрическую вставку, выполненную из материалов, в состав которых входит ускоряемый сорт ионов. Анод помещается в металлическую заземленную конструкцию через которую осуществляется отвод обратного тока. Область дрейфа располагается непосредственно за диодной областью и представляет собой цилиндрическую вакуумированную камеру длиной около метра. Ускорение ионов происходит преимущественно в области дрейфа. Анодная плазма приводит к уменьшению электронного пространственного заряда и пинчеванию электронного пучка по направлению к осевому анодному отверстию.
3
4
Однако, ресурс диэлектрической вставки не превышает 10-10 импульсов и резко уменьшается при увеличении тока электронного пучка, который необходим для высокой эффективности ускорения ионов.
Этого недостатка лишено техническое решение, описанное в работе [2], взятое за прототип. Устройство содержит источник высокого напряжения, зарядную линию, камеру с катодом, анодом и цилиндрической дрейфовой трубой, высоковольтным и оптическим вводами, лазер с фокусирующим устройством. Генерация нейтронов осуществляется 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 (дрейфовую трубу), где при электростатическом запирании электронного потока формируется потенциальная яма. Синхронно с этим процессом в области потенциальной ямы с помощью импульсного лазера создается 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
Однако, основным недостатком данного устройства является низкая эффективность генерации нейтронов с выходом не более 10 нейтрон/импульс.
7
Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение эффективности генерации нейтронов и повышение выхода нейтронов в импульсе до величин более чем 10 нейтр./имп.
Этот результат достигается тем, что в устройстве, содержащем источник высокого напряжения, зарядную линию, камеру с катодом, анодом и цилиндрической дрейфовой трубой, высоковольтным и оптическим вводами, лазер с фокусирующим устройством, цилиндрическая дрейфовая труба камеры с катодом и анодом дополнительно содержит нейтронообразующую мишень на ее внутренней поверхности, катод имеет коническую выемку на пересечении с фокальной плоскостью фокусирующего устройства, причем угол α раствора конической выемки лежит в пределах углов 30°<α<60°, при этом фокальная плоскость фокусирующего устройства лазера расположена на сечении конической выемки, параллельном основанию и лежащей на расстоянии l от основания конической выемки, удовлетворяющему условию 0,3h<h<0,7h, где h высота конической выемки.
Соотношение предельных значений угла α раствора конической выемки: 30°<α<60° определяется исходя из оптимальности столкновения сгустков лазерной плазмы, образующихся на стенках конической выемки. При углах α<30° резко спадает выход лазерной плазмы из конической выемки. При углах α>60° резко спадает эффективность степени ионизации плазмы, исходящей из конической выемки из-за отсутствия эффективного столкновения плазменных сгустков, образующихся на боковых поверхностях конической выемки [5].
Верхний и нижний пределы неравенства: 0,3h<l<0,7h определяются исходя из условия, что к выходу из конической выемки плазменные сгустки завершат столкновение с ростом температуры электронной компоненты, что увеличивает степень ионизации результирующей плазменного потока [5].
Предлагаемое устройство поясняется фиг. 1 и 2, где представлены схемы расположения основных элементов импульсного генератора нейтронов: 1 - источник высокого напряжения, 2 - зарядная линия, 3 - диэлектрический высоковольтный ввод в камеру, 4 - катод, 5 - коническая выемка, 6 - анод, 7 - цилиндрическая дрейфовая труба, 8 - нейтронообразующая мишень, 9 - оптический ввод, 10 - фокусирующее устройство, 11 - лазер, 12 - фокальная плоскость фокусирующего устройства.
-4
Устройство работает следующим образом. Объем дрейфовой трубы 7 откачивается до давления остаточного вакуума ниже 10 торр. Согласно схеме, представленной на фиг. 1, нарастающий отрицательный потенциал от источника импульсного напряжения 1 через зарядную линию 2 подается на катод 4. При определенном заданном напряжении на разряднике запускается лазер 11, работающий в режиме модулированной добротности. Излучение лазера проходит через фокусирующее устройство 10, оптический ввод 9 и фокусируется на коническую выемку 5, расположенную в катоде 4.
пл
5
Плазма, образуемая под действием лазерного импульса распространяется вдоль центральной оси цилиндрической дрейфовой трубы 7 со скоростью переднего фронта V ~ 3×10 м/с. с Характерные размеры дрейфовой трубы составляют 10-20 см в диаметре, размеры катода 4 и анода 6 пропорциональны размерам цилиндрической дрейфовой трубы 7 согласно фиг. 1. При этом, как показывают оценки, для используемых геометрий ускоряющей системы и энергии лазерного импульса время задержки срабатывания разрядника формирующей линии относительно лазерного импульса должно лежать в пределах от 100 до 150 нс. Коническая выемка 5 способствует формированию кумулятивной плазменной струи, которая компенсирует объемный заряд электронного пучка в цилиндрической дрейфовой трубе.
Предложенное техническое решение позволяет увеличить эффективность генерации нейтронов и повысить выход нейтронов в импульсе до величин более чем 10 нейтр./имп. Это особенно важно с точки зрения возможного применения ускорителя в качестве генератора нейтронов для элементного анализа горных пород в полевых условиях, нейтронного каротажа нефтяных и газовых скважин, а также работ досмотра и обнаружения опасных веществ.
Источники информации
1. Дубинов А.Е., Корнилова И.Ю., Селемир В.Д. Коллективное ускорение ионов в системах с виртуальным катодом. Успехи физических наук, т. 172, №11, 2002, с. 1225-1246.
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. Козловский К.И., Козырев Ю.П., Цыбин А.С, Быковский Ю.А. Влияние столкновения потоков лазерной плазмы в конусных мишенях на ее параметры на поздних стадиях разлета. Квантовая электроника, т. 5, вып. 2, 1978, с. 337-343.