ИОННЫЙ ДИОД ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ НЕЙТРОНОВ

Полезная модель относится к области техники ускорения ионов в электростатических полях, конкретно к приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии нуклидов тяжелого водорода для использования в прикладных задачах науки и техники, например для геофизических применений.
Известны нейтронные генераторы на основе ускорителей прямого действия [1], состоящие из анода с источником дейтронов и катода, содержащей тритий и (или) дейтерий, которые находятся в вакуумном корпусе. При приложении к этим электродам высокого напряжения от анод осуществляется ускорение дейтронов к катоду - твердой мишени, где в результате ядерных реакций синтеза образуется поток быстрых нейтронов. Недостатком такого нейтронного генератора является подверженность мишени воздействию ионного пучка, приводящего к разрушению реакционного слоя мишени, а также ее нагреву, и, как следствие, десорбции изотопов водорода в рабочий объем и обеднению реакционного слоя. Эти факторы ограничивают ресурс мишени, а если речь идет о запаянном приборе, то ограничивается ресурс изделия в целом.
Этого недостатка лишен нейтронный генератор на основе ионного диода с потоком нуклидов тяжелого водорода, осциллирующим в электростатическом поле. К числу таких систем относятся низкотемпературные плазменные IEC-диоды (Inertial Electrostatic Confinement). Среди них наиболее близким к предлагаемому техническому решению является IEC-диод, описанный в работе [2]. Устройство состоит из сферического металлического анода, служащего в качестве вакуумной камеры, и расположенного внутри анода полого, частично прозрачного катода, выполненного в виде сферы из металлических конструкций.
2
Электроды соединены с источником высокого напряжения U~100 кВ. Рабочий объем диода заполняется дейтерием, давление которого может варьироваться в пределах ~ (1-10) Па. При работе диода между анодом и катодом возникает плазма тлеющего разряда, из которой дейтроны ускоряются к катоду и могут многократно проходить через частично прозрачный катод, при этом они могут сталкиваться как с дейтронами плазмы внутри анода и катода, так и там же со встречными дейтронами. В результате ядерных реакций синтеза в данном устройстве происходит генерация нейтронов.
Недостатками указанного устройства являются конструктивная сложность изготовления катода с хорошей степенью прозрачности и принципиальное нарушение сферической симметрии анода и катода из-за наличия у катода электрического вывода, связывающего катод с источником высокого напряжения и проходящего через анод. Это приводит к бомбардировке электрического вывода ускоренными ионами и быстрому выходу его из строя.
А
k
с
Этого недостатка лишен нейтронный генератор на основе IEC-диода с внутренним полым катодом, охватываемым внешним цилиндрическим анодом [3], взятый за прототип. Ионный диод, описанный в прототипе, содержит цилиндрический анод радиуса r и высотой Η и катод, соосно-расположенный внутри анода. Катод выполнен в виде двух параллельных соосных дисков радиуса r, соединенных между собой с помощью N≥4 металлических стержней длиной h и радиусом ρ, расположенных перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси диода на расстоянии r от нее. При этом выполняются неравенства:
Условия (1) получены в результате перебора геометрических размеров диода и устанавливают соотношения размеров, при которых достигается максимальное значение нейтронного потока, излучаемого диодом в полный телесный угол.
А
Прозрачность катода, зависящая в основном от отношения радиуса ρ стержней, стягивающих катодные диски, к радиусу анода r, подбирается так, чтобы отдельный нуклид водорода мог с большой вероятностью беспрепятственно пролетать через катодную полость, потеряв часть своей энергии на столкновениях в плазме. В результате происходит его захват в промежутке между анодом и катодом, где он начинает осциллировать. Таким образом, в радиальном направлении, формируются два встречных потока дейтронов, которые взаимодействуют с плазмой в области, охватываемой катодом (канал «пучок-плазма») и между собой (канал «пучок-пучок»). Однако и в этой оптимизированной геометрии устройства ток ускоренных электронов и молекулярных ионов в несколько раз превышает ток ускоренных ионов (дейтронов) в связи с постоянным заполнением газом всего объема ускорительной системы в том числе возле высоковольтного ввода, что снижает КПД устройства и эффективность генерации нейтронов.
Техническим результатом полезной модели является увеличение тока ускоренных нуклидов водорода в среднем от 3 до 10 раз при сохранении длительности импульса, а также исключение пробоев в электродном промежутке, что позволяет использовать всю энергию источника высоковольтного напряжения на ускорение дейтронов, а не молекулярных ионов изотопа водорода, что соответственно повышает КПД устройства.
к
Этот результат достигается тем, что в известном устройстве [3], содержащем полый катод, состоящий из двух дисков радиуса r, расположенных друг от друга на расстоянии h, удовлетворяющем условию, полученному из неравенств (1):
полый анод, охватывающий рабочую область диода между катодными дисками и источник высоковольтного напряжения, соединенный с анодом и катодом, диод дополнительно снабжен импульсным лазером, аксиконом и линзой, последовательно расположенными на оси диода в направлении к аноду так, чтобы фокальная плоскость линзы пересекала внутреннюю поверхность анода, имеющего в фокальной плоскости линзы вставку для насыщения ее изотопом тяжелого водорода с поверхностью тороидальной формы согласно формуле:
А
где r- радиус анода, ρ - радиус тора, r - радиус вектор, ψ - угол между наименьшим отрезком, соединяющим точку на тороидальной поверхности с осью тора, и плоскостью, проходящей через ось тора, изменяющийся в пределах:
причем радиус тора удовлетворяет условию:
-4
Предлагаемое устройство поясняется Фиг. 1, на которой представлена схема расположения элементов импульсного генератора нейтронов, содержащая следующие позиции: 1 - источник высоковольтного напряжения, 2 - анод со встроенным источников ионов тяжелых изотопов водорода, 3 - катодные диски, 4 - высоковольтный изолятор, 5 - высоковольтный ввод в камеру, 6 - вакуумная камера, 7 - насос, обеспечивающий давление в вакуумной камере порядка 10 торр., 8 - оптический ввод в вакуумную камеру, 9 - фокусирующая линза, 10 - аксикон, 11 - импульсный лазер.
Неравенства (2) следуют из неравенств (1) и определяют соотношения между размерами анода и катода, при которых достигается максимальное значение нейтронного выхода для диодной системы, поясняемой Фиг. 2.
Равенство (3) регулирует геометрическое место точек анода, имеющего форму близкую к тороидальной в целях максимального увеличения радиуса кривизны поверхности анода, необходимой для обеспечения максимальной электрической прочности зазора между анодом и катодными дисками, что поясняется Фиг. 3. Неравенство (4) определяет максимальный и минимальный пределы радиуса тора 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.
-4
Устройство работает следующим образом. Рабочий объем диода откачивается до давлений порядка 10 торр. Под воздействием импульса излучения лазера, проходящего через фокусирующую систему с аксиконом, на фокальной плоскости фокусирующей системы в месте пересечении с анодной вставкой, насыщенной изотопом тяжелого водорода, формируется плазма в виде кольца. Под воздействием импульсного напряжения с амплитудой более 100 кВ от анода, из плазмы ускоряются дейтроны в полый катод с энергий достаточной для протекания ядерных реакций синтеза. Поэтому внутри полого катода происходит многократная осцилляция дейтронов с образованием нейтронов. В связи с осевой симметрией устройства, наибольшая вероятность генерации нейтронов находится вблизи оси катода.
Предлагаемое устройство позволяет до 10 раз увеличить нейтронный выход устройства вследствие увеличения тока ускоренных нуклидов водорода в среднем от 3 до 10 раз. 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. Богданович Б.Ю., Нестерович А.В., Шиканов А.Е., Ворогушин М.Ф., Свистунов Ю.А. Дистанционный радиационный контроль с линейными ускорителями заряженных частиц. Т.1. Линейные ускорители для генерации тормозного излучения и нейтронов. М., Энергоатомиздат, 2009, 272 с.
2. Miley G.H., Sved J.Appl. Radiat. Isot, 1997, V. 48, №10-12, p.1557-1561.
3. Замятнин В.Ю., Козловский К.И., Самарин А.В., Цыбин А.С., Хасая Д.Р., Шиканов А.Е. Ионный диод для генерации нейтронов. Патент РФ на изобретение №2461151 от 10.09.2012 г.