Ионный диод для генерации нейтронов

 

Предполагаемая полезная модель относится к приборам для ускорения ионов в электростатических полях, конкретно, к технике генерации нейтронов при ядерном взаимодействии нуклидов тяжелого водорода. Технический результат заключается в повышение к.п.д. устройства и эффективности генерации нейтронов. Сущность полезной модели заключается в том, что в известном ионном диоде для генерации нейтронов, катод соосно-расположенный внутри полого цилиндрического анода, выполнен в виде двух параллельных соосных дисков радиуса rk, соединенных металлическими стержнями. При этом согласно предлагаемой полезной модели анод представляет собой постоянный магнит, причем остаточная индукция внутри полости анода удовлетворяет условию 0,2B0,5 Тл, а внутренний rin и внешний rex радиусы анода удовлетворяют условиям и .

Полезная модель относится к приборам для ускорения ионов в электростатических полях, конкретно, к технике генерации нейтронов при ядерном взаимодействии нуклидов тяжелого водорода.

Известны нейтронные генераторы 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 [1]. Устройство состоит из сферического металлического анода, служащего в качестве вакуумной камеры, и расположенного внутри анода полого, частично прозрачного катода, выполненного в виде сферы из металлических конструкций.

Электроды соединены с источником высокого напряжения U~100 кВ. Рабочий объем диода заполняется дейтерием, давление которого может варьироваться в пределах ~ (1-10 2) Па. При работе диода между анодом и катодом возникает плазма тлеющего разряда, из которой дейтроны ускоряются к катоду и могут многократно проходить через частично прозрачный катод, при этом они могут сталкиваться как с дейтронами плазмы внутри анода и катода, так и там же со встречными дейтронами. В результате ядерных реакций синтеза в данном устройстве может происходить генерация нейтронов.

Недостатками указанного устройства являются: конструктивная сложность изготовления катода с хорошей степенью прозрачности, и принципиального нарушения сферической симметрии анода и катода из-за наличия у катода, электрического вывода связывающим катод с источником высокого напряжения и проходящего через анод. Это приводит к бомбардировке электрического вывода ускоренными ионами и быстрому выходу его из строя.

Этого недостатка лишен нейтронный генератор на основе IEC-диода с внутренним полым катодом, охватываемым внешним цилиндрическим анодом [2], который может быть взят за прототип. Ионный диод, описанный в прототипе, содержит цилиндрический анод радиуса r A и высотой H и катод, соосно-расположенный внутри анода. Катод выполнен в виде двух параллельных соосных дисков радиуса rK, соединенных между собой с помощью N4 металлических стержней длиной h и радиусом , расположенных перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси диода на расстоянии rC от нее. При этом выполняются неравенства

Условия (1) получены в результате перебора геометрических размеров диода и устанавливают соотношения размеров, при которых достигается максимальное значение нейтронного потока, излучаемого диодом в полный телесный угол.

Прозрачность катода, зависящая в основном от отношения радиуса стержней, стягивающих катодные диски, к радиусу анода rA, 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 промежутке между анодом и катодом, где он начинает осциллировать. Таким образом, в радиальном направлении, формируются два встречных потока дейтронов, которые взаимодействуют с плазмой в области, охватываемой катодом (канал «пучок-плазма») и между собой (канал «пучок-пучок»). Однако и в оптимизированной геометрии устройства электронный ток в несколько раз превышает ток ускоренных ионов, что снижает к.п.д. устройства и эффективность генерации нейтронов.

Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение к.п.д. устройства и эффективности генерации нейтронов.

Этот результат достигается тем, что в известном устройстве ионного диода [2] с полым цилиндрическим анодом, внутри которого соосно-расположен катод, выполненный в виде двух параллельных соосных дисков радиуса rk, соединенных металлическими стержнями, согласно предлагаемой полезной модели анод представляет собой постоянный магнит. При этом остаточная индукция внутри полости анода удовлетворяет условию

а внутренний rin и внешний r ex радиусы анода удовлетворяют условиям

Постоянный магнит является источником стационарного магнитного поля, которое применяется в качестве магнитной изоляции диодного промежутка для подавления тока на анод от электронов, возникающих на катоде в результате ионно-электронной и автоэлектронной эмиссии. Этот ток в диодных системах без магнитной изоляции в несколько раз превышает ток ускоренных ионов и отрицательно влияет на эффективность генерации нейтронов и энергетический КПД ускорения ионов тяжелого водорода. Проведенные авторами расчеты показали, что магнитная изоляции диодного промежутка обеспечивается, если индукция магнитного поля внутри анода находится в интервале от 0,2 до 0,5 Тл. Границы этого интервала определяются энергией электрона, приобретаемой в ускорительном диодном промежутке, и соответствуют интервалу напряжений 100-500 кВ, обычно используемому в ускорительных системах для генерации нейтронов.

Неравенства (3) определяют соотношения между размерами анода и катода, при которых достигается максимальное значение нейтронного выхода. Они следуют из неравенств (1) и получены с учетом условия (2) на основе компьютерного моделирования, проведенного авторами настоящей заявки.

Предлагаемое устройство ионного диода поясняется фигурой 1. Показаны разрезы поперек и вдоль оси диода (ось Z). Диод состоит и полого цилиндрического анода 1, катодных дисков 2 и соединительных стержней 3. Анод представляет собой постоянный магнит и выполнен из материала с высокой остаточной магнитной индукцией, например, из магнитного материала на основе соединений NdFeB, для которого реально достижимо внешнее магнитное поле, удовлетворяющее условию (2). Катодные диски и соединяющие их стержни выполнены из металла.

Устройство работает следующим образом. Рабочий объем диода заполняется газообразным дейтерием до давления порядка 10 Па. Под действием импульсного напряжения с амплитудой более 100 кВ в межэлектродном пространстве зажигается разряд с полым катодом [3], характеризуемый большой величиной катодного падения потенциала (порядка напряжения на диодном зазоре) и формируется плазма. Дейтроны, извлекаемые из прианодной плазмы (положительного плазменного столба разряда) ускоряются в области катодного падения потенциала до энергий достаточных для протекания ядерных реакций синтеза. Эти дейтроны, проходя через прозрачную для них центральную область разрядного промежутка, сталкиваются как с дейтронами плазмы, так и со встречными дейтронами. Теряя часть своей энергии на столкновениях, они переходят в режим осцилляции. Нейтроны образуются по двум каналам: «пучок-плазма» (взаимодействие быстрых осциллирующих дейтронов с дейтронами плазмы, находящейся в центральной области) и «пучок-пучок» (взаимодействие осциллирующих дейтронов между собой).

Параллельно процессам ускорения дейтронов и их переходу в режим осцилляции происходит развитие вторичных процессов на электродах, приводящее к эмиссии электронов, резкому росту электронной проводимости и, как следствие, снижению электрической прочности диодного промежутка и ускоряющего напряжения. В свою очередь, это отрицательно влияет на энергетический КПД ускорения дейтронов. Для подавления паразитной электронной проводимости в диодном промежутке создается магнитное поле с помощью постоянного магнита, который одновременно является и анодом. Магнитное поле выполняет функцию магнитной изоляции диодного промежутка, снижая возможность достижения электронами поверхности анода. Эффективность применения магнитной изоляции в ионном диоде [4] иллюстрирует сравнение импульсов напряжения U на ускоряющем промежутке диода при наличии и отсутствии магнитного поля (фигура 2). Значительное снижение напряжения без магнитного поля обусловлено ростом электронной проводимости и шунтированием источника высокого напряжения.

Разработка и внедрение предлагаемого устройства увеличит производительность ядерно-физических методов нейтронного анализа урановых и нефтегазовых месторождений, а также работ досмотра и обнаружения опасных веществ.

Источники информации

1. Miley G.H., Sved J.Appl. Radiat. Isot, 1997,V. 48, 10-12, p. 1557-1561.

2. Замятнин В.Ю., Козловский К.И., Самарин A.B., Цыбин А.С., Хасая Д.Р., Шиканов А.Е. Ионный диод для генерации нейтронов. Патент РФ на изобретение 2461151 от 10.09.2012 г.

3. Москалев Б.H. Разряд с полым катодом, М., Наука. 1967.

4. 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.

Ионный диод для генерации нейтронов, содержащий соединенные с источником высокого напряжения полый цилиндрический анод и соосно расположенный внутри анода катод, выполненный в виде двух параллельных соосных дисков радиуса rk, соединенных металлическими стержнями, отличающийся тем, что анод представляет собой постоянный магнит, причем остаточная индукция внутри полости анода удовлетворяет условию

0,2В0,5 Тл,

а внутренний rin и внешний r ех радиусы анода удовлетворяют условиям

где

rk - радиус дисков катода,

rin - внутренний радиус анода,

rех - внешний радиус анода.



 

Похожие патенты:

Техническим результатом является создание конструкции гидродинамического стенда, наиболее полно отображающего процессы в действующих горизонтальных скважинах, повышение информационной отдачи от гидродинамического стенда и повышение эксплуатационной надежности гидродинамического стенда

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности выделения семян эспарцета из плодов

Полезная модель относится к подклассу H05H плазменная техника; получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов; получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов, конкретно к созданию линейных резонансных ускорителей электронов

Полезная модель относится к технике магнитного и электромагнитного экранирования при проведении биологических, биофизических и медико-биологических исследований в области изучения влияния магнитных полей на биологические и биофизические объекты
Наверх