ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ

Полезная модель относится к области техники ускорения ионов в электростатических полях, конкретно, к приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии нуклидов тяжелого водорода.
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 (Inertial Electrostatic Confinement.) - диоды. Первые технические решения таких приборов были предложены в США [2].
Среди них наиболее близким к предлагаемому техническому решению является IEC - диод, описанный в работе [3], который может быть взят за прототип. Устройство, описанное в прототипе, состоит из сферического металлического анода, служащего в качестве вакуумной камеры, и расположенного внутри анода полого катода, выполненного в виде сферы из металлических конструкций частично прозрачным.
-2
Электроды соединены с источником высокого напряжения U~100 кВ. Рабочий объем диода заполняется дейтерием, давление которого может варьироваться в пределах ~(10÷1) Па. При работе диода между анодом и катодом возникает плазма тлеющего разряда, из которой дейтроны ускоряются к катоду, могут многократно проходить через частично прозрачный катод, при этом могут сталкиваться как с дейтронами плазмы внутри анода и катода, так и там же со встречными дейтронами. В результате, в устройстве прототипа может происходить генерация нейтронов.
Недостатками указанного устройства являются: невозможность эффективной генерации нейтронов в режиме коротких импульсов (длительностью менее 50 мкс).
Техническим результатом предлагаемого устройства является создание условий для генерации нейтронов в режиме коротких импульсов с длительностью (0,1-10 мкс).
Этот результат достигается тем, что в известном устройстве [3], содержащем источник высокого напряжения, в среде тяжелого водорода заземленный анод и соосно расположенный внутри анода полый катод в виде двух параллельных соосных дисков, соединенных между собой помощью металлических стержней, расположенных перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси катода, введен низковольтный источник постоянного напряжения 300<U<1000 В, соединенный с катодом через катушку с индуктивностью 0,1<L<10 мГн, а высоковольтный источник выполнен в виде генератора импульсных напряжений (ГИН), соединенного с катодом через конденсатор с емкостью 0,1<C<10 нФ. Подача низковольтного напряжения в указанном диапазоне напряжения осуществляет предионизацию газа в межэлектродном промежутке в постоянном (ждущем) режиме. Когда от ГИН поступает высоковольтный (более 100 кВ) импульс длительностью менее 10 мкс происходит без задержки на зажигание разряда в газе ускорение ионов внутрь полого катода и многократные их колебания перпендикулярно оси устройства. Тем самым предложенное устройство в отличие от прототипа может в принципе работать в режиме коротких импульсов менее 10 мкс.
Предлагаемое устройство поясняется фигурой 1, где представлена схема расположения электродов ионного диода для генерации нейтронов. 1- анод, 2-катодные диски, 3 - соединительные стержни показаны в разрезах вдоль и поперек оси диода, 4 - источник постоянного напряжения, 5 - генератор импульсных напряжений, L - катушка индуктивности, C - конденсатор.
3
4
4
Устройство работает следующим образом. Под действием высокого напряжения (~100 кВ) в межэлектродном пространстве загорается разряд с полым катодом [3], характеризуемый большой величиной катодного падения потенциала (порядка напряжения на диодном зазоре). Ионы тяжелого водорода, извлекаемые из прианодной плазмы (положительного плазменного столба разряда) ускоряются в области катодного падения потенциала до энергий достаточных для протекания ядерных реакций D(d,n)He, T(d,n)He или D(t,n)He.
Прозрачность катода 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 потенциальной яме между анодом и катодом (см. фигуру 1), где он начинает осциллировать. Таким образом, в радиальном направлении, формируются два встречных потока дейтронов, которые взаимодействуют с плазмой в области, охватываемой катодом и между собой.
В процессе осцилляций дейтроны тормозятся в катодной плазме в результате ионно-электронных столкновений. Замедленные дейтроны в результате перезарядки выбывают из осциллирующего ансамбля, образуя термализованные дейтроны в катодной полости. Эти дейтроны диффундируют в вертикальном направлении к внутренним поверхностям катодных дисков, рекомбинируя в процессе диффузии.
Дейтроны, попадающие на поверхность катода, образуют потоки электронов ионно-электронной эмиссии. Часть этих электронов, вылетающих с внутренних поверхностей катода, способствует росту концентрации плазмы внутри катода за счет дополнительной ионизации электронным ударом (эффект полого катода [3]).
В процессе установления квазистационарного режима разряда число быстрых дейтронов, пересекающих катодную полость, увеличивается до тех пор, пока их эмиссионный ток из плазмы положительного столба не компенсируется их уходом за счет прямого попадания на катод и перезарядки.
-2
-1
-1
Нейтроны образуются по двум каналам: «пучок-плазма», соответствующем взаимодействию быстрых осциллирующих дейтронов с дейтронами плазмы, находящейся в центральной области, и «пучок-пучок», соответствующем взаимодействию осциллирующих дейтронов между собой. Экспериментальные результаты свидетельствуют, что при давлении дейтерия ~(10÷10) Па основная доля ядерных событий (актов генерации нейтронов) приходится на канал «пучок-пучок», а при давлении ~(10÷1) Па - на канал «пучок-плазма».
A
K
C
-2
-2
-2
-2
Рассмотрим пример конкретной реализации устройства в малогабаритном варианте диода с чистым дейтериевым заполнением соответствующем следующей геометрии: N=4; r=5.10 м; r=4.10 м; r=2.10 м; Н=3.10 м и параметров p=1; 0.5; 0.3; 0.1 Па.м/эВ.
Результаты компьютерного расчета с использованием формулы (2) для указанных геометрических и термодинамических условий представлены на фигуре 2.
9
Оценки показывают, что при переходе на дейтерий- тритиевое заполнение рабочего объема диода нейтронный поток может в той же геометрии достигать значений ~10 н/с.
Разработка и внедрение предлагаемого устройства для исследования нефтегазовых и рудных скважин позволит увеличить ресурс скважинных генераторов нейтронов, применяемых для импульсного нейтронного каротажа.
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. Mliey G.H., Sved J. Appl. Radiat. Isot. V.48, №10-12, 1997, 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.
4. Москалев Б. Н. Разряд с полым катодом, М., Наука. 1967.