ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ДЕЙТРОНОВ - НЕЙТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
INDUCTION DEUTERON ACCELERATOR - NEUTRON GENERATOR

Изобретение относится к области технической физики, в частности к линейным индукционным ускорителям заряженных частиц, и может быть использовано для ускорения интенсивных пучков легких ионов как в фундаментальных, так и в прикладных задачах, например для генерации нейтронных потоков при терапии онкологических заболеваний.
Известен индкуционный ускоритель ЛИУ 5/5000, содержащий последовательность соосных идентичных индукторов, укомплектованных ферромагнитными сердечниками, внутри которых размещена ускорительная трубка и фокусирующие катушки; генератор импульсного напряжения, питающий индукторы, генератор импульсного напряжения, питающий катушки /Ю.П.Вахрушин "Линейные индукционные ускорители". Докторская диссертация НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, Ленинград, 1977/ /1/. Однако ускорять в ЛИУ 5/5000 ионные токи с интенсивностью, достаточной для промышленного использования - невозможно.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство, описанное в /1/ на страницах 221-224, которое и выбрано за прототип. Индукционный ускоритель - прототип содержит ускоряющую секцию, состоящую из идентичных размещенных соосно индукторов с сердечниками из ферромагнитного материала, в которых размещена ускоряющая трубка. В ней укреплена металлическая труба. Один из торцев ее заземлен, а на противоположном - укреплен катод электронной пушки.
Анод пушки снабжен отверстием для пролета ускоренного пучка и укреплен на заземленном корпусе ускорителя с обеспечением электрического контакта. В сослав ускорителя входят также генераторы импульсов ускоряющего напряжения, элетрически связванные фидерами с питаемыми индукторами.
Однако в прототипе невозможно ускорять высокоинтенсивные ионные токи. Указанное обстоятельство не позволяет получить достаточно высокого для промышленного применения КПД устройства.
Техническая сущность изобретения состоит в том, что одновременно с трубчатым ионным пучком навстречу ему ускоряется электронный пучок, который находится внутри ионного. При этом достигается компенсация зарядов ионного пучка, что позволяет ускорять большие токи по сравнению с прототипом. Энергия, затрачиваемая на ускорение электронного пучка, преобразуется обратно в энергию электромагнитных колебаний в дополнительно установленной секции рекуперации и возвращается в ускоряющую секцию, чем повышаемся КПД устройства до уровня электронных индукционных ускорителей, использующихся в промышленности.
Технический результат достигается тем, что дополнительно введены кольцевой источник трубчатого пучка дейтронов, укрепленный вокруг анода; кольцевая нейтронообразующая мишень, укрепленная вокруг катода, снабженная катушками размещенными аксиально-симметрично, так что их оси расположены в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя, источники электропитания катушек, интегратор напряжения выполнен из двух алюминиевых коаксиальных труб, одни торцы которых вакуумно-плотно укреплены, с обеспечением электрического контакта на торцевой крышке корпуса, а противоположные свободные торцы труб аналогично укреплены с кольцевой мишенью, и полость между трубами связана патрубками с размещенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени, содержащей резервуар с раствором борной кислоты, теплообменник и насос, объединенные трубопроводом; секция рекуперации содержит цилиндрический металлический заземленный корпус, который граничит с корпусом ускоряющей секции общим торцевым фланцем с анодом в нем, водоохлаждаемый коллектор электронного пучка, укрепленный на противоположном торцевом фланце, последовательность индукторов, идентичных индукторам ускоряющей секции, связанных с ними электрическими фидерами.
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображена схема предлагаемого ускорителя дейтронов - нейтронного генератора. На фиг.2 изображено сечение нейтронообразующей мишени плоскостью, перпендикулярной оси ускорителя.
На фиг.3 изображено сечение источника трубчатого пучка дейтронов плоскостью, перпендикулярной оси ускорителя, а на фиг.4 - сечение одной из двенадцати сборок источника дейтронов.
Индукционный ускоритель - нейтронный генератор состоит из ускоряющей секции, индукторы которой содержат сердечники, изготовленные из ферромагнитного материала - 1, внутри которых проходит вакуумированная ускорительная трубка - 2, в которой размещены две коаксиальные алюминиевые трубы: наружная - 3 и внутренняя - 4. Своими торцами трубы укреплены на корпусе ускорителя герметично, с обеспечением электрического контакта. На противоположных торцах труб герметично укреплена кольцевая нейтронообразующая мишень - 5, которая размещена вокруг катода электронной пушки - 6 с обеспечением электрического контакта с ним. Катод снабжен подогревателем - 7. Полость - 8 между трубами сообщается посредством патрубков - 9 с расположенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени 10, которая содержит резервуар с раствором борной кислоты, теплообменник, насос и обеспечивает циркуляцию в полости между трубами 3 и 4 охлаждающего мишень - 5 раствора борной кислоты 11. Мишень - 5 снабжена магнитными катушками 12 (фиг.2), размещенными аксиально-симметрично.
Оси катушек расположены в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя. Катушки создают магнитное поле параллельное плоскости мишени и перпендикулярное оси ускорителя. Анод пушки - 13 снабжен центральным отверстием - 14, через которое проходит ускоренный пучок - 15 в секцию рекуперации. Секция рекуперации содержит индукторы, в каждом из которых размещен ферромагнитный сердечник - 16 и катушка магнитной фокусировки - 17. Индукторы-рекуператоры снабжены фидерами - 18, связывающими их с ускоряющими индукторами. На выходе секции рекуперации размещен водоохлаждаемый коллектор электронного пучка - 19. В Вокруг анода - 13 размещен, с обеспечением электрического контакта, источник трубчатого пучка дейтронов - 20, содержащий двенадцать идентичных, размещенных аксиально-симметрично сборок искровых источников - 21. Каждая сборка состоит из шести искровых источников - 22, электропитание к которым подводится по высоковольтным кабелям - 23, снабженным ферритовыми шайбами - 24, от импульсного высоковольтного источника напряжения, не показанного на чертежах. В торце керамического изолятора - 26 выполнены отверстия - 27, стенки которых 28 образуют искровой зазор между торцами источников - 22 и заземленным корпусом - 32 сборки 21. Ускоритель снабжен генераторами импульсов ускоряющего напряжения - 29, связанными с индукторами ускоряющей секции кабелями - 30. Импульсные электрогенераторы - 31 питают катушки магнитной фокусировки - 17, размещенные в каждом индукторе-рекуператоре.
Индукционный ускоритель дейтронов - источник нейтронов работает следующим образом. Импульсы высокого напряжения от генератора - 29 поступают на индукторы ускоряющей секции по высоковольтному кабелю - 30. В ферромагнитных сердечниках - 1, размещенных в индукторах, возникают импульсные магнитные потоки, индуцирующие на свободном конце катодной трубы - 3 суммарный высоковольтный потенциал отрицательной полярности относительно ее заземленного торца, под воздействием которого электроны из катода электронной пушки - 6, подогретого нагревателем - 7, ускоряются к аноду 13, укрепленному на заземленном корпусе ускорителя. /Внутрь полости между трубами - 3 и - 4 электромагнитное поле не проникает, затухая в стенке трубы - 3./ Ускоренный электронный пучок - 15 через пролетное отверстие в аноде поступает в секцию рекуперации, составленную из индукторов, в каждом из которых размещен ферромагнитный сердечник - 16, в котором под воздействием импульсного тока пучка наводится импульсный магнитный поток, индуцирующий напряжение на индукторе-рекуператоре.
В результате взаимодействия электронного пучка с тормозящим электрическим полем, им же созданным, происходит рекуперация - кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию электромагнитного поля, часть которой возвращается по фидеру - 18 в ускоряющую секцию, где вместе с полем, созданным генератором - 29, расходуется на ускорение заряженных частиц. Фокусировка электронов в рекуператоре осуществляется продольной компонентой магнитного поля, создаваемого катушками - 17, питающимися электрическим током, вырабатываемым импульсным генератором - 31. Оставшаяся после рекуперации кинематическая энергия электронного пучка поглощается в коллекторе - 19. Одновременно с электронным пучком навстречу ему ускоряется трубчатый пучок дейтронов. Электронный пучок ускоряется внутри ионного пучка. Дейтроны образуются в источнике - 20, содержащем двенадцать идентичных сборок - 21, в состав каждой из которых входит по шесть идентичных искровых источников - 22. Импульс высоковольтного напряжения от источника, не показанного на чертежах, поступает по кабелям - 23 на источники - 22. Искровые зазоры, образованные торцами источников 22 и корпусом сборки - 32 вдоль стенок - 28 отверстий - 27, выполненных в торце керамического изолятора - пробиваются. На торцах источников - 22 образуются "катодные пятна" и из катода, изготовленного из дейтерида, циркония, десорбируется дейтерий. Ферритовые шайбы - 24 задерживают на время их намагничивания начальную стадию разряда, обеспечивая участие в нем всех источников - 22, независимо от того, на каком из них разряд начался раньше. /Поскольку напряжение, приложенное к источникам, на которых разряд еще не начался, остается в течение времени до магнитного насыщения материала шайб достаточным для пробоя искрового зазора./ Ускоренный пучок дейтронов бомбардирует нейтронообразующую мишень - 5 и вызывает нейтронный поток, который по трубе - 4 поступает к потребителю. Нейтроны, попавшие в полость между трубами - 3 и 4, поглощаются в растворе борной кислоты, не участвуя в активации ускоряющей секции.