НЕЙТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
NEUTRON GENERATOR

Изобретение относится к нейтронной технике, к средствам формирования потоков нейтронов высокой плотности и может быть использовано в экспериментальной нейтронной физике, ядерной геофизике, при анализе материалов, в том числе нейтронно-активационном анализе, и в других областях ядерной техники и технологии.
Генераторы нейтронов используют в прикладных задачах нейтронной физики для формирования импульсных потоков нейтронов с регулируемыми параметрами (плотность потока и энергетический спектр нейтронов). При этом формируют поток ионов, состоящий из дейтронов для бомбардировки мишени на основе дейтерированных металлов или материалов, содержащих тритий с дейтерием или без дейтерия.
Известен импульсный генератор нейтронов (изобретение по патенту РФ №2054717, МПК G21G 44/02, от 14.07.1993), содержащий герметизированный цилиндрический корпус, установленные в корпусе две мишени, одна из которых выполнена плазмообразующей, расположенный вне корпуса импульсный лазер с оптическими элементами фокусировки и сканирования, магнитную систему, причем корпус снабжен каналом ввода лучей лазера в зону плазмообразующей мишени, вторая мишень также выполнена плазмообразующей, обе мишени соосно установлены в корпусе вдоль его оси симметрии с обращенными одна к другой поверхностями плазмообразования, магнитная система включает высоковольтную формирующую линию, разрядные электроды, образующие разрядник, симметрично установленные в корпусе две соосные электромагнитные катушки, охватывающие мишени, причем высоковольтная формирующая линия связана с одним из электродов разрядника, а электромагнитные катушки - с другим электродом, импульсный лазер снабжен дополнительными оптическими элементами раздвоения лазерного луча, элементами раздвоения одного из лазерных лучей, направленных на плазмообразующие мишени, и дополнительными элементами фокусировки и сканирования лазерных лучей, при этом корпус снабжен дополнительным каналом ввода лазерных лучей в зону второй плазмообразующей мишени, а разрядник снабжен каналом ввода лазерных лучей в разрядный объем на поверхность одного из разрядных электродов.
Недостатком такого генератора является сложность конструкции при недостаточном выходе потока нейтронов.
Известен также генератор нейтронов (полезная модель по патенту РФ №71499, МПК Н05Н 1/00 от 03.10.2007), содержащий проводящий заземленный корпус, заполненный высоковольтным диэлектриком с расположенным в нем проводящим контейнером, источником ускоряющего напряжения, включенным между корпусом и контейнером, запаянную ускорительную трубку, мишень которой электрически соединена с корпусом, а источник ионов размещен в объеме контейнера, блок питания электродов источника ионов, размещенный в объеме контейнера, при этом генератор содержит пару источник-детектор излучения, расположенную в зоне прямой видимости друг друга, один из которых размещен у заземленного корпуса и электрически соединен с расположенным под нулевым потенциалом устройством управления источником ионов, а второй размещен у контейнера и соединен с блоком питания источника ионов, установленным в контейнере, проводящий заземленный корпус заполнен прозрачным высоковольтным диэлектриком, а пара источник-детектор излучения разделена этим диэлектриком.
Недостатком этого генератора является низкая эффективность, обусловленная недостаточным выходом потока нейтронов.
3
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является известный генератор нейтронов (Gillich D.J., Kovanen A., Danon Y., Deuteried target comparision for pyroelectric crystal D-D nuclear fusuon experiments. Jornal of Nuclear Materials. 405 (2010), pp.181-185, fig.5), содержащий герметичную трубку, заполненную дейтерием и/или тритием при низком давлении, в которой на одной оси установлены пироэлектрические кристаллы, к внешним сторонам каждого из которых прикреплены термоэлементы, подключенные к источнику электропитания, в первом пироэлектрическом кристалле к стороне, обращенной ко второму пироэлектрическому кристаллу, примыкает металлическая пластина с обеспечением электрического контакта, причем на поверхности упомянутой металлической пластины расположены металлические разрядные элементы, а во втором пироэлектрическом кристалле к стороне, обращенной к первому пироэлектрическому кристаллу, примыкает мишень с дейтерием и/или тритием. Недостатком такого устройства является недостаточная эффективность, обусловленная недостаточностью выхода потока нейтронов для практического использования. Это связано и с типом используемых пироэлектрических кристаллов танталата лития (LiTaO), которые имеют относительно невысокий пироэлектрический коэффициент, имеют только два пироэлектрических кристалла с небольшой площадью поверхности, а также имеют конструктивные недостатки, обусловленные выполнением отдельного разрядного элемента в виде одного длинного цилиндрического (проволочного) элемента, что ограничивает возможное число ионизированных атомов дейтерия (дейтронов) и молекулярных ионов дейтерия, участвующих в термоядерных реакциях синтеза. Тем самым не обеспечивается генерация мощного потока нейтронов. Технический эффект, заключающийся в устранении отмеченных недостатков прототипа, в предлагаемом нейтронном генераторе, содержащем герметичную камеру, заполненную дейтерием и/или тритием при низком давлении, в которой на одной оси установлены пироэлектрические кристаллы, к внешним сторонам каждого из которых прикреплены термоэлементы, подключенные к источнику электропитания, в первом пироэлектрическом кристалле к стороне, обращенной ко второму пироэлектрическому кристаллу, примыкает металлическая пластина с обеспечением электрического контакта, причем на поверхности упомянутой металлической пластины расположены металлические разрядные элементы, а во втором пироэлектрическом кристалле к стороне, обращенной к первому пироэлектрическому кристаллу, примыкает мишень с дейтерием и/или тритием, достигается тем, что пироэлектрические кристаллы выполнены в виде матричных сборок m×n, где m=2-10 - число строк матрицы, а n=2-10 - число столбцов матрицы, с толщиной пироэлектрических кристаллов от 5 мм до 25 мм, выполненных на основе ниобата бария стронция, причем металлическая пластина, примыкающая к первому пироэлектрическому кристаллу, выполнена из тугоплавкого металла, а металлические разрядные элементы выполнены с обеспечением повышенного градиента электрического поля между пироэлектрическими кристаллами.
x
1-x
2
6
Технический эффект достигается также тем, что пироэлектрические кристаллы выполнены на основе ниобата бария стронция SrBaNbO, где 0,2≤x≤0,8.
Повышение градиента электрического поля между матричными сборками пироэлектрических кристаллов достигается тем, что разрядные элементы, расположенные на пластине, примыкающей к первому пироэлектрическому кристаллу, выполнены в виде игольчатых элементов. При этом разрядные элементы выполнены из вольфрама или из тантала. Кроме того, повышение эффективности работы нейтронного генератора обеспечивается тем, что он содержит дополнительные термоэлементы, расположенные между строками и столбцами матричных сборок прироэлектрических кристаллов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлена функциональная схема генератора;
- на фиг.2 показан фронтальный вид матричной сборки пироэлектрических кристаллов;
- на фиг.3 приведен вариант схемы расположения дополнительных термоэлементов в матричных сборках.
Предлагаемый генератор (фиг.1) содержит герметичную камеру 1 с корпусом 2, заполненную дейтерием и/или тритием при низком давлении примерно 1-2 мТор, первую 3 и вторую 4 матричные сборки пироэлектрических кристаллов, основные термоэлементы 5 и 6, прикрепленные к внешним сторонам сборок 3 и 4, первая металлическая пластина 7, примыкающая с обеспечением электрического контакта к первой сборке пироэлектрических кристаллов 3 со стороны, обращенной ко второй сборке пироэлектрических кристаллов 4. При этом на поверхности металлической пластины 7 расположены металлические разрядные элементы 8. Во второй сборке пироэлектрических кристаллов 4 к стороне, обращенной к первой сборке пироэлектрических кристаллов 3, примыкает мишень 9 с дейтерием и/или тритием.
Матричные сборки состоят из регулярно расположенных и близких по своим свойствам пироэлектрических кристаллов 3 и 4 (в случае, показанном на фиг.1, такая сборка состоит из матрицы из 5×5 пироэлектрических кристаллов).
Термоэлементы 5 и 6 подключены к источнику электропитания 10.
Сборки 3 и 4 выполнены в виде матриц m×n, где m=2-10 - число строк матрицы, а n=2-10 - число столбцов матрицы. Толщина пироэлектрических кристаллов составляет величину от 5 мм до 25 мм. Пироэлектрические кристаллы в сборках 3 и 4 выполнены на основе ниобата бария стронция.
Металлическая пластина 7, примыкающая к первой сборке пироэлектрических кристаллов 3, выполнена из тугоплавкого металла, а металлические разрядные элементы 8 выполнены из вольфрама или из тантала с обеспечением повышенного градиента электрического поля между пироэлектрическими кристаллами. С этой целью разрядные элементы 8 выполнены в виде игольчатых элементов.
Кроме того, устройство содержит дополнительные термоэлементы 11 и 12, расположенные между строками и столбцами матричных сборок пироэлектрических кристаллов 3 и 4.
Термоэлементы 5 и 6, а также 11 и 12 предназначены для периодического и синхронного нагревания и охлаждения кристаллов 3 и 4.
Предлагаемый генератор нейтронов работает следующим образом.
c
1
1
1
Cr
Cr
0
0
2
2
2
Cr
Выращенные, оттестированные и монодоменизированные вдоль полярной оси пироэлектрические кристаллы 3 и 4, образующие собой матричную сборку, типа SBN-61 или SBN-75, с близкими характеристиками (значениями пироэлектрических коэффициентов γ и температурами Кюри Т) нагреваются все одновременно основными термоэлементами 5 и 6 и дополнительными термоэлементами 11 и 12 (расположенными в керамических корпусах (на чертежах не показано), со всех сторон плотно прилегающих к пироэлектрическим кристаллам с боковых сторон для сокращения времени нагрева ввиду малых значений теплопроводности данных кристаллов) управляемым блоком электропитания 10. Температура нагрева матричных сборок кристаллов 3 и 4 составляет примерно 100°С. При нагреве или охлаждении на поверхности пироэлектрических кристаллов 3 будет возникать заряд Q и электрический потенциал U=Q/C≈100-200 кВ, где C=ε·ε·S/d - емкость пироэлектрического кристалла. Здесь ε - относительная диэлектрическая постоянная пироэлектрического кристалла, ε - диэлектрическая постоянная вакуума, S - площадь поверхности пироэлектрического кристалла 3, входящего в матричную сборку и соединенного электрически параллельно, d - толщина кристалла. Изменяя число кристаллов в матричной сборке можно менять выход нейтронов из генератора. При этом поверхность второй матричной сборки кристаллов 4, прилегающая к поверхности мишени 9 с дейтерием и/или тритием, будет заряжаться до того же значения заряда Q и потенциала U=Q/C≈100-200 кВ, что и в первой пироэлектрической сборке пироэлектрических кристаллов 3. Сборки 3 и 4 выполнены в виде матриц m×n, где m=2-10 - число строк матрицы, а n=2-10 - число столбцов матрицы.
Матрицы с минимальной размерностью m=n=2 используются в небольших генераторах. Матрицы с увеличенной размерностью m=n=10 используются в генераторах с повышенным потоком нейтронов.
1
1
1
2
0
+
Потенциал металлической пластины 7 будет равен потенциалу на поверхности матричной сборки кристаллов 3 и ввиду большого градиента электрического поля Е=-▽U вблизи концов регулярно расположенных игольчатых разрядных элементов 8, напряженность электрического поля будет достигать значений, при которых будет происходить ионизация атомов дейтерия с возникновением положительно заряженных атомарных ионов D и, в малом количестве, молекулярных . Следовательно, в поле между двумя внутренними и обращенными друг к другу пластинами 7 и 9 плоского конденсатора из двух матричных сборок пироэлектрических кристаллов 3 и 4 будет возникать потенциал U≈U+U, в поле которого ионы дейтерия будет ускоряться до энергии Е=e·U и бомбардировать мишень, содержащую дейтерий и/или тритий. В результате бомбардировки и реакции термоядерного синтеза
,
1
2
будут образовываться моноэнергетические нейтроны с энергией Е=2.45 МэВ или в случае тритиевой мишени E=14.1 МэВ-ные нейтроны по реакции
Тем самым первый цикл закончен, далее начинается процесс быстрого охлаждения матричной сборки пироэлектрических кристаллов 3 и 4 термоэлементами 5 и 6, 11 и 12 на основе элементов Пельтье, питание к которым подводится синхронно в импульсном режиме от блока 10. Далее цикл повторяется.
Регулируя параметры импульсов (частоту, скважность и длительность) поступающих от источника питания 10 можно регулировать параметры генерируемого потока нейтронов.
x
1-x
2
6
3
Применение в предлагаемом генераторе кристаллов, выполненных ниобата бария-стронция SrBaNbO, где 0,2≤х≤0,8, имеющих пироэлектрический коэффициент, в десять раз больший в сравнении с типом используемых в прототипе пироэлектрических кристаллов из танталата лития (LiTaO), обеспечивает генерацию нейтронов с более высоким выходом. Этому способствует также конструктивные особенности предлагаемого генератора (матричные сборки и игольчатая форма прироэлектрических кристаллов).
Предлагаемая полезная модель соответствует условию промышленной применимости, поскольку может быть многократно воспроизведена.
Для реализации предложенного генератора не требуются сложные в техническом отношении функциональные узлы и элементы:
- кристаллы 3 и 4 выполняются, как описано выше, на основе ниобата бария-стронция,
- металлические пластины 7 и 9, примыкающие к пироэлектрическим кристаллам, выполняются из тугоплавкого металла,
- разрядные элементы 8 выполняются из вольфрама или из тантала,
- в качестве блока 10 используется стандартный блок импульсного питания с возможностью регулировки параметров импульсов (частоты, длительности и скважности импульсов),
- для термоэлементов 5, 6, 11, 12 используются элементы Пельтье.