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, включающем источник высоковольтного напряжения, высоковольтный трансформатор и нейтронную трубку с катодом, содержащим нейтронообразующую мишень, и анод, состоящий из полого цилиндрического электрода и лазерной мишени, размещенной внутри него, полый цилиндрический электрод анода выполнен из постоянного магнита, намагниченного вдоль оси анода до величины индукции 0.3<В<0.6 Тл, причем полый цилиндрический электрод соединен через вторичную обмотку высоковольтного трансформатора с положительным выводом источника высоковольтного напряжения. Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении ресурса импульсного генератора нейтронов за счет более эффективного использования вещества плазмообразующей мишени импульсного нейтронного генератора.

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.

Этого недостатка лишен импульсный генератор нейтронов [3], содержащий нейтронную трубку с анодным электродом, охватывающим лазерную мишень, высоковольтный трансформатор и конденсатор. В этом устройстве 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 генератор не требует применения высоковольтной электроизоляции нейтронобразующей мишени. В устройстве также автоматически синхронизуется работа источника дейтронов и подача импульсного напряжения на анод.

Однако наблюдается большой угол разлета лазерной плазмы, низкий ресурс импульсного генератора нейтронов из-за недостаточной эффективности использования плазмообразующей мишени, так как не все испаряемые с лазерной мишени атомы вовлекаются в ускорительный процесс.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении ресурса импульсного генератора нейтронов за счет более эффективного использования вещества плазмообразующей мишени импульсного нейтронного генератора.

Этот результат достигается тем, что в известном устройстве импульсного генератора нейтронов [3], включающем источник высоковольтного напряжения, высоковольтный трансформатор и нейтронную трубку с катодом, содержащим нейтронообразующую мишень, и анод, состоящий из полого цилиндрического электрода и лазерной мишени, размещенной внутри него, полый цилиндрический электрод анода выполнен из постоянного магнита, намагниченного вдоль оси анода до величины индукции 0.3<В<0.6 Тл, причем полый цилиндрический электрод соединен через вторичную обмотку высоковольтного трансформатора с положительным выводом источника высоковольтного напряжения.

Конкретный пример реализации полезной модели представлен на фигуре 1. Импульсный генератор нейтронов состоит из источника высоковольтного напряжения 1; конденсатора 2; высоковольтного трансформатора с первичной 3 и вторичной 4, выполненной в виде двухпроводной линии, обмотками; цилиндрического электрода анода 5, выполненного из постоянного магнита; второго электрода анода 8, являющегося одновременно лазерной мишенью; катода 6 с нейтроноообразующей мишенью 7; фокусирующего устройства 9; лазера 10.

В данном устройстве вторичная обмотка 4 выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с потенциальными выводами конденсатора 2 и первичной обмотки 3, а выход - с двумя электродами анода - цилиндрическим электродом, выполненным из постоянного магнита 5 и вторым электродом - лазерной мишенью 8. Цилиндрический электрод, лазерная мишень и двухпроводная линия вторичной обмотки вместе с конденсатором и первичной обмоткой составляют последовательный контур.

В настоящее время разработаны мощные постоянные магниты, например, из NdFeB, которые обеспечивают указанную величину индукции магнитного поля в предложенной геометрии. В конкретном случае описываемого устройства внешний диаметр цилиндрического электрода составляет 2-3 см.

Устройство работает следующим образом. Источник высоковольтного напряжения 1 заряжает конденсатор 2 (конденсатор 2 заряжается от положительного вывода источника высоковольтного напряжения 1), у которого заземленный вывод соединен с одним из выводов первичной обмотки 3 и катодом 6. 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, например, 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 двухэлектродному 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.

Предложенное устройство в отличие от прототипа включает в себя магнитную изоляцию между лазерной мишенью и полым цилиндрическим электродом анода. Наличие продольного магнитного поля приводит к направленному разлету лазерной плазмы в направлении катода и увеличению общего количества ионов лазерной плазмы за счет эффективной дополнительной ионизации магнитоизолированными электронами в скрещенных электрическом и магнитном полях нейтральных атомов лазерной плазмы, образующихся в процессе рекомбинации ионов при разлете лазерной плазмы. Внутри анода индукция магнитного поля составляет величину в диапазоне 0.3<В<0.6 Тл, а напряжение между лазерной мишенью и полым цилиндрическим электродом составляет порядка ~10 кВ. Нижний предел диапазона индукции магнитного поля (0,3 Тл) определяется величиной ларморовского радиуса электронов и, соответственно, возникновением магнитной изоляции электронов между цилиндрического электродом и лазерной мишенью. Верхний предел - 0,6 Тл определяется величиной требуемого тока между цилиндрическим электродом и лазерной мишенью, необходимого для работы устройства в целом.

Предложенное техническое решение позволяет повысить ресурс работы и, соответственно, 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. Патент - 135216 РФ, МПК H05H 3/06. Импульсный генератор нейтронов / Вовченко Е.Д., Козловский К.И., Пономаренко А.Г., Пономарев Д.Д., Шведова Т.А., Шиканов А.Е; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ» (НИЯУ МИФИ). - 2013127722/07, Заяв. 18.06.2013; Опубл. 27.11.2013, Бюл. 33.

Импульсный генератор нейтронов, содержащий источник высоковольтного питания, высоковольтный трансформатор, конденсатор и нейтронную трубку с катодом, включающим нейтронообразующую мишень, и двухэлектродным анодом, состоящим из пустотелого цилиндрического электрода и лазерной мишени внутри этого цилиндра, при этом лазерная мишень соединена с цилиндрическим электродом через первичную, вторичную обмотки трансформатора и через конденсатор, причем вторичная обмотка выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с конденсатором и первичной обмоткой, а выход - с цилиндрическим электродом и лазерной мишенью, отличающийся тем, что цилиндрический электрод выполнен из постоянного магнита, намагниченного по высоте до величины индукции 0.3<В<0.6 Тл, причем цилиндрический электрод соединен через вторичную обмотку трансформатора с положительным выводом высоковольтного источника.