Ионный триод для генерации нейтронов

Полезная модель относится к области техники ускорения ионов в электростатических полях, конкретно, к приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии нуклидов тяжелого водорода для использования в прикладных задачах науки и техники, например, для геофизических применений. Сущность полезной модели заключается в том, что в известном ионном триоде для генерации нейтронов, содержащем полые цилиндрический катод и анод со встроенным источником нуклидов тяжелого водорода, полый цилиндрический катод выполнен в виде постоянного магнита с продольной намагниченностью до индукции 0,3<B<0,5 Тл со следующими размерами: шириной H, внутренним и внешним радиусами R_in и R_ex, анод состоит из двух частей соосно и симметрично расположенных по обе стороны катода на расстоянии L друг от друга, каждая часть анода имеет форму цилиндра радиуса R_a, выходные патрубки источников нуклидов тяжелого водорода на обеих частях анода обращены друг к другу, при этом все вышеуказанные размеры удовлетворяют следующим соотношениям: ; ; ; LH+2R_a. Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в увеличении верхней границы ускоряющего напряжения, среднего тока ускоренных дейтронов и КПД их ускорения за счет организации геометрии устройства, в которой во всем пространстве между катодом и анодом имеется магнитное поле с силовыми линиями перпендикулярными вектору напряженности ускоряющего электрического поля, а также в увеличении ресурса нейтроноообразующей мишени за счет ее замены с твердотельной на плазменную.

Полезная модель относится к области техники ускорения ионов в электростатических полях, конкретно, к приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии нуклидов тяжелого водорода для использования в прикладных задачах науки и техники, например, для геофизических применений.

Известна ускорительная трубка [1], содержащая нейтронообразующую мишень, хранилище изотопов водорода, катод и антикатод ионного источника, магнит, анод ионного источника, изолятор, анод и катод ускоряющей системы.

В данной трубке реализован прием электростатического запирания электронов в области, прилегающей к мишени с помощью изоляции полого катодного цилиндра от мишени. Однако электростатические системы подавления электронного компонента становятся недостаточно эффективными при использовании их в мощных трубках при больших токах дейтронов. Магнитное поле ориентировано вдоль потока электронов и не имеет функции подавления электронного компонента тока.

Известна импульсная нейтронная трубка [2], содержащая вакуумный корпус, систему цилиндрических ускоряющих электродов, ионный источник, расположенный внутри одного из этих электродов, нейтронообразующую мишень, расположенную на внутренней поверхности другого электрода, а с целью уменьшения радиального размера трубки, вне корпуса и соосно с ним расположена секция кольцевых магнитных элементов, полностью охватывающих электродную систему, при этом электрические и магнитные поля в границах области ускорения составляют прямой угол.

Сфокусированное лазерное излучение воздействует на поверхность мишени ионного источника. Образовавшаяся лазерная плазма с ионами дейтерия заполняет прианодное пространство. Синхронно с образованием плазмы между анодом и катодом создается ускоряющее электрическое поле. Магнитное поле создается с помощью постоянных магнитов или соленоидов. Это поле фокусирует плазму вдоль оси трубки от анода до внутрикатодной области, где с боковой поверхности плазмы происходит извлечение и последующее ускорение ионов к катоду. Обратный ток электронов подавляется магнитным полем. Ускоренные дейтроны бомбардируют внутреннюю поверхность катода, вызывая в результате ядерной реакции поток быстрых нейтронов.

К достоинствам устройства относится возможность существенного уменьшения радиальных размеров излучателей нейтронов при сохранении нейтронного потока. В отличие от предыдущего аналога в этом устройстве магнитное поле подавляет ток электронов, движущихся поперек силовых линий магнитного поля, что увеличивает энергетический КПД трубки. Недостатком данного устройства является использование твердотельной нейтронообразующей мишени.

Известен ионный триод для генерации нейтронов [3], выбранный в качестве прототипа, содержащий кольцевой катод, анод (лазерная мишень) с конической полостью, цилиндрический магнит, твердотельную нейтронообразующую мишень.

В результате воздействия лазерного излучения на мишень, расположенную на аноде, образуется дейтериевая плазма. При ее последующем разлете дейтроны ускоряются к катоду, проходя через кольцевой катод. На твердотельной нейтронообразующей мишени, содержащей тяжелые изотопы водорода, под действием ускоренных дейтронов образуются нейтроны.

В устройстве применена удобная коаксиальная конструкция с заземленной нейтронообразующей мишенью на торце прибора.

Недостатком прототипа является уменьшение эффективности генерации нейтронов с ростом ускоряющего напряжения, обусловленное отсутствием условий для запирания потока электронов за счет магнитной изоляции катода и анода. Кроме этого, ресурс твердотельной нейтронообразующей мишени имеет небольшой срок службы.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в увеличении верхней границы ускоряющего напряжения, среднего тока ускоренных дейтронов и КПД их ускорения по сравнению с прототипом за счет организации геометрии устройства, в которой между катодом и анодом имеется магнитное поле с силовыми линиями перпендикулярными вектору напряженности ускоряющего электрического поля, а также в увеличении ресурса нейтронообразующей мишени за счет ее замены с твердотельной на плазменную.

Этот результат достигается тем, что в известном ионном триоде для генерации нейтронов, содержащем полые цилиндрический катод и анод со встроенным источником нуклидов тяжелого водорода, полый цилиндрический катод выполнен в виде постоянного магнита с продольной намагниченностью до индукции 0,3<B<0,5 Тл со следующими размерами: шириной H, внутренним и внешним радиусами R_in и R_ex, анод состоит из двух частей соосно и симметрично расположенных по обе стороны катода на расстоянии L друг от друга, каждая часть анода имеет форму цилиндра радиуса R_a, выходные патрубки источников нуклидов тяжелого водорода на обеих частях анода обращены друг к другу, при этом все вышеуказанные размеры удовлетворяют следующим соотношениям:

; ; ; LH+2R_a.

Первое соотношение регулирует максимальный и минимальный пределы отношения внешнего и внутреннего радиусов катода, определяемые оптимальной массой и геометрией полого цилиндрического магнитного элемента при условии достижения требуемого диапазона величины индукции магнитного поля.

Второе соотношение регулирует в нижнем пределе исключение падения пучка дейтронов (ионов тяжелых изотопов водорода) на катод, а верхний предел соотношения обеспечивает максимальное заполнение области генерации нейтронов пучком дейтронов.

В третьем соотношении нижний предел Н определяется достаточной глубиной потенциальной ямы электрического поля, а верхний предел определяется экономией материала полого цилиндрического магнитного элемента.

Четвертое соотношение (LH+2R_a) является условием достаточной электроизоляции вакуумного промежутка между анодом и катодом в условиях наличия магнитного поля полого цилиндрического магнитного элемента.

В соотношении, определяющем величину магнитного поля, нижний предел (B_min)определяется величиной ларморовского радиуса ускоренных электронов, который становится меньше расстояния между катодом и анодом в ускоряющем зазоре. Верхний предел (B _max) величины магнитной индукции не должен быть более чем в 2-3 раза больше B_min исходя из экономии магнитного материала, а также, чтобы ларморовский радиус ускоренных ионов был много больше ускоряющего зазора.

Магнитное поле полого цилиндрического магнитного элемента препятствует движению к аноду возможно образующихся в межэлектродном пространстве электронов, поскольку ларморовский радиус электронов в выбранном магнитном поле у катода много меньше , тем самым достигается высокий КПД использования энергии импульса высоковольтного источника исключительно на ускорение ионов.

Предлагаемое устройство поясняется фигурой 1, где представлена схема расположения основных элементов ионного триода для генерации нейтронов: 1 - катод; 2 - аноды со встречными источниками ионов тяжелых изотопов водорода; 3 - низковольтные изоляторы; 4 - источники питания источников ионов; 5 - насос; 6 - вакуумная камера; 7 - источник высоковольтного напряжения; 8 - высоковольтный изолятор.

В конкретном исполнении устройство будет работоспособно при соблюдении следующих размеров: R_a=1÷1,5 см; R_in=2÷3 см; R _ex=4,5÷5 см; H=3÷5 см; L=4÷6 см. При этом данное устройство будет представлять собой малогабаритный прибор с высоким выходом нейтронов, достигающих на реакции D+D выхода ~10⁸ нейтр./имп. при приложении к катоду ускоряющего напряжения - 200÷500 кВ в импульсах длительностью ~1 мкс.

В настоящее время разработаны постоянные магниты, например, из NdFeB, которые обеспечивают указанную величину индукции магнитного поля в предложенной геометрии.

Предлагаемый ионный триод для генерации нейтронов работает следующим образом. При включении источников ионов тяжелых изотопов водорода из полости анода выходят дейтроны. В этот момент включается источник высоковольтного напряжения. Дейтроны ускоряются вдоль оси катода и магнитного поля в сторону второго анода. Подходя ко второму аноду ускоренные дейтроны замедляются и начинают движение в обратном направлении двигаясь снова к первому аноду. Такое движение дейтронов повторяется многократно, увеличивая нейтронный выход ядерной реакции от сталкивающихся дейтронов. Магнитное поле магнитных элементов препятствуют движению к аноду образующихся в межэлектродном промежутке электронов.

Предложенное техническое решение позволяет 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. Кирьянов Г.И. Генераторы быстрых нейтронов / Кирьянов Г.И. - М.: Энергоатомиздат. 1990. - 136-137 с.

2. Беспалов Д.Ф., Козловский К.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Импульсная нейтронная трубка, А.с. СССР, 766048, кл. G21G 4/02. - Бюл. 35, 23.09.1980.

3. NEW APPROACHES IN PLASMA NEUTRON SOURCES / Tsubin A.S., Kuznetsov A.Y., Kozlovsky K.I., Shikanov A.E. // APPLIED PHYSICS A: MATERIALS SCIENCE & PROCESSING. - 2002. - A74. - S1. - s36-s39.

Ионный триод для генерации нейтронов, содержащий полые цилиндрический катод и анод со встроенным источником нуклидов тяжелого водорода, отличающийся тем, что полый цилиндрический катод выполнен в виде постоянного магнита с продольной намагниченностью до индукции 0,3<B<0,5 Тл со следующими размерами: шириной H, внутренним и внешним радиусами R_in и R_ex, анод состоит из двух частей, соосно и симметрично расположенных по обе стороны катода на расстоянии L друг от друга, каждая часть анода имеет форму цилиндра радиуса R_a, выходные патрубки источников нуклидов тяжелого водорода на обеих частях анода обращены друг к другу, при этом все вышеуказанные размеры удовлетворяют следующим соотношениям: