Газонаполненная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов

Полезная модель относится к плазменной технике, к устройствам для генерации нейтронов и может быть использована для проведения ядерно-физических исследований, в досмотровых системах, при калибровках детекторов ионизирующих излучений и т.п.
-2
3
Известен прибор инерциального электростатического удержания (Inertial Electrostatic Confinement или IEC), описанный в работе (G.H. Miley A portable neutron/tunable X-ray source based on inertial electrostatic confinement // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 422 (1999) P. 16 – 20), который состоит из сферического металлического анода, используемого одновременно в качестве вакуумной камеры, внутрь анода помещен сетчатый частично прозрачный катод, имеющий сферическую форму, расположенный концентрично аноду. Электроды соединены с источником высокого напряжения порядка 100 кВ. Межэлектродный объем заполняется дейтерием (тяжелым водородом), давление которого варьируется в пределах (10÷1) Па. При включении источника напряжения между анодом и катодом образуется плазма. В плазме электроны ускоряются электрическим полем к аноду (уходят на периферию), а ионы ускоряются к центру системы (к катоду). Поскольку катод имеет не сплошную геометрию (обладает прозрачностью), ионы имеют возможность пролетать сквозь него периодически ускоряясь и замедляясь электрическим полем в межэлектродном промежутке. Таким образом, ионы неоднократно пролетают через центральную область прибора, где они вступают в ядерные реакции D+D=Не+n, в результате чего происходит генерация нейтронов.
Недостатками указанного устройства являются конструктивная сложность изготовления катода с хорошей степенью прозрачности, перегрев катода при высоких вкладываемых мощностях и отклонение электрического поля от сферической геометрии из-за наличия электрического ввода, связывающего катод с источником высокого напряжения.
3
4
3
4
Также известна газонаполненная нейтронная трубка (Сборник материалов межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе». М.: ВНИИА, 2003. С. 66 – 71), которая представляет собой миниатюрный линейный ускоритель ионов, с одной стороны которого расположен ионный источник, а с другой – твердотельная нейтронобразуюшая мишень. Генерация нейтронов происходит при бомбардировке ускоренными ионами мишени в результате ядерных реакций D(d,n)He или T(d,n)He. Получаемые при этом нейтроны имеют энергию 2,5 МэВ для реакции D(d,n)He и 14 МэВ для реакции T(d,n)He. Нейтронная трубка имеет три основных узла: ионный источник, ионнооптическая система, мишенный узел. В качестве ионного источника в трубке применен ионный источник типа Пенинга с холодным катодом. Рабочий газ (дейтерий, либо смесь дейтерия и трития) содержится в натекателе. На анод ионного источника подают модуляционное напряжение с частотой следования f от 400 Гц до 10 кГц с длительностью от 100 до 20 мкс соответственно.
Недостатками указанной газонаполненной нейтронной трубки  является малый ресурс работы из-за износа нейтронобразующей мишени в процессе работы, а также генерация нейтронов только одной энергии при работе трубки.
В качестве прототипа к данной полезной модели выбрана нейтронная трубка (патент РФ RU 158870 U1, МПК G21G 4/00 (2006.01), опубликован 20.01.2016), содержащая герметично запаянный изоляционный корпус, в котором размещены источник ионов Пенинга, хранилище рабочего газа, насыщенная изотопом водорода мишень, постоянный кольцевой магнит, размещенный соосно с источником ионов Пенинга, отличающаяся тем, что  она оснащена дополнительным идентичным источником ионов Пенинга, хранилищем рабочего газа и постоянным кольцевым магнитом, мишенный электрод содержит две симметричные мишени, насыщенные разными изотопами водорода, и расположен посередине корпуса, по торцам которого напротив мишеней размещены идентичные источники ионов Пенинга.
Недостатком прототипа является малый ресурс работы нейтронной трубки из-за износа нейтронобразующих мишеней в процессе работы нейтронной трубки.
Техническим результатом является увеличение ресурса работы нейтронной трубки. Что достигается за счет отсутствия износа нейтронобразующей мишени путем исключения из конструкции трубки твердотельной мишени и осуществления реакций ядерного синтеза с использованием газоплазменной мишени.
Технический результат достигается тем, что газонаполненная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов, содержащая первый цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала герметично присоединенный к его торцу первый полый торцевой электрод со сквозным отверстием, источник ионов Пенинга, герметично присоединенный к первому полому торцевому электроду с противоположной стороны относительно первого цилиндрического изоляционного корпуса, кольцевой постоянный магнит, установленный на источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную к первому полому торцевому электроду, хранилище рабочего газа, расположенное внутри источника ионов Пенинга, также содержащая второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу второй полый торцевой электрод, дополнительно содержит полый ускоряющий электрод, герметично присоединенный к торцам цилиндрических изоляционных корпусов с противоположных сторон относительно полых торцевых электродов, дополнительный кольцевой постоянный магнит, установленный на полый ускоряющий электрод посередине между цилиндрическими изоляционными корпусами; цилиндрические изоляционные корпуса имеют одинаковую геометрию; полые торцевые электроды имеют одинаковую геометрию за исключением того, что на оси первого полого торцевого электрода сделано сквозное отверстие; дополнительный кольцевой постоянный магнит, цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, отверстие, источник ионов Пенинга и кольцевой постоянный магнит расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса и полые торцевые электроды расположены симметрично относительно полого ускоряющего электрода; полый ускоряющий и полые торцевые электроды являются фигурами вращения вокруг центральной оси газонаполненной нейтронной трубки и имеют полости вблизи оси; полый ускоряющий электрод симметричен относительно его центра.
На чертеже представлена схема газонаполненной нейтронной трубки с инерциальным удержанием ионов.
Принятые обозначения: 1 – два цилиндрических изоляционных корпуса; 2 – два полых торцевых электрода; 3 – полый ускоряющий электрод; 4 – отверстие; 5 – источник ионов Пенинга; 6 – кольцевой постоянный магнит; 7 – хранилище рабочего газа, 8 – дополнительный кольцевой постоянный магнит.
Устройство состоит из двух цилиндрических изоляционных корпусов 1, выполненных из диэлектрического материала, полого ускоряющего электрода 3 с установленным на нем дополнительным кольцевым постоянным магнитом 8, двух полых торцевых электродов 2, размещенных с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3, соосно с ним, в одном из полых торцевых электродов 2 сделано сквозное отверстие 4 произвольной формы на оси полого торцевого электрода 2. Устройство также содержит источник 5 ионов Пенинга, установленный на полом торцевом электроде 2 с отверстием 4, кольцевой постоянный магнит 6 и хранилище 7 рабочего газа.
Устройство работает следующим образом.
3
4
4
3
4
4
3
4
4
Рабочий газ (тяжелые изотопы водорода: дейтерий, тритий или их смесь) содержится в хранилище 7 рабочего газа. Выделение рабочего газа происходит в результате термодесорбции при протекании электрического тока через хранилище 7 рабочего газа. Ионы в источнике 5 ионов Пенинга образуются при горении газового разряда в скрещенных электрических и магнитных полях. Для создания аксиального магнитного поля в источнике 5 ионов Пенинга используется кольцевой постоянный магнит 6, установленный на источник 5 ионов Пенинга соосно ему и вплотную к первому полому торцевому электроду 2. Источник 5 ионов Пенинга герметично присоединен к первому полому торцевому электроду 2, на оси которого, сделано сквозное отверстие 4 произвольной формы и размера. Ионы из источника 5 ионов Пенинга через отверстие 4 попадают в основной объем устройства, ограниченный полыми торцевыми электродами 2, полым ускоряющим электродом 3 и цилиндрическими изоляционными корпусами 1. Полый ускоряющий электрод 3 расположен между цилиндрическими изоляционными корпусами 1, герметично и соосно закреплен с ними. На противоположных торцах цилиндрических изоляционных корпусов 1 герметично и соосно закреплены полые торцевые электроды 2 первый – с отверстием 4 на оси и второй – без отверстия. На полые торцевые электроды 2 и полый ускоряющий электрод 3 подается разность потенциалов таким образом, чтобы полые торцевые электроды 2 находились под одним потенциалом (или под близкими потенциалами), а на полом ускоряющем электроде 3 потенциал был отрицательным относительно полых торцевых электродов 2. Обычно: полые торцевые электроды 2 заземляются, а на полый ускоряющий электрод 3 подается напряжение отрицательной полярности. Величина подаваемого напряжения определяет нейтронный выход устройства и должна быть достаточна для осуществления ядерных реакций D(d,n)He, T(t,2n)He или T(d,n)He. После подачи разности потенциалов на полые торцевые 2 и полый ускоряющий 3 электроды в межэлектродных промежутках возникает электрическое поле. Электрическое поле ускоряет ионы, проходящие из источника 5 ионов Пенинга через отверстие 4, к центру полого ускоряющего электрода 3. Проходя сквозь полость ускоряющего электрода 3 ускоренные ионы тормозятся электрическим полем вблизи второго полого торцевого электрода 2, после чего, ускоряются электрическим полем в обратном направлении к центру полого ускоряющего электрода 3, потом, опять тормозятся вблизи первого полого торцевого электрода 2, затем опять ускоряются и т. д. Таким образом, реализуется режим работы устройства с инерциальным удержанием ионов, при котором, ионы совершают колебательные движения между полыми торцевыми электродами 2 через полость ускоряющего электрода 3. Генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерных реакций D(d,n)He, T(t,2n)He или T(d,n)He при взаимодействии колеблющихся ионов с газоплазменной мишенью, возникающей при работе устройства, а именно, с ядрами молекул или атомов заполняющего объем устройства рабочего газа или со встречно колеблющимися ионами. Объем устройства заполняется рабочим газом из хранилища 7 рабочего газа. Тип реакции, в результате которой происходит генерация нейтронов определяется типом рабочего газа, содержащегося в хранилище 7 рабочего газа. Если хранилище 7 рабочего газа содержит дейтерий, то генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакции D(d,n)He, если хранилище 7 рабочего газа содержит тритий, то генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакции T(t,2n)He, если хранилище 7 рабочего газа содержит смесь дейтерия и трития, то генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакции T(d,n)He.
При колебании ионов через полость ускоряющего электрода 3 часть ионов попадает на его поверхность, вызывая интенсивную вторичную ион-электронную эмиссию. Образовавшиеся вблизи полого ускоряющего электрода 3 вторичные электроны ускоряются под действием электрического поля в сторону полых торцевых электродов 2 и обеспечивают протекание в устройстве тока вторичных электронов. Ток вторичных электронов является паразитным и может составлять существенную часть суммарного разрядного тока, снижая эффективность работы устройства. Для того, чтобы образующиеся вблизи полого ускоряющего электрода 3 вторичные электроны не доходили до полых торцевых электродов 2 на полый ускоряющий электрод 3 соосно с ним устанавливается дополнительный кольцевой постоянный магнит 8 (дополнительный кольцевой постоянный магнит 8 может набираться из сегментов или встраиваться в полый ускоряющий электрод 3 для упрощения конструкции или удобства его размещения). Дополнительный кольцевой постоянный магнит 8 создает близи полого ускоряющего электрода 3 магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю, это приводит к изменению траекторий вторичных электронов, не давая им доходить до полых торцевых электродов 2, тем самым, исключая влияние тока вторичных электронов на эффективность работы системы. Для того, чтобы влияние на траектории вторичных электронов с обоих сторон от полого ускоряющего электрода 3 было одинаковым, дополнительный кольцевой постоянный магнит 8 размещается посередине между двумя цилиндрическими изоляционными корпусами 1.
Полые торцевые электроды 2 имеют одинаковую форму и геометрию, за исключением того, что первый полый торцевой электрод 2, к которому подсоединен источник 5 ионов Пенинга имеет отверстие 4, которое отсутствует во втором полом торцевом электроде 2. Полые торцевые электроды 2 располагаются симметрично с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3 соосно с ним и на одинаковом расстоянии, которое определяется рабочим напряжением и может быть различным. Разделяющие полые торцевые электроды 2 и полый ускоряющий электрод 3 цилиндрические изоляционные корпуса 1 выполнены из диэлектрического материала, имеют одинаковую форму и геометрию, располагаются симметрично с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3 соосно с ним. Полый ускоряющий электрод 3 и полые торцевые электроды 2 имеют форму фигур вращения вокруг центральной оси трубки, при этом, полый ускоряющий электрод 3 симметричен относительно своего центра. Для обеспечения работоспособности данного устройства необходимо, чтобы полый ускоряющий электрод 3 и полые торцевые электроды 2 имели полости вблизи центральной оси, это достигается путем применения в их конструкции поверхностей различных типов (например, цилиндрических, конусных, сферических или других более сложных конфигураций). В конечном счете, форма полого ускоряющего электрода 3, полых торцевых электродов 2 и форма полостей полого ускоряющего 3 и полых торцевых электродов 2 не оказывает влияния на достижение технического результата.  Обычно, для получения хороших рабочих характеристик устройства геометрия полого ускоряющего электрода 3 и полых торцевых электродов 2 выбирается такой, чтобы размеры полостей в них были достаточны для беспрепятственного прохождения ионов из источника 5 ионов Пенинга и обеспечения их колебательного движения. Полый ускоряющий 3 и полые торцевые электроды 2 не должны контактировать с цилиндрическими изоляционными корпусами 1 за исключением мест их герметичных соединений, размер зазоров между поверхностями цилиндрических изоляционных корпусов 1, полого ускоряющего 3 и полых торцевых 2 электродов выбираются достаточными для обеспечения электропрочности, обычно не менее 5 мм. Габаритные размеры (внешний диаметр) полых торцевых электродов 2, полого ускоряющего электрода 3, дополнительного кольцевого постоянного магнита 8 и цилиндрических изоляционных корпусов 1 могут отличаться. Например, в использованной авторами конструкции отличие составляло примерно 15 мм. Трубка имела габаритные размеры Ø55×260мм, диаметры цилиндрических изоляционных корпусов 1 составляли Ø43 мм, диаметры полых торцевых электродов 2 составляли Ø40 мм, диаметр полого ускоряющего электрода 3 составлял Ø45 мм, диаметр дополнительного кольцевого постоянного магнита 8 составлял Ø55 мм. Обычно, требования к размерам нейтронной трубки определяются технологическим процессом ее изготовления или параметрами системы,  в которой используется нейтронная трубка. Опираясь на опыт применения нейтронных трубок, делается заключение, что наиболее востребованными будут трубки диаметром от Ø20 до Ø150 мм и длиной от 100 до 1000 мм.
В конструкции устройства используется источник 5 ионов Пенинга стандартной конструкции, аксиальное магнитное поле в котором создается кольцевым постоянным магнитом 6, при этом, допускается использование источников 5 ионов Пенинга различных конфигураций, любой из известных конструкций. Например, в использованной авторами конструкции габаритные размеры источника 5 ионов Пенинга составляли Ø20×40мм, а использованный кольцевой постоянный магнит 6 имел диаметр Ø30мм.
Хранилище 7 рабочего газа является отдельным конструктивным элементом и располагается в произвольном месте внутри источника 5 ионов Пенинга, обычно хранилище 7 рабочего газа отделяют от области горения газового разряда (как это показано на чертеже).
В отличие от твердотельной мишени, которая изнашивается в процессе работы при взаимодействии с пучками ускоренных ионов, генерация нейтронов в данном устройстве осуществляется при взаимодействии колеблющихся ионов с газоплазменной мишенью, возникающей при работе устройства, а именно, с ядрами заполняющего объем устройства рабочего газа или со встречно колеблющимися ионами. Свойства газоплазменной мишени поддерживаются на необходимом уровне параметрами разряда и практически не меняются во времени. Отсутствие твердой мишени приводит к отсутствию изнашиваемого элемента в конструкции нейтронной трубки (к  отсутствию износа нейтронобразующей мишени), это положительно сказывается на ресурсе работы устройства.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно: увеличение ресурса работы нейтронной трубки. Что достигается за счет отсутствия износа нейтронобразующей мишени путем исключения из конструкции трубки твердотельной мишени и осуществления реакций ядерного синтеза с использованием газоплазменной мишени.