ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ Российский патент 1996 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к нейтронной технике, к средствам формирования импульсных потоков нейтронов высокой плотности и может быть использовано в экспериментальной нейтронной физике, ядерной геофизике, при анализе материалов, в том числе нейтронно-активационном анализе, и в других областях ядерной техники и технологии.

Развитие нейтронной техники сформировало ряд условий, обуславливающих потребительские параметры используемых на практике всевозможных источников (генераторов) нейтронов. Радиоизотопные так называемые Ро-Ве-источники по ряду причин не обладают современными потребительскими параметрами. Поэтому во всем мире в прикладных задачах нейтронной физики предпочтительно используют генераторы нейтронов, способные формировать импульсные потоки нейтронов с регулируемыми параметрами. Как правило, в генераторах нейтронов формируют ионный поток, содержащий ядра для бомбардировки нейтронообразующей мишени, так или иначе реализуя ядерные реакции типа Ве⁹(d,n)B¹⁰, T(d,n)He⁴, Д(d, n)He³.

Известны импульсные источники нейтронов, используемые для целей ядерной геофизики и активационного анализа, содержащие отпаянную нейтронную трубку, излучающую импульсные потоки нейтронов, блок питания ионного источника трубки, источник высоковольтного ускоряющего напряжения и блок синхронизации поджигающего импульса ионного источника нейтронной трубки и импульса ускоряющего напряжения [1]
Применяемые в трубке средства формирования ионного пучка, однако, не обеспечивают необходимых параметров импульсного потока нейтронов.

Известен импульсный генератор нейтронов, содержащий ионоускоряющую электродную систему, расположенную в вакуумированном корпусе цилиндрической геометрии, две лазерные мишени, одна из которых выполнена плазмообразующей, причем первая предназначена для образования ионов, а вторая для образования нейтронов, установленные соответственно на аноде и катоде электродной системы, причем анод размещен на оси катода, в качестве которого служит корпус, а мишень на его внутренней поверхности образует цилиндрический слой, лазерный плазмообразователь с системой сканирования и фокусировки лазерного излучения на анодную мишень, импульсный разрядник, синхронизированный с лазерным плазмообразователем и включенный между источником высоковольтного напряжения и ионоускоряющей электродной системой, "антидинаторную" магнитную систему, создающую магнитное поле в зоне формирования ионного потока [2]
Использование лазерного плазмообразователя качественным образом позволило улучшить параметры импульсного потока нейтронов, в первую очередь за счет регулируемости степени плазмообразования с удобным фронтом ионного импульса. Причем один и тот же лазерный луч путем его раздвоения полупропускающей и полупреломляющей оптической системой легко может быть использован как для плазмообразования, так и в качестве поджигающего импульса ионного источника. В результате может быть получен импульс нейтронного потока малой длительности и высокой плотности. Известный генератор нейтронов принят в качестве прототипа.

Известные импульсные генераторы нейтронов имеют существенные недостатки, в частности недостаток, заключающийся в том, что сформированные импульсы нейтронного потока непрерывно сопровождается гамма-излучением за счет тормозного излучения ускоренных между анодом и катодом электронов. Присутствие интенсивного импульсного гамма-фона порождает нежелательные процессы, искажая результаты измерений во всех прикладных задачах применения нейтронных генераторов.

С другой стороны, наличие неподвижной мишени, бомбардируемой мощными импульсами ускоренных ионов, приводит к ее эродированию (разрушению). Это обстоятельство порождает ухудшение выходных параметров генераторов. Для восстановления потребительских параметров нейтронного генератора в этом случае требуется заменить мишень в герметизированном корпусе или использовать мозаику мишеней с системой перенацеливания нейтронообразующей мишени пучка ускоренных ионов поочередно на каждую мишень. При этом необходимо учесть, что из-за "расхода" материалов на плазмообразование плазмообразующая мишень также разрушается. Но степень разрушения неподвижной мишени из-за ее бомбардировки тяжелыми ионами гораздо выше таковой плазмообразующей мишени, "бомбардируемой" расчетными импульсами лазерного излучения.

Для ускорения ионов до энергии нейтронообразования (например, порядка 100 кэВ) в известных импульсных генераторах нейтронов применяют источник высоковольтного ускоряющего напряжения. Механизм ионообразования и ускорения, как правило, сопровождается возникновением и ускорением электронного "облака" за счет прямых или вторичных электронов. Замедляясь на материалах конструкции нейтронного генератора или неподвижной мишени, электроды порождают тормозное излучение. Это излучение становится сопутствующим нейтронному излучению как гамма-фон со всеми нежелательными факторами.

Цель предложения устранение перечисленных выше отрицательных факторов известных импульсных генераторов нейтронов.

На чертеже представлена схема импульсного генератора нейтронов, где 1 корпус, 2 и 3 плазмообразующие мишени, 4 электромагнитные катушки, 5 высоковольтная формирующая линия магнитной системы, 6 и 7 разрядные электроды, 8 импульсный лазер, 9 и 10 оптические элементы раздвоения лучей, 11 и 13 линзы-диафрагмы, 14-16 системы сканирования, 17-19 оптические каналы вывода лучей в зоны плазмообразования и разрядных электродов, 20 и 21 плазменные "облака".

Обе лазерные плазмообразующие мишени 2 и 3 импульсного генератора закреплены внутри корпуса 1 соосно вдоль его оси симметрии. При этом плоские поверхности мишеней параллельны друг другу. Обе электромагнитные катушки 4 магнитной системы также расположены соосно внутри корпуса, причем расположены обе симметрично с охватом своими витками зоны мишеней 2 и 3. Импульсное питание катушек 4 обеспечивается за счет их симметричного подключения к питающей линии электрода 7. Электрод 7 с электродом 6, подключенным к высоковольтной формирующей линии 5, образуют разрядную зону для образования соответствующего питающего импульса магнитных катушек 4.

Генератор содержит импульсный лазер 8. Лазерный импульс используется одновременно для плазмообразования на обеих мишенях 2 и 3 и разрядного "поджига" электродов 6 и 7 высоковольтной формирующей линии 5. Для обеспечения этих условий использованы оптические элементы 9 и 10. Каждый из этих элементов "раздваивает" падающий на них лазерный луч. При этом элемент 9 пропускает часть исходного лазерного луча на элемент 10 и преломляет другую часть луча на поверхность мишени 2, а элемент 10 пропускает часть уже "раздвоенного" и падающего на него луча в разрядный объем между электродами 6 и 7, а другую часть луча отражает (преломляет) на вторую мишень 3. С помощью линз-диафрагм 11-13 концентрируют на поверхностях мишеней 2 и 3, а также разрядного электрода лучевые пятна заданного диаметра, а с помощью систем 14-16 сканирования лазерные пятна перемещают по поверхности на участки воздействия. При этом использованы соответствующие оптические каналы 17-19 ввода лучей.

Генератор работает следующим образом.

В заданный момент времени включается импульсный лазер 8. Излучение лазера с помощью оптических систем и элементов фокусируется в виде лазерных пятен на поверхностях мишеней 2 и 3, а также разрядного электрода 7 (высоковольтная формирующая линия 5 должна к этому времени подготовить стартовые условия между разрядными электродами 6 и 7). Мощность исходного лазерного импульса может быть выбрана и распределена в лазерных пятнах на участках воздействия заданным образом, исходя из условий эксплуатации генератора.

Энергия, заключенная во вторичных лазерных импульсах, вызывает быстрое прогревание поверхности мишеней 2 и 3 и электрода 7, и струеобразно возникает высокотемпературное плазменное облако ядер мишени, причем для каждой мишени свое: 20 для мишени 2 и 21 для мишени 3. Одновременно лазерный разряд на электродах 6 и 7 создает мощный импульс питающего магнитные катушки 4 напряжения.

Первоначально плазменное облако от каждой мишени имеет вид эллипсоида, вытнянутого вдоль нормали к поверхности мишени 2 и 3. Материалы мишеней подбираются в соответствии с заданной реакцией нейтронообразования. Например, при реакции дейтерия Д на дейтерии Д или дейтерия Д на тритии Т мишени должны содержать соответственно Д (обе мишени) или Д одна мишень, а Т другая. Могут быть и другие комбинации. В результате плазмообразования на обеих мишенях в соответствующих плазменных облаках находятся ядра (ионы) элементов нейтронообразования.

Установлено, что при соответствующем подборе величины и конфигурации магнитного поля В в заявленной конструкции возникают условия трансформации плазменных облаков в сходящие встречные взаимно пронизывающие пучки. Причем в зоне взаимного вхождения ядра приобретают достаточную энергию для нейтрообразования. Из-за высокой плотности (за счет схождения) ядер в пучках и базиса столкновения (пути движения до столкновения) количество нейтронов в импульсе может достигать значительной величины и эта величина может быть оптимизирована соответствующим подбором электрофизических и геометрических параметров генератора.

Также установлено, что в сходящихся пучках плазменных облаков не возникают условия образования тормозного излучения с энергией квантов ≈100 эВ, так как электроны имеют существенно меньшую энергию из-за малости массы по отношению к массе ионов при одинаковой скорости.

Генерация нейтронов на встречных пучках требует в 4 раза меньше энергии нейтронообразующих частиц, чем при бомбардировке неподвижной мишени. Для дейтронов эта энергия порядка 25 кэВ и 100 кэВ соответственно.

Нарастающее магнитное поле В, создающееся катушками 4 синхронно с плазмообразованием, обеспечивает компенси- рование газокинетического давления плазмы поперек поля в соответствии с условием
enV (1) где е разряд электрона;
n плотность плазмы;
V поперечная скорость плазмы.

Условие (1) справедливо на расстояниях от оси менее 10d_o, где d_o диаметр лазерного пятна на мишенях. Магнитное поле В 5-10 Т. Вpемя нарастания поля τ_нар 10 нс подбирается исходя из времени разлета плазмы на расстояние 10d_o, где d_о 0,1-0,5 мм.

Магнитное поле В обеспечивает одновременно ускорение плазменного облака. В результате сжатия плазмы в поперечном направлении и ускорения в продольном возникают сходящиеcя и взаимно пронизывающие друг друга пучки.

Выход нейтронов N_n определяется соотношением
N_n N_пл ·σ·n· l, где σ сечение ядерной реакции;
n плотность частиц в плазменном пучке в момент встречи с встречным пучком;
l длина плазменного пучка (базис реакции);
N_пл число частиц в плазме.

Число частиц в плазме N_пл и плотность частиц в пучке n связаны между собой соотношением
n
Длина плазменного пучка l ≈ (20-40)d_o. Число частиц в плазме N_пл 10¹⁷-10¹⁸. Из приведенных расчетов следует, что число нейтронов в импульсе (выход нейтронов) может составить N_n 10⁹-10¹⁰ нейтр./имп.

Таким образом, благодаря формированию взаимно пронизывающих пучков плазмы генерация нейтронов происходит при меньших энергиях ионов в пучке, низком тормозном излучении, меньшем расходе мишени, высокой плотности частиц в зоне нейтронообразования и, как следствие, имеется возможность получить импульсы нейтронов с высокими потребительскими параметрами, в том числе получить импульсы нейтронов с высокой плотностью и практически без фонового гамма-излучения.

Использование: в нейтронной физике, ядерной геофизике, при нейтронно-активационном анализе, в источниках нейтронов. Сущность изобретения: импульсный генератор нейтронов содержит две плазмообразующие мишени, расположенные внутри герметизированного цилиндрического корпуса на его оси, с поверхностями плазмообразования, обращенными одна к другой. Вокруг мишеней соосно установлены магнитные катушки, связанные с разрядным электродом высоковольтной формирующей линией. Генератор снабжен импульсным лазером, оптической системой формирования лазерных пятен на мишенях и разрядном электроде, а также каналами ввода лазерных лучей в зону воздействия. 1 ил.

ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ, содержащий герметизированный цилиндрический корпус, установленные в корпусе две мишени, одна из которых выполнена плазмообразующей, расположенный вне корпуса импульсный лазер с оптическими элементами фокусировки и сканирования, магнитную систему, причем корпус снабжен каналом ввода лучей лазера в зону плазмообразующей мишени, отличающийся тем, что вторая мишень также выполнена плазмообразующей, обе мишени соосно установлены в корпусе вдоль его оси симметрии с обращенными одна к другой поверхностями плазмообразования, магнитная система включает высоковольтную формирующую линию, разрядные электроды, образующие разрядник, симметрично установленные в корпусе две соосные электромагнитные катушки, охватывающие мишени, причем высоковольтная формирующая линия связана с одним из электродов разрядника, а электромагнитные катушки - с другим электродом, импульсный лазер снабжен дополнительными оптическими элементами раздвоения лазерного луча, элементами раздвоения одного из лазерных лучей, направленных на плазмообразующие мишени, и дополнительными элементами фокусировки и сканирования лазерных лучей, при этом корпус снабжен дополнительным каналом ввода лазерных лучей в зону второй плазмообразующей мишени, а разрядник снабжен каналом ввода лазерных лучей в разрядный объем на поверхность одного из разрядных электродов.