УСКОРИТЕЛЬНАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА
ACCELERATING NEUTRON TUBE

Изобретение относится к области ускорительной техники, в частности к вакуумным приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии импульсных потоков ускоренных нуклидов водорода с твердыми мишенями, содержащими изотопы тяжелого водорода.
Известны вакуумные нейтронные трубки (ВНТ) [1, 2], в которых осуществляется ускорение дейтронов к твердой мишени, содержащей тритий, где в результате ядерных реакций синтеза образуется поток быстрых нейтронов.
В этих приборах ускорение дейтронов осуществляется вдоль оси симметрии ВНТ, что ограничивает первеанс ее диодной системы, а, следовательно, и нейтронный поток, излучаемый мишенью. Поэтому такие приборы затруднительно использовать в транспортабельной аппаратуре нейтронного элементного анализа, а также для обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов и веществ.
Известна также вакуумная нейтронная трубка, описанная в работе [3]. В этой трубке ускорение дейтронов осуществляется в радиальном направлении, перпендикулярно оси симметрии, что позволяет значительно увеличить первеанс диодной системы. Это техническое решение может быть выбрано в качестве прототипа, как наиболее близкое по существенным признакам к заявляемому.
Данное устройство содержит герметичный корпус, внутри которого соосно расположены цилиндрический катод с мишенью, нанесенной на его внутреннюю поверхность и содержащей изотопы тяжелого водорода, анод, симметрично охватываемый катодом, а также сетчатый цилиндрический электрод смещения, расположенный перед мишенью и предназначенный для подавления эмиссионных электронов с мишени.
9
Недостатком указанного устройства является его низкий энергетический КПД при работе ВНТ в режиме генерации больших нейтронных потоков (>10 н/с в полный телесный угол). При реализации этих режимов электрод подавления эмиссионных электронов с мишени сам становится источником электронов в результате автоэлектронной, взрывной и автоэлектронной эмиссий.
Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение энергетического КПД генерации нейтронов.
Этот результат достигается тем, что в устройстве, содержащем герметичный корпус, внутри которого соосно расположены цилиндрический катод с мишенью, содержащей изотопы тяжелого водорода, нанесенной на его внутреннюю поверхность, и анод, симметрично охватываемый катодом, анод выполнен в виде двух встречных, симметрично расположенных стержней диаметром а, на торцах которых размещены насадки из металла, насыщенного дейтерием, смещенные друг относительно друга на расстояние d по оси симметрии трубки, диаметр катода b должен удовлетворять неравенству
<mrow><mn>0.2</mn><mo><</mo><mfrac><mi>a</mi><mi>b</mi></mfrac><mo><</mo><mn>0.3,</mn><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
а диаметр анода неравенству
<mrow><mn>0.2</mn><mo><</mo><mfrac><mi>a</mi><mi>d</mi></mfrac><mo><</mo><mn>1.0</mn><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Схематический разрез устройства представлен на фиг.1. Оно содержит следующие позиции: катод 1, анодные стержни 2, изоляторы 3, дейтерированные насадки 4, мишень 5.
4
3
Устройство работает следующим образом. На промежуток анодными стержнями подается импульс напряжения с амплитудой от 2 до 10 кВ и длительностью до 10 мкс. При этом один из стержней заземляется. В результате в промежутке между насадками, насыщенными дейтерием,  формируется вакуумная дуга. Ее электродные пятна испускают струи плазмы, содержащей дейтроны. Синхронно с этим импульсом на катод подается отрицательный ускоряющий импульс с амплитудой (100÷500) кВ. Под действием возникающего радиального электрического поля осуществляется ускорение дейтронов к цилиндрической мишени, содержащей изотопы тяжелого водорода. В результате протекания ядерных реакций T(d, n)He или D(d, n)He в мишени образуется поток быстрых нейтронов.
Для эффективной работы устройства необходимо выполнение условий магнитной изоляции ускоряющего зазора, когда электроны не могут попадать на анод. В рассматриваемой ВНТ источником азимутального магнитного поля является ток, протекающий по аноду в результате дугового разряда. Оценки показывают, что условием магнитной изоляции является выполнение неравенства:
<mrow><mi>I</mi><mo>≥</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>ln</mi><mfrac><mi>b</mi><mi>a</mi></mfrac></mrow></mfrac><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>e</mi><mi>U</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>e</mi><mi>U</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow>
,
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>A</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mi>e</mi></mfrac><mo>≅</mo><mn>17</mn><mi>к</mi><mi>A</mi></mrow>
где
- ток Альвена, m, e - масса и заряд электрона, U - амплитуда ускоряющего импульса, c - скорость света.
Для получения оптимальных, с точки зрения излучаемого нейтронного потока, геометрических размеров диода был проведен специальный компьютерный эксперимент. Эксперимент сводился к совместному решению уравнений динамики и самосогласованного уравнения Пуассона методом «крупных частиц» [4].
В результате перебора геометрических размеров диода были установлены соотношения размеров (1), при которых возможно достижение максимального значения нейтронного потока, излучаемого диодом в полный телесный угол.
Соотношение (2) определяется через указанный выше диапазон возможной вариации напряжения между анодными стержнями и условиями вакуумного пробоя.
Благодаря магнитной изоляции осуществляется подавление электронной проводимости ускоряющего зазора. За счет этого происходит увеличение энергетического КПД генерации нейтронов и одновременное повышение нейтронного выхода за счет увеличения первеанса диодной системы.
Разработка и внедрение предлагаемого устройства должна повысить производительность исследований горных пород, содержащих продуктивные углеводороды, уран и драгоценные металлы методом нейтронного элементного анализа, а также работ, связанных с поиском и идентификацией скрытых опасных предметов нейтронными методами.
Источники информации
1. Беспалов Д.Ф., Васин B.C., Овсянников С.Б. Малогабаритные импульсные нейтронные трубки НТ-16, НТ-19. Сб. Скважинные генераторы нейтронов, ВНИИЯГГ, ОНТИ, М., 1973, с.81-87.
2. Бессарабский Ю.Г., Битулев А.А., Бобылев В.Т. и др. Импульсные нейтронные генераторы на вакуумных нейтронных трубках. Сб. материалов Международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», М., ВНИИА им. Н.Л. Духова, 2005, с.72.
3. Беспалов Д.Ф., Минц А.З., Плешакова Р.П., Шиканов А.Е. Импульсный генератор нейтронов. А.с. СССР №457406, 1972.
4. Ращиков В.И. Расчет электромагнитных полей в структурах сложной геометрии. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно- физические исследования, 1990, в. 10(18). С.50-53.