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 r_k, 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 r_in и внешний r_ex 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 r_K, соединенных между собой с помощью N4 металлических стержней длиной h и радиусом , расположенных перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси диода на расстоянии r_C 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 r_A, 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 r_k, соединенных металлическими стержнями, согласно предлагаемой полезной модели анод представляет собой постоянный магнит. При этом остаточная индукция внутри полости анода удовлетворяет условию

а внутренний r_in 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 r_k, 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 r_in и внешний r _ех радиусы анода удовлетворяют условиям

где

r_k - радиус дисков катода,

r_in - внутренний радиус анода,

r_ех - внешний радиус анода.