ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОННОГО ПУЧКА Российский патент 2001 года по МПК H05H3/06 G21G4/02 

Данное изобретение относится к генератору нейтронного пучка.

Предшествующий уровень техники
В патентной заявке 94/10192 Южной Африки раскрывается способ интраскопии на быстрых нейтронах для обнаружения присутствия определенного вещества в основном кристалле, например алмазных включений в частицах кимберлита. В простейшем варианте этого способа отдельные кимберлитовые частицы облучаются пучком быстрых нейтронов, то есть нейтронов, имеющих уровень кинетической энергии порядка миллионов электрон-вольт. По получаемой кривой поглощения можно определить, присутствует ли в первичной кристаллической частице искомое вещество. Нейтроны должны быть моноэнергетическими, то есть иметь отчетливо выраженный уровень энергии, совпадающий или близкий к уровню энергии резонансного поглощения для искомого вещества. Например, в случае обнаружения алмаза в кимберлите нейтроны могут иметь отчетливо выраженный уровень энергии порядка 7.8 МэВ, который является уровнем резонансного поглощения углерода и на котором хорошо различимо поглощение в алмазе и кимберлите.

В одном из вариантов этого способа образцы облучаются пучком быстрых нейтронов с двумя различными энергетическими уровнями, один из которых является резонансным уровнем энергии для искомого вещества, а другой таковым не является. В случае обнаружения алмаза в кимберлите уровни энергии нейтронного пучка могут составлять, например, 7.8 МэВ и 7 МэВ соответственно. Кривые поглощения, полученные на двух энергетических уровнях, вычитаются друг из друга для получения третьей кривой, которая анализируются на предмет присутствия искомого вещества.

Независимо от применяемого способа необходимо использовать нейтронный пучок достаточно высокой плотности и энергии для проникновения в образец и получения отчетливо выраженного спектра поглощения. Обычно нейтронные пучки генерируются путем ускорения пучка протонов или дейтронов до кинетической энергии порядка миллионов электрон-вольт и направления этого пучка на подходящий материал мишени. Ядерные реакции между этим пучком и мишенью приводят к эмиссии нейтронов. Спектр нейтронного излучения зависит от ядерной структуры различных атомов, участвующих в реакции.

Целью настоящего изобретения является создание генератора нейтронного пуска высокой плотности, способного генерировать пучок быстрых нейтронов с энергетическим уровнем, подходящим, например, для обнаружения алмазных включений в кимберлите.

Раскрытие изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается генератор электронного пучка, который содержит ускоритель частиц для ускорения в импульсном режиме пучка частиц, создаваемого ионным источником, камеру, содержащую газ, с которым пучок частиц должен взаимодействовать для создания нейтронного пучка, откачиваемый канал для транспортировки пучка ускоренных частиц в газовую камеру, проход между газовой камерой и каналом и средство управления проходом, которое синхронизируется импульсами пучка ускоренных частиц и которое открывает проход для прохождения импульсов пучка ускоренных частиц в газовую камеру через закрывания или ограничения прохода, предотвращая или уменьшая утечку газа из газовой камеры через проход в промежутках между этими импульсами.

В предпочтительных вариантах реализации средство управления проходом содержит управляющий элемент прохода с по меньшей мере одним отверстием в нем и средство для перемещения управляющего элемента относительно прохода, так что проход попеременно открывается путем совмещения отверстия в управляющем элементе с проходом и закрывается или ограничивается путем совмещения с проходом той части управляющего элемента, где нет отверстия.

В одном варианте управляющий элемент прохода содержит вращающийся диск, ось которого располагается параллельно оси прохода и который имеет множество отверстий, равномерно расположенных по окружности, пересекающих ось прохода, а средство перемещения содержит привод вращательного действия для поворота диска вокруг его оси.

В конкретном предпочтительном варианте воплощения изобретения имеется множество откачиваемых отсеков, расположенных последовательно между откачиваемым каналом и газовой камерой с совмещенными направляющими проходами между соответствующими отсеками, совмещенный проход между каналом и первым отсеком и совмещенный проход между последним отсеком и газовой камерой, причем по меньшей мере несколько проходов управляются средством управления, которое синхронизируется импульсами пучка ускоренных частиц. В этом случае могут быть предусмотрены вакуумные насосы, обеспечивающие откачку отсеков до разных уровней давления. Для эффективного предотвращения утечек газа из газовой камеры предпочтительно, чтобы вакуумные насосы поддерживали в отсеках последовательно понижающееся давление в направлении от газовой камеры к вакуумному каналу.

Могут быть предусмотрены проходы между последним отсеком и газовой камерой и между последним отсеком и соседним отсеком, которые управляются с помощью синхронизированного средства управления проходом.

В другом варианте реализации изобретения управляющий элемент содержит цилиндр, ось которого перпендикулярна оси прохода и который имеет отверстие, проходящее по диаметру цилиндра, а средство перемещения содержит привод вращательного действия для поворота цилиндра относительно его оси, так что отверстие периодически совмещается с проходом.

Каждое отверстие может быть открытым. Как вариант, каждое отверстие может быть перекрыто тонкой металлической фольгой, способной пропускать импульс пучка частиц и препятствовать прохождению газа из газовой камеры.

Кроме того, согласно изобретению, генератор нейтронного пучка может содержать средство для заполнения газовой камеры газом под давлением и средство для охлаждения газа. Например, может быть предусмотрен источник газа, газопровод, идущий от источника газа к газовой камере, через который газ подается в газовую камеру, и расположенное в газопроводе средство для охлаждения газа.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 схематически изображает генератор нейтронного пучка, согласно изобретению;
фиг. 2 изображает в увеличенном виде часть, помеченная буквой "А" на фиг. 1, согласно изобретению;
фиг. 3 изображает вид спереди на поворачивающийся диск, используемый в генераторе, показанном на фиг. 1, согласно изобретению;
фиг. 4 изображает альтернативный вариант устройства управления проходом согласно изобретению;
фиг. 5 схематически изображает другой вариант воплощения изобретения.

Предпочтительные варианты воплощения изобретения
На фиг. 1 показана лента конвейера 10, по которой транспортируется ряд кимберлитовых частиц 12 через зону облучения, обозначенную в целом под номером 14. Проходя через зону 14, частицы облучаются пучком быстрых нейтронов 16, который создается генератором нейтронного пучка 18 согласно настоящему изобретению. Спектр нейтронного поглощения получают для каждой частицы, проходящей через зону 14. По спектру поглощения можно установить, какая из частиц 12 содержит алмазные включения 20.

Частицы, которые содержат алмазные включения, впоследствии отделяются от остальных частиц после их сбрасывания с ленты транспортера 10.

При использовании настоящего изобретения, когда желательно идентифицировать кимберлитовые частицы, содержащие алмазы, нейтронный пучок 16 обычно имеет определенный энергетический уровень порядка 7.8 МэВ, который является резонансным энергетическим уровнем для углерода. На практике нейтронный пучок может быть модулирован между резонансным и нерезонансным энергетическими уровнями для получения двух спектров поглощения с последующим использованием разностного метода для идентификации частиц с алмазными включениями. Нейтронный пучок модулируется между резонансным энергетическим уровнем 7.8 МэВ и нерезонансным энергетическим уровнем порядка 7 МэВ.

Требуемый нейтронный пучок либо с одним, либо с двумя энергетическими уровнями создается посредством бомбардировки соответствующей мишени пучком частиц с высокой энергией. На практике необходимо направлять пучок частиц с высокой энергией на мишень в вакуумной системе для минимизации потерь энергии пучка частиц. Очевидно, что требуемый нейтронный пучок удобнее всего получается путем бомбардировки мишени из газообразного дейтерия дейтронным пучком с высокой энергией.

В рассматриваемом примере дейтроны из ионного источника 22 ускоряются до необходимого уровня энергии ускорителем частиц с RFQ (радиочастотный квадруполь) 24.

Природа RFQ ускорителя такова, что пучок дейтронов ускоряется в импульсном режиме, то есть в виде сгустков пучка с коэффициентом заполнения, обычно составляющим несколько процентов. Вместо RFQ ускорителя можно использовать циклотрон, или кольцевой ускоритель, для получения пульсирующего пучка частиц.

Пучок ускоренных дейтронов проходит по откачиваемой трубке 26, играющей роль вакуумного канала, к коллиматору с отверстиями 28. Откачка канала 28 достигается с помощью вакуумных насосов 30. Как видно из фиг. 2, коллиматор с отверстиями 28 содержит поперечные пластины 32 и 34 с небольшими совмещенными отверстиями 36 и 38 соответственно. Отверстия 36 и 38 обычно имеют диаметр порядка 2-3 мм. Отверстие 38 совмещено с отверстием 40 в газовой камере 42, являющейся вместилищем газообразного дейтерия 44 под давлением. Отверстия 38 и 40 вместе обеспечивают проход, через который коллимированный ускоренный поток дейтронов может проходить из трубки 26 для бомбардировки газообразного дейтерия 44 в газовой камере 42. Ядерная реакция, которая происходит при столкновении пучка дейтронов с высокой энергией с газовой мишенью, генерирует пучок быстрых нейтронов 16 с требуемым энергетическим уровнем.

Если проход, образованный отверстиями 38 и 40, открыт, давая возможность прохождения пучка дейтронов в газовую камеру, газообразный дейтерий может вытекать из газовой камеры в трубку 26. Чтобы избежать излишних потерь газообразного дейтерия, предусмотрено устройство управления проходом.

Устройство управления проходом содержит круговой диск 50, показанный на фиг. 3 (вид спереди). Диск имеет центральную ось 52 и большое количество отверстий 54, равномерно расположенных на воображаемой окружности, проходящих рядом с краем диска.

Для поворота вокруг оси 52 диск монтируется между верхним концом трубки 26 и нижней стенкой газовой камеры 42. Двигатель 56 имеет сцепление с диском и приводит его во вращение относительно оси 52. Работа двигателя 56 синхронизируется с работой RFQ ускорителя 24, так что, когда импульс, или сгусток, пучка дейтронов проходит через отверстие 38, отверстие 54 на диске 50 совмещается с отверстиями 38 и 40, то есть с направляющим проходом между трубкой 26 и газовой камерой 42. Импульс пучка дейтронов может соответственно проходить в камеру для бомбардировки газообразного дейтерия. Синхронизация также заключается в том, что, когда импульс отсутствует, то есть в промежутке между следующими друг за другом импульсами RFQ ускорителя, отверстие 54 не совмещено с отверстиями 38 и 40 и направляющий проход находится в закрытом состоянии.

Как было установлено выше, при открытом состоянии прохода некоторое количество газообразного дейтерия может утекать в трубку 26. Однако, если проход закрыт, такая утечка невозможна, и давление газообразного дейтерия в газовой камере 42 поддерживается высоким. Очевидно, что при попеременном открывании и закрывании направляющего прохода можно ограничить потери газообразного дейтерия до приемлемого уровня для продолжительного генерирования требуемого пучка быстрых нейтронов, даже если отверстия 54 являются сквозными в диске 50.

Потери газа из камеры 42 можно также уменьшить, предусмотрев тонкую металлическую фольгу, перекрывающую отверстия 54 в диске 50. Эта металлическая фольга достаточно тонкая, чтобы импульсы ускоренного пучка частиц проходили с небольшой потерей кинетической энергии, но при этом способна предотвратить утечку газа через диск. Металлическая фольга, имеющаяся в наличии под торговой маркой Haver, хорошо подходит для практического использования. Такая фольга имеет склонность к плавлению или разрушению под действием токов пучка, превышающих несколько микроампер, в то время как для генерирования требуемого нейтронного пучка при реализации настоящего изобретения обычно требуются токи пучка порядка сотен микроампер. Однако при рассматриваемом расположении отверстий, каждое из которых покрыто фольгой, очередное покрытие из фольги совмещается с проходом каждый раз, когда импульс или сгусток пучка проходит через проход. Полный ток пучка соответственно усредняется по большому количеству покрытий из фольги, и можно ожидать, что при достаточном количестве покрытий из фольги и правильной синхронизации средний ток пучка будет недостаточным для разрушения отдельных покрытий из фольги.

На фиг. 4 показан альтернативный вариант устройства управления проходом. В устройстве управления проходом в этом варианте предусмотрен круговой цилиндр 60, вращающийся вокруг своей оси 62 и имеющий поперечное отверстие 64, проходящее сквозь цилиндр по его диаметру. На практике цилиндр размещается между отверстиями 38 и 40, причем его ось 62 перпендикулярна проходу, образованному этими отверстиями. При определенном положении цилиндра отверстие 64 совмещается с отверстиями 38 и 40, что соответствует открытому состоянию прохода, так что поступающий импульс пучка, или сгусток, может проходить из откачиваемой трубки 26 в газовую камеру 42. Во всех других положениях цилиндра при его повороте отверстие 64 не совмещено с отверстиями 38 и 40, что соответствует закрытому состоянию прохода. Поворот цилиндра 60 синхронизируется с работой RPQ ускорителя, так что отверстие 64 совмещается с проходом всякий раз, когда поступает импульс или сгусток пучка, и не совмещается с проходом в промежутке времени между импульсами или сгустками.

В процессе поворота цилиндрическая поверхность цилиндра находится в тесном контакте с противоположными стенками коллиматора с отверстиями и газовой камерой, так что в закрытом состоянии утечка газа невелика или вообще отсутствует. Как описано выше для диска 50, отверстие 64 может быть перекрыто тонкой металлической фольгой, которая уменьшает утечку газа при открытом состоянии прохода.

На фиг. 5 показана рассматриваемая часть другого варианта воплощения изобретения. На этой фигуре для обозначения соответствующих элементов используются те же цифровые ссылки, что на предыдущих фигурах.

Откачиваемая трубка 26 подсоединена к первому из трех последовательно соединенных отсеков 66, 68 и 70. Отсеки 66, 68 и 70 соединены вместе последовательно между трубкой 26 и газовой камерой 42 с помощью направляющих совмещенных проходов 72, 74, 76 и 78, связывающих вместе канал, отсеки и газовую камеру. В этом варианте предусмотрено два круговых диска 50, смонтированных на общем валу 80, приводимом в движение двигателем 56. Как и на фиг. 3, каждый из дисков имеет ряд расположенных по окружности отверстий близко к краю диска. Вал 80 и отверстия 54 расположены так, что при вращении дисков следующие друг за другом отверстия на диске совмещаются с проходами 76 и 78. Поворот дисков осуществляется синхронно с работой RFQ ускорителя, так что при появлении импульса пучка или сгустка дейтронов в проходах 76 и 78, этот импульс может пройти в газовую камеру. В промежутке времени между импульсами отверстия 54 не совмещены с проходами 76 и 78, так что утечка газа из газовой камеры в отсеки предотвращается либо по меньшей мере уменьшается.

Когда диски находятся в открытом положении, то есть имеется возможность прохождения через проходы 76 и 78, некоторое количество газообразного дейтерия может утекать из газовой камеры в отсек 70 через проход 78. Есть также возможность утечки газа в отсеки 66 и 68. Даже когда диски находятся в закрытом положении, то есть когда отверстия 54 не совмещены с проходами 76 и 78, поворачивающиеся диски могут не обеспечивать полную герметизацию, что повышает вероятность утечки газа из газовой камеры 42.

Для компенсации утечки газа к отсекам 66, 68 и 70 подсоединены соответствующие вакуумные насосы 82, 84 и 86. Вакуумные насосы удаляют газ, вытекший в отсеки, и возвращают его посредством насоса 88 в газовую камеру. 42. Это ограничивает потери газообразного дейтерия и поддерживает длительное генерирование требуемого пучка быстрых нейтронов. На практике предпочтительно, чтобы вакуумные насосы поддерживали внутреннее давление в отсеке 68 ниже, чем в отсеке 70, а в отсеке 66 ниже, чем в отсеке 68. Таким образом, давление в отсеках понижается по мере удаления от газовой камеры 42, в результате чего вытекший газ эффективно удаляется из отсеков и вновь подается в газовую камеру прежде, чем он сможет достичь канала 26.

Хотя на фиг. 5 показано только средство управления проходом, то есть поворачивающиеся диски 50, контролирующие утечку газа через проходы 76 и 78, ясно, что может быть предусмотрено соответствующим образом синхронизированное средство управления для контроля утечки через другие, находящиеся выше по ходу истечения газа проходы 72 и 74. Хотя диски 50 описаны как поворачивающиеся синхронно на общем валу, для них могут быть предусмотрены независимые приводные устройства, соответствующим образом синхронизированные с RFQ ускорителем.

Отверстия 54 в дисках на фиг. 5 также могут быть покрыты металлической фольгой, как было описано ранее.

В описанных выше вариантах газовая камера заполняется газом под давлением от соответствующего источника через газопровод, сообщающийся с газовой камерой. В качестве примера показан источник газа 90 и газопровод 92. Другим средством ограничения утечки газа из газовой камеры, также входящим в объем данного изобретения, является охлаждение газа, которым наполняется газовая камера, чтобы тем самым уменьшить его давление. Используя охлаждение газа в газовой камере 42, можно получить достаточно высокие плотности газа для генерирования пучка быстрых нейтронов при давлениях более низких, чем при отсутствии охлаждения.

На практике газ перед подачей в газовую камеру может быть охлажден до жидкого состояния в теплообменнике 94, расположенном в подающем газопроводе 92. Газ, например, можно охлаждать до температуры порядка 150 К. Пониженное давление охлажденного газа уменьшает тенденцию его утечки из газовой камеры.

Изобретение относится к генераторам нейтронного пучка. Генератор нейтронного пучка содержит ускоритель для ускорения в импульсном режиме пучка частиц, создаваемого источником ионов. Генератор содержит также газовую камеру для газа, с которым взаимодействует пучок частиц, для образования требуемого нейтронного потока. Имеется откачиваемый канал для транспортировки ускоренного пучка частиц в газовую камеру и проход между газовой камерой и каналом. Средство управления проходом осуществляет открывание прохода, давая возможность импульсам пучка ускоренных частиц проходить в газовую камеру через проход, и закрывание или ограничение прохода, предотвращая или уменьшая утечку газа из газовой камеры через проход в промежутке времени между импульсами. Технический результат - создание генератора нейтронного пучка высокой плотности, способного генерировать пучок быстрых нейтронов с энергетическим уровнем, подходящим, например, для обнаружения алмазных включений в кимберлите. 12 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Генератор нейтронного пучка, содержащий ускоритель частиц для ускорения в импульсном режиме пучка частиц, создаваемого ионным источником, камеру, содержащую газ, с которым должен взаимодействовать поток частиц для получения нейтронного пучка, откачиваемый канал для транспортировки пучка ускоренных частиц в газовую камеру, проход между газовой камерой и каналом и средство управления проходом, которое синхронизируется импульсами пучка ускоренных частиц и предназначено для открывания прохода и прохождения импульсов пучка ускоренных частиц в газовую камеру через проход, закрывания или ограничения прохода и предотвращения или уменьшения утечки газа из газовой камеры через проход в промежутке между импульсами. 2. Генератор нейтронного пучка по п.1, в котором средство управления проходом содержит управляющий элемент прохода, имеющий по меньшей мере одно отверстие, и средство для перемещения управляющего элемента прохода относительно прохода, так что проход попеременно открывается путем совмещения отверстия в управляющем элементе прохода с проходом и закрывается или ограничивается путем совмещения с проходом части управляющего элемента прохода, на которой нет отверстия. 3. Генератор нейтронного пучка по п.2, в котором управляющий элемент прохода содержит поворотный диск, расположенный так, что его ось параллельна оси прохода и в нем выполнено множество отверстий, которые размещены на равном расстоянии друг от друга по окружности, пересекающей ось прохода, а средство перемещения содержит привод вращательного действия для поворота диска вокруг его оси. 4. Генератор нейтронного пучка по любому из п.2 или 3, который содержит множество откачиваемых отсеков, расположенных последовательно между откачиваемым каналом и газовой камерой с совмещенными направляющими проходами между соответствующими отсеками, совмещенный проход между каналом и первым отсеком и совмещенный проход между последним отсеком и газовой камерой, причем по меньшей мере несколько проходов управляются средством управления проходом, синхронизированным импульсами пучка ускоренных частиц. 5. Генератор нейтронного пучка по п.4, который содержит вакуумные насосы, предназначенные для откачки отсеков до разных давлений. 6. Генератор нейтронного пучка по п.5, в котором вакуумные насосы предназначены для поддержания последовательно понижающихся давлений в отсеках в направлении от газовой камеры к вакуумному каналу. 7. Генератор нейтронного пучка по любому из пп.4 - 6, в котором проходы между последним отсеком и газовой камерой и между последним отсеком и соседним с ним отсеком управляются средством управления проходом, синхронизированным импульсами пучка ускоренных частиц. 8. Генератор нейтронного пучка по п.2, в котором управляющий элемент прохода содержит цилиндр, ось которого перпендикулярна оси прохода, и отверстие, проходящее сквозь цилиндр, причем средство перемещения содержит привод вращательного действия для поворота цилиндра вокруг его оси, так что отверстие периодически совмещается с проходом. 9. Генератор нейтронного пучка по любому из пп.2 - 8, в котором каждое отверстие перекрыто тонкой металлической фольгой, пропускающей импульс пучка частиц и предотвращающей прохождение газа из газовой камеры. 10. Генератор нейтронного пучка по любому из предшествующих пунктов, в котором ускоритель частиц представляет собой RFQ ускоритель или циклотрон. 11. Генератор нейтронного пучка по любому из предшествующих пунктов, в котором имеется средство для заполнения газовой камеры газом под давлением и средство для охлаждения газа. 12. Генератор нейтронного пучка по п.11, который содержит источник газа, газопровод, проходящий от источника газа к газовой камере, посредством которого газ подается в газовую камеру, и средство в газопроводе для охлаждения газа. 13. Генератор нейтронного пучка по любому одному из предшествующих пунктов, в котором газовая камера является аккумулятором газообразного дейтерия, а пучок частиц, ускоряемый ускорителем частиц, представляет собой пучок дейтронов.