ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области нейтронной техники, конкретно, к приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии нуклидов тяжелого водорода для использования в прикладных задачах науки и техники, например, в досмотровых системах безопасности, комплексах добычи углеводородного сырья, радиационной томографии и терапии, системах элементного анализа состава вещества.
Известен ионный триод для генерации нейтронов [1], содержащий полые цилиндрический катод и анод со встроенным источником нуклидов тяжелого водорода, в котором полый цилиндрический катод выполнен в виде постоянного магнита с продольной намагниченностью, анод состоит из двух частей, соосно и симметрично расположенных по обе стороны катода, и содержит обращенные друг к другу источники нуклидов тяжелого водорода.
Применение изолирующего поля, формируемого постоянными магнитными элементами, препятствуют движению к аноду образующихся в межэлектродном промежутке электронов, тем самым позволяет расширить верхний предел ускоряющего напряжения и дейтронного тока. Другое достоинство данной системы заключается в увеличении ресурса нейтронообразующей мишени за счет ее замены с твердотельной на плазменную.
Одновременно с этим, экспериментальные исследования по ускорению потоков дейтронов с подавлением электронной проводимости [2, 3] выявили недостатки, связанные со сложной пространственной конфигурацией и неоднородностью поля постоянных магнитов. Они проявляются в невозможности создания во всем пространстве между катодом и фронтом лазерной плазмы (т.е. плазменным анодом) продольного магнитного поля с индукцией не менее 0.4 Тл, что требуется для полного подавления электронной проводимости диода при энергии лазера W>0.1 Дж. В свою очередь это приводит к пробойным явлениям в области диодного зазора при попытках увеличения верхней границы ускоряющего напряжения, а также к неполному извлечению и ускорению дейтронов.
Рассмотренные недостатки в меньшей степени проявляются в диодах с импульсной магнитной изоляцией электронного компонента тока [4, 5] и лазерной дейтерийсодержащей мишенью на аноде. Такая диодная система имеет коаксиальную геометрию электродов с внутренним анодом, охватываемым пустотелым цилиндрическим катодом. В диоде организовано ускорение дейтронов, извлекаемых из анодной мишени, к нейтронообразующей мишени на катоде.
Среди них наиболее близким к предлагаемому техническому решению является импульсный генераторов нейтронов с магнитной изоляцией импульсным полем спиральной линии, описанный в работе [4]. Он представляет собой откачиваемую камеру с азимутально симметричной, соосной системой электродов. На аноде располагается плазмообразующая мишень с изотопом водорода, у поверхности которой под действием сфокусированного импульса лазерного излучения образовывается плазма. На внутренней поверхности катода располагается металлотритиевая или металлодейтериевая нейтронообразующая мишень. Магнитное поле в ограниченном пространстве у катода формируется при помощи спиральной линии, образующая поверхность которой повторяет форму поверхности нейтронообразующей мишени (катода). На эту линию подается необходимый импульс тока, создающий магнитное поле, локализованное в пространстве между катодом и плазмой у анода, усиленное за счет возникновения встречного азимутального индукционного тока в катодном электроде. В этом случае значительно уменьшается воздействие изолирующего магнитного поля на дейтронный компонент плазмы ионного источника.
Таким образом, магнитное поле позволяет осуществлять эффективную магнитную изоляцию ускоряющего зазора и обеспечивать его электрическую прочность в течение времени ускорения дейтронов из лазерной плазмы.
Недостатком описанного устройства является наличие твердотельной нейтронообразующей мишени. При больших плотностях тока дейтронов, достигаемых в устройстве прототипа [4], нейтронообразующая мишень быстро деградирует и имеет невысокий ресурс.Это приводит к высокому расходу трития и дейтерия и небольшому сроку службы мишени и всего импульсного генератора нейтронов.
6
9
11
Технический результат предлагаемой полезной модели направлен на увеличение ресурса работы импульсного генератора нейтронов (не менее 10 имп.), одновременно, на значительное увеличение нейтронного выхода (до 10 нейтр./имп.(D+D), до 10 нейтр./имп.(D+T)) за счет реализации плазменной нейтронообразующей мишени, одновременного применения механизмов инерциально-электростатического удержания ускоренных дейтронов и магнитной изоляции электронов вне и внутри полого катода.
k
M
a
Этот результат достигается тем, что в известном импульсном генераторе нейтронов, содержащем трансформатор с низковольтным и высоковольтным выводами, разрядник и вакуумную камеру с высоковольтным и низковольтным изоляторами, охватывающую цилиндрический анод с плазмообразующей мишенью с изотопами водорода, и соосно-расположенный внутри цилиндрического анода полый катод, полый катод выполнен в виде спирали с поверхностью сферической формы радиуса r, один конец которой подключен через низковольтный изолятор к низковольтному выводу трансформатора, а другой конец спирали подсоединен к вакуумной камере, при этом плазмообразующая мишень с радиусом r выполнена из диэлектрика и расположена на внутренней поверхности цилиндрического анода радиуса r и с длиной  равной длине анода, который подключен через высоковольтный изолятор вакуумной камеры и разрядник к высоковольтному выводу трансформатора, кроме этого размеры полого катода, цилиндрического анода и плазмообразующей мишени удовлетворяют следующим соотношениям:
Неравенства (1) регулирует максимальный и минимальный пределы отношения длины цилиндрического анода и радиуса полого катода сферической формы, при которых достигается максимальное значение нейтронного выхода. Нижний и верхний пределы определяются исходя из эффективного КПД использования диэлектрической плазмообразующей мишени с изотопами водорода и магнитной изоляции, а также условия использования энергии на создание магнитной изоляции.
Неравенства (2) регулирует максимальный и минимальный пределы отношения радиусов диэлектрической плазмообразующей мишени с изотопами водорода и полого катода сферической формы, при которых достигается наилучшее образование плазменного сгустка. Нижний предел является условием достаточной электроизоляции вакуумного промежутка между диэлектрической плазмообразующей мишенью с изотопами водорода и полым катодом сферической формы в условиях наличия магнитного поля полого катода сферической формы, а верхний предел определяется условием образования скользящего разряда и плазменного сгустка.
Неравенства (3) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения радиуса цилиндрического анода и радиуса диэлектрической плазмообразующей мишени с изотопами водорода, при которых достигается оптимальная толщина диэлектрической плазмообразующей мишени с изотопами водорода. Нижний предел толщины диэлектрической плазмообразующей мишени с изотопами водорода определяется исходя из ее ресурса, а верхний предел определяется экономией материала.
Предлагаемое устройство поясняется фигурой 1, на которой представлен конкретный пример его исполнения и схема расположения элементов импульсного генератора нейтронов, содержащая следующие позиции: 1 - источник высоковольтного напряжения, 2 - коммутатор, 3 -накопительная емкость, 4 - низковольтный вывод трансформатора, 5 - трансформатор, 6 - высоковольтный вывод трансформатора, 7 - высоковольтная емкость, 8 - разрядник, 9 - высоковольтный изолятор, 10 - низковольтный изолятор, 11 - цилиндрический анод, 12 - диэлектрическая плазмообразующая мишень с изотопами водорода, 13 - полый катод в виде спирали с поверхностью сферической формы, 14 - вакуумная камера.
-4
Устройство работает следующим образом. Рабочий объем вакуумной камеры 14 откачивается до давлений не хуже 10 торр. Источник высоковольтного напряжения 1 заряжает накопительную емкость 3. Далее накопительная емкость 3 разряжается через коммутатор 2 и через низковольтный вывод 4 трансформатора 5 на заземленную вакуумную камеру. Через высоковольтный вывод 6 трансформатора 5 заряжается высоковольтная емкость 7. При достижении критического напряжения запасенная энергия высоковольтной емкости 7 через разрядник 8 и через высоковольтный изолятор 9 подается в виде импульса высокого напряжения на цилиндрический анод 11. Извлечение дейтронов из образующейся плазмы поверхностного разряда на внутренней поверхности плазмообразующей мишени 12 из диэлектрика с изотопами водорода и последующее ускорение ионов изотопов водорода осуществляется в радиальном направлении внутрь полого катода 13 в виде спирали с поверхностью сферической формы к его центру. Размещение диэлектрической плазмообразующей мишени с изотопами водорода 12 на внутренней поверхности цилиндрическом анода 11 решает проблему с развитием пробоя между анодом и полым катодом, поскольку ток в спирали полого катода и изолирующее электроны магнитное поле достигают максимума в момент срабатывания разрядника 8. Импульсное продольное изолирующее электроны магнитное поле величиной около 0,5 Тл осуществляют подавление тока автоэлектронной эмиссии и тока ионно-электронной эмиссии, возникающего в результате бомбардировки катода ускоренными дейтронами. Тем более, что импульсное магнитное создается и усиливается ограниченном пространстве между цилиндрическим анодом и полым катодом током вдоль его сферической спирали.
Нейтроны образуются внутри полого катода при встречном движении потоков дейтронов и/или дейтронов и тритонов, сфокусированных в центре сферической спирали.
Предлагаемое устройство позволяет существенно повысить ресурс его непрерывной работы по сравнению с известными нейтронными генераторами с твердотельными нейтронообразующими мишенями. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет увеличить нейтронный выход устройства вследствие комбинированного применения механизмов инерциально-электростатического удержания ускоренных дейтронов и магнитной изоляции электронов в межэлектродном промежутке. Это особенно важно с точки зрения возможного применения ускорителя в качестве элемента портативных систем неразрушающего контроля, в том числе 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. Вовченко Е.Д., Дулатов А.К., Исаев А.А., Козловский К.И., Лемешко Б.Д., Прокуратов И.А., Шиканов А.Е. Ионный диод для генерации нейтронов. Патент РФ на полезную модель №149963 от 14.07.2014 г.
2. Шиканов А.Е., Вовченко Е.Д., Козловский К.И., Шатохин В.Л. Диод для ускорения нуклидов водорода с подавлением электронной проводимости внутренним кольцевым магнитом. Письма в Журнал технической физики, т.41, вып. 10, 2015, с. 104-110.
3. Шиканов А.Е., Вовченко Е.Д., Козловский К.И. Генерация нейтронов в плазменном диоде с изоляцией электронов полем постоянного магнита. Атомная энергия, т. 119, вып. 4, 2015, с. 210-215.
4. Диденко А.Н., Шиканов А.Е., Козловский К.И., Шатохин В.Л., Пономарев Д.Д. Малогабаритные плазменные диоды с магнитной изоляцией для генерации нейтронов. Физика плазмы, т. 40, №11, 2014, с. 1025-1034.
5. Козловский К.И., Пономарев Д.Д., Рыжков В.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Экспериментальное исследование макета малогабаритного генератора нейтронов с импульсной магнитной изоляцией. Атомная энергия, т. 112, вып. 3, 2012, с. 182-184.