Импульсный генератор нейтронов

Полезная модель относится к области прикладной ядерной физики, конкретно, к устройствам для генерации импульсных нейтронных потоков, предназначенных для использования в прикладных задачах науки и техники, например, для геофизических применений. Сущность полезной модели заключается в том, что в известном импульсном генераторе нейтронов, содержащем нейтронную трубку с анодным электродом, охватывающим лазерную мишень, высоковольтный трансформатор и конденсатор, лазерная мишень соединена с анодным электродом через вторичную и первичную обмотки трансформатора и конденсатор, причем вторичная обмотка выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с конденсатором и первичной обмоткой, а выход - с анодным электродом и лазерной мишенью. Технический результат заключается в повышении эффективности и технологичности применения генератора, а также упрощении его конструкции.

Полезная модель относится к области прикладной ядерной физики, конкретно, к устройствам для генерации импульсных нейтронных потоков, предназначенных для использования в прикладных задачах науки и техники, например, для геофизических применений.

Известен импульсный генератор нейтронов (ИГН), содержащий нейтронную трубку с лазерно-плазменным источником дейтронов и ускоряющей электродной системой, высоковольтный трансформатор и конденсатор [1]. При воздействии лазерного излучения на мишень, охватываемую анодным электродом, и приложении к электродам нейтронной трубки импульса высокого напряжения осуществляется взаимодействие ускоренных дейтронов с нейтронобразующей мишенью на катоде, где в результате ядерных реакций синтеза образуется поток быстрых нейтронов. Синхронизация между импульсом ускоряющего напряжения и импульсом лазера, воздействующего на мишень, обеспечивается за счет того, что высоковольтный блок содержит расположенный перед трубкой на оптической оси системы лазерный разрядник - коммутирующий элемент, срабатывающий под действием лазерного импульса. При работе в частотном режиме на таком устройстве можно получить нейтронный поток до 10¹¹ нейтронов/секунду. Однако неизбежное присутствие статистического разброса времени срабатывания лазерного разрядника по отношению к процессам формирования и разлета плазмы на лазерной мишени ограничивает точность синхронизации и влияет на стабильность нейтронного выхода. Кроме того, наличие в указанном ИГН лазерного разрядника усложняет конструкцию и снижает технологичность применения в прикладных задачах.

Этого недостатка лишен импульсный генератор нейтронов, содержащий нейтронную трубку с анодным электродом, охватывающим лазерную мишень, высоковольтный трансформатор и конденсатор, при этом лазерная мишень соединена с анодным электродом через первичную обмотку трансформатора и конденсатор таким образом, что вместе они образуют последовательный контур [2]. В данном устройстве отпадает потребность в лазерном разряднике, так как коммутация элементов последовательного контура происходит автоматически через пространство между лазерной мишенью и анодом при его заполнении лазерной плазмой. За счет этого достигается повышение стабильности работы нейтронного генератора и упрощение конструкции.

Однако реализация малогабаритного варианта такого ИГН, в частности, для нужд ядерной геофизики, сопряженная с рядом трудностей. Наличие на катоде импульса высокого напряжении усложняет конструкцию генератора, поскольку требует обеспечения надежной изоляции катода с нейтронобразующей мишенью от элементов ИГН, находящихся под потенциалом земли. В свою очередь, это увеличивает габариты нейтронной трубки, удаляет нейтронобразующую мишень от облучаемых образцов и затрудняет применение методов магнитной изоляции, ограничивая тем самым повышение эффективности и технологичности применения генератора.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности и технологичности применения генератора, а также упрощении его конструкции.

Этот результат достигается тем, что в известном устройстве импульсного генератора нейтронов [2], содержащем нейтронную трубку с анодным электродом, охватывающим лазерную мишень, высоковольтный трансформатор и конденсатор, лазерная мишень соединена с анодным электродом через вторичную и первичную обмотки трансформатора и конденсатор. При этом вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с конденсатором и первичной обмоткой, а выход - с анодным электродом и лазерной мишенью. Такое последовательное соединение элементов образует разрядный контур, коммутация которого осуществляется через промежуток между лазерной мишенью и анодом при его заполнении лазерной плазмой. В результате на анодном электроде относительно катода, который в этом случае можно заземлить, формируется высоковольтный импульс ускоряющего напряжения. Тем самым предложенное устройство в отличие от прототипа не требует применения высоковольтной электроизоляции нейтронобразующей мишени, что позволяет повысить эффективность и технологичность применения генератора, а также упростить его конструкцию при работе с высоким напряжением и использованием режима магнитной изоляции.

Предлагаемое устройство поясняется фигурой 1, где представлена схема расположения основных элементов импульсного генератора нейтронов: 1 - источник постоянного напряжения; 2 - конденсатор; 3 - первичная обмотка трансформатора; 4 - вторичная обмотка, выполненная в виде двухпроводной линии; 5 - анодный электрод, охватывающий лазерную мишень; 6 - катод; 7 - нейтронообразующая мишень; 8 - лазерная мишень; 9 - фокусирующее устройство; 10 - лазер.

Устройство работает следующим образом. Источник постоянного напряжения 1 заряжает накопительный конденсатор 2, у которого заземленный вывод соединен с одним из выводов первичной обмотки 3 и катодом б. Вторичная обмотка 4 выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с потенциальными выводами конденсатора 2 и первичной обмотки 3, а выход - с анодным электродом 5 и лазерной мишенью 8. Анодный электрод, лазерная мишень и двухпроводная линия вторичной обмотки вместе с конденсатором и первичной обмоткой составляют последовательный контур. Импульс излучения лазера 10 проходит через фокусирующее устройство 9 установленное так, что его фокальная плоскость находится вблизи или на поверхности лазерной мишени 8, например, сделанной из TiD, и создает сгусток лазерной плазмы в промежутке между лазерной мишенью и анодом. При замыкании плазмой этого промежутка накопительный конденсатор разряжается через двухпроводную линию на первичную обмотку трансформатора. При этом на вторичной обмотке между началом и концом каждого из токопроводов двухпроводной линии формируется импульс высокого напряжения (100 кВ), за счет которого к аноду относительно заземленного катода прикладывается ускоряющее напряжение. Дейтроны, получаемые в сгустке лазерной плазмы, вытягиваются из плазменного анода и ускоряются к нейтронообразующей мишени 7 на катоде, где в результате ядерных реакций образуются нейтроны.

Для повышения эффективности генерации необходимо подавлять электронную проводимость, обусловленную развитием вторичных эмиссионных процессов на катоде нейтронной трубки. Обычно для этих целей используется магнитная изоляция ускорительного зазора, причем магнитное поле необходимо создать в ограниченном пространстве возле катода, например, с помощью спиральной линии [3]. Очевидно, что применение ускорительной системы с заземленным катодом в этом случае более предпочтительно.

Предложенное техническое решение позволяет повысить технологичность и эффективность использования устройства в различных прикладных задачах науки и техники, например, для геофизических применений, элементного анализа вещества по короткоживущим радионуклидам, тестирования средств диагностики мощных импульсных установок для термоядерного синтеза.

Источники информации

1. Беспалов Д.Ф., Быковский Ю.А., Вергун И.И., Козловский К.И., Козырев Ю.П., Леонов Р.К., Симагин Б.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Импульсный генератор нейтронов, А.с. СССР, 580725, кл. G21G 4/02. - Бюл. 48, 30.12.1979.

2. Бахурова Л.А., Беспалов Д.Ф., Вергун И.И., Минц А.З., Плешакова Р.П., Рябов Е.В., Старинский А.А., Шиканов А.Е. Импульсный генератор нейтронов, А.с. СССР, 971068, кл. H05H 1/00. - Бюл. 48, 30.12.1986.

3. 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, 2012, т.112, вып.3, с.182-184.

Импульсный генератор нейтронов, содержащий нейтронную трубку с анодным электродом, охватывающим лазерную мишень, высоковольтный трансформатор и конденсатор, отличающийся тем, что лазерная мишень соединена с анодным электродом через вторичную и первичную обмотки трансформатора и конденсатор, причем вторичная обмотка выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с конденсатором и первичной обмоткой, а выход - с анодным электродом и лазерной мишенью.