ИОННЫЙ ДИОД ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ НЕЙТРОНОВ
ION DIODE FOR GENERATING NEUTRONS

Предлагаемое изобретение 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.
Среди них наиболее близким к предлагаемому техническому решению является IEC-диод, описанный в работе [2], 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 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.
Техническим результатом предлагаемого устройства является упрощение конструкции диода, а также увеличение тока ускоренных нуклидов водорода.
K
C
A
Этот результат достигается тем, что в известном устройстве [2], содержащем полый, частично-прозрачный катод и анод, симметрично охватывающий катод, соединенные с источником высокого напряжения и находящиеся в рабочем объеме, заполненном тяжелым водородом, согласно предлагаемому изобретению катод выполнен в виде двух параллельных соосных дисков радиуса r, соединенных между собой с помощью N≥4 металлических тонких стержней длиной h, расположенных перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси симметрии диода z на расстоянии r от нее, а анод представляет собой круговой цилиндр радиуса r и высотой H, при этом должны выполняться следующие неравенства:
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.
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 осцилляции 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».
Для получения оптимальных, с точки зрения излучаемого нейтронного потока, геометрических размеров диода был проведен специальный компьютерный эксперимент, в основе которого лежала интерполяционная формула, полученная авторами настоящей заявки для аксиального IEC-диода на основании проведенного компьютерного моделирования
где j - плотность разрядного тока, t - прозрачность катода, p - параметр, определяемый соотношением
,
K
Р, θ - соответственно термодинамическое давление [Па] и температура (энергетическая шкала, эВ), L≅2r - линейный размер катодной полости, пересекаемой ускоренным дейтроном.
Оценка коэффициента прозрачности катода осуществлялась в процессе расчета электростатических полей в диоде методом «эквивалентных зарядов» с последующим численным решением динамических уравнений Гамильтона-Лоренца методом Рунге- Кутта с переменным шагом интегрирования.
Коэффициент прозрачности при этом определялся в процессе компьютерного эксперимента методом Монте-Карло по формуле
,
П
H
где N - число попаданий дейтрона на один из стержней или катодных дисков, зафиксированное в процессе компьютерного эксперимента, N - число непопаданий дейтрона на стержни или катодные диски.
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.
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; H=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 должны 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. Богданович Б.Ю., Нестерович А.В., Шиканов А.Е., Ворогушин М.Ф., Свистунов Ю.А. Дистанционный радиационный контроль с линейными ускорителями заряженных частиц. T.1. Линейные ускорители для генерации тормозного излучения и нейтронов. М., Энергоатомиздат, 2009, 272 с.
2. Miley G.H., Sved J. Appl. Radiat. Isot. V.48, №10-12, 1997, p.1557-1561.
3. Москалев Б.Н. Разряд с полым катодом. М., Наука. 1967.