ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ДЕЙТРОНОВ - НЕЙТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2009 года по МПК H05H15/00 

Изобретение относится к области технической физики, в частности к линейным индукционным ускорителям заряженных частиц, и может быть использовано для ускорения интенсивных пучков легких ионов как в фундаментальных, так и в прикладных задачах, например для генерации нейтронных потоков при терапии онкологических заболеваний.

Известен индкуционный ускоритель ЛИУ 5/5000, содержащий последовательность соосных идентичных индукторов, укомплектованных ферромагнитными сердечниками, внутри которых размещена ускорительная трубка и фокусирующие катушки; генератор импульсного напряжения, питающий индукторы, генератор импульсного напряжения, питающий катушки /Ю.П.Вахрушин "Линейные индукционные ускорители". Докторская диссертация НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, Ленинград, 1977/ /1/. Однако ускорять в ЛИУ 5/5000 ионные токи с интенсивностью, достаточной для промышленного использования - невозможно.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство, описанное в /1/ на страницах 221-224, которое и выбрано за прототип. Индукционный ускоритель - прототип содержит ускоряющую секцию, состоящую из идентичных размещенных соосно индукторов с сердечниками из ферромагнитного материала, в которых размещена ускоряющая трубка. В ней укреплена металлическая труба. Один из торцев ее заземлен, а на противоположном - укреплен катод электронной пушки.

Анод пушки снабжен отверстием для пролета ускоренного пучка и укреплен на заземленном корпусе ускорителя с обеспечением электрического контакта. В сослав ускорителя входят также генераторы импульсов ускоряющего напряжения, элетрически связванные фидерами с питаемыми индукторами.

Однако в прототипе невозможно ускорять высокоинтенсивные ионные токи. Указанное обстоятельство не позволяет получить достаточно высокого для промышленного применения КПД устройства.

Техническая сущность изобретения состоит в том, что одновременно с трубчатым ионным пучком навстречу ему ускоряется электронный пучок, который находится внутри ионного. При этом достигается компенсация зарядов ионного пучка, что позволяет ускорять большие токи по сравнению с прототипом. Энергия, затрачиваемая на ускорение электронного пучка, преобразуется обратно в энергию электромагнитных колебаний в дополнительно установленной секции рекуперации и возвращается в ускоряющую секцию, чем повышаемся КПД устройства до уровня электронных индукционных ускорителей, использующихся в промышленности.

Технический результат достигается тем, что дополнительно введены кольцевой источник трубчатого пучка дейтронов, укрепленный вокруг анода; кольцевая нейтронообразующая мишень, укрепленная вокруг катода, снабженная катушками размещенными аксиально-симметрично, так что их оси расположены в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя, источники электропитания катушек, интегратор напряжения выполнен из двух алюминиевых коаксиальных труб, одни торцы которых вакуумно-плотно укреплены, с обеспечением электрического контакта на торцевой крышке корпуса, а противоположные свободные торцы труб аналогично укреплены с кольцевой мишенью, и полость между трубами связана патрубками с размещенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени, содержащей резервуар с раствором борной кислоты, теплообменник и насос, объединенные трубопроводом; секция рекуперации содержит цилиндрический металлический заземленный корпус, который граничит с корпусом ускоряющей секции общим торцевым фланцем с анодом в нем, водоохлаждаемый коллектор электронного пучка, укрепленный на противоположном торцевом фланце, последовательность индукторов, идентичных индукторам ускоряющей секции, связанных с ними электрическими фидерами.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображена схема предлагаемого ускорителя дейтронов - нейтронного генератора. На фиг.2 изображено сечение нейтронообразующей мишени плоскостью, перпендикулярной оси ускорителя.

На фиг.3 изображено сечение источника трубчатого пучка дейтронов плоскостью, перпендикулярной оси ускорителя, а на фиг.4 - сечение одной из двенадцати сборок источника дейтронов.

Индукционный ускоритель - нейтронный генератор состоит из ускоряющей секции, индукторы которой содержат сердечники, изготовленные из ферромагнитного материала - 1, внутри которых проходит вакуумированная ускорительная трубка - 2, в которой размещены две коаксиальные алюминиевые трубы: наружная - 3 и внутренняя - 4. Своими торцами трубы укреплены на корпусе ускорителя герметично, с обеспечением электрического контакта. На противоположных торцах труб герметично укреплена кольцевая нейтронообразующая мишень - 5, которая размещена вокруг катода электронной пушки - 6 с обеспечением электрического контакта с ним. Катод снабжен подогревателем - 7. Полость - 8 между трубами сообщается посредством патрубков - 9 с расположенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени 10, которая содержит резервуар с раствором борной кислоты, теплообменник, насос и обеспечивает циркуляцию в полости между трубами 3 и 4 охлаждающего мишень - 5 раствора борной кислоты 11. Мишень - 5 снабжена магнитными катушками 12 (фиг.2), размещенными аксиально-симметрично.

Оси катушек расположены в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя. Катушки создают магнитное поле параллельное плоскости мишени и перпендикулярное оси ускорителя. Анод пушки - 13 снабжен центральным отверстием - 14, через которое проходит ускоренный пучок - 15 в секцию рекуперации. Секция рекуперации содержит индукторы, в каждом из которых размещен ферромагнитный сердечник - 16 и катушка магнитной фокусировки - 17. Индукторы-рекуператоры снабжены фидерами - 18, связывающими их с ускоряющими индукторами. На выходе секции рекуперации размещен водоохлаждаемый коллектор электронного пучка - 19. В Вокруг анода - 13 размещен, с обеспечением электрического контакта, источник трубчатого пучка дейтронов - 20, содержащий двенадцать идентичных, размещенных аксиально-симметрично сборок искровых источников - 21. Каждая сборка состоит из шести искровых источников - 22, электропитание к которым подводится по высоковольтным кабелям - 23, снабженным ферритовыми шайбами - 24, от импульсного высоковольтного источника напряжения, не показанного на чертежах. В торце керамического изолятора - 26 выполнены отверстия - 27, стенки которых 28 образуют искровой зазор между торцами источников - 22 и заземленным корпусом - 32 сборки 21. Ускоритель снабжен генераторами импульсов ускоряющего напряжения - 29, связанными с индукторами ускоряющей секции кабелями - 30. Импульсные электрогенераторы - 31 питают катушки магнитной фокусировки - 17, размещенные в каждом индукторе-рекуператоре.

Индукционный ускоритель дейтронов - источник нейтронов работает следующим образом. Импульсы высокого напряжения от генератора - 29 поступают на индукторы ускоряющей секции по высоковольтному кабелю - 30. В ферромагнитных сердечниках - 1, размещенных в индукторах, возникают импульсные магнитные потоки, индуцирующие на свободном конце катодной трубы - 3 суммарный высоковольтный потенциал отрицательной полярности относительно ее заземленного торца, под воздействием которого электроны из катода электронной пушки - 6, подогретого нагревателем - 7, ускоряются к аноду 13, укрепленному на заземленном корпусе ускорителя. /Внутрь полости между трубами - 3 и - 4 электромагнитное поле не проникает, затухая в стенке трубы - 3./ Ускоренный электронный пучок - 15 через пролетное отверстие в аноде поступает в секцию рекуперации, составленную из индукторов, в каждом из которых размещен ферромагнитный сердечник - 16, в котором под воздействием импульсного тока пучка наводится импульсный магнитный поток, индуцирующий напряжение на индукторе-рекуператоре.

В результате взаимодействия электронного пучка с тормозящим электрическим полем, им же созданным, происходит рекуперация - кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию электромагнитного поля, часть которой возвращается по фидеру - 18 в ускоряющую секцию, где вместе с полем, созданным генератором - 29, расходуется на ускорение заряженных частиц. Фокусировка электронов в рекуператоре осуществляется продольной компонентой магнитного поля, создаваемого катушками - 17, питающимися электрическим током, вырабатываемым импульсным генератором - 31. Оставшаяся после рекуперации кинематическая энергия электронного пучка поглощается в коллекторе - 19. Одновременно с электронным пучком навстречу ему ускоряется трубчатый пучок дейтронов. Электронный пучок ускоряется внутри ионного пучка. Дейтроны образуются в источнике - 20, содержащем двенадцать идентичных сборок - 21, в состав каждой из которых входит по шесть идентичных искровых источников - 22. Импульс высоковольтного напряжения от источника, не показанного на чертежах, поступает по кабелям - 23 на источники - 22. Искровые зазоры, образованные торцами источников 22 и корпусом сборки - 32 вдоль стенок - 28 отверстий - 27, выполненных в торце керамического изолятора - пробиваются. На торцах источников - 22 образуются "катодные пятна" и из катода, изготовленного из дейтерида, циркония, десорбируется дейтерий. Ферритовые шайбы - 24 задерживают на время их намагничивания начальную стадию разряда, обеспечивая участие в нем всех источников - 22, независимо от того, на каком из них разряд начался раньше. /Поскольку напряжение, приложенное к источникам, на которых разряд еще не начался, остается в течение времени до магнитного насыщения материала шайб достаточным для пробоя искрового зазора./ Ускоренный пучок дейтронов бомбардирует нейтронообразующую мишень - 5 и вызывает нейтронный поток, который по трубе - 4 поступает к потребителю. Нейтроны, попавшие в полость между трубами - 3 и 4, поглощаются в растворе борной кислоты, не участвуя в активации ускоряющей секции.

Изобретение относится к линейным индукционным ускорителям заряженных частиц и может быть использовано для ускорения интенсивных пучков легких ионов как в фундаментальных, так и в прикладных задачах. Индукционный ускоритель дейтронов - нейтронный генератор содержит ускоряющую секцию из последовательности идентичных индукторов и ускорительную трубку с вакуумной откачкой и концентратором напряжения. Один конец трубки укреплен на торцевом фланце корпуса, а на втором укреплен катод электронной пушки. Анод пушки снабжен центральным пролетным отверстием и укреплен на противоположном фланце корпуса соосно индукторам. В ускоритель дополнительно введены кольцевой источник трубчатого пучка дейтронов и кольцевая нейтронообразующая мишень. Интегратор напряжения выполнен из двух алюминиевых коаксиальных труб. Одни торцы труб вакуумно-плотно укреплены с обеспечением электрического контакта на торцевой крышке корпуса, а противоположные свободные торцы аналогично укреплены с кольцевой мишенью. Полость между трубами связана патрубками с размещенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени. Секция рекуперации содержит корпус, водоохлаждаемый коллектор электронного пучка и последовательность индукторов. Изобретение позволяет увеличить ускоряемые токи и повысить КПД устройства. 4 ил.

Индукционный ускоритель дейтронов - нейтронный генератор, содержащий ускоряющую секцию, состоящую из последовательности идентичных индукторов, размещенных в заземленном металлическом циллиндрическом корпусе, ускорительную трубку, расположенную на оси индукторов, снабженную средствами вакуумной откачки, содержащую коаксиально размещенную металлическую трубу - концентратор напряжения, один конец которой укреплен на торцевом фланце корпуса, а на втором, незакрепленном конце, укреплен катод электронной пушки, анод пушки, снабженный центральным пролетным отверстием, укреплен на противоположном фланце корпуса, соосно индукторам, отличающийся тем, что дополнительно введены кольцевой источник трубчатого пучка дейтронов, укрепленный вокруг анода; кольцевая нейтронообразующая мишень, укрепленная вокруг катода, снабженная катушками размещенными аксиально-симметрично, так что их оси расположены в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя, источники электропитания катушек; интегратор напряжения выполнен из двух алюминиевых коаксиальных труб, одни торцы которых вакуумноплотно укреплены, с обеспечением электрического контакта на торцевой крышке корпуса, а противоположные свободные торцы труб аналогично укреплены с кольцевой мишенью, и полость между трубами связана патрубками с размещенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени, содержащей резервуар с раствором борной кислоты, теплообменник и насос, объединенные трубопроводом; секция рекуперации содержит цилиндрический металлический заземленный корпус, который граничит с корпусом ускоряющей секции общим торцевым фланцем с анодом в нем, водоохлаждаемый коллектор электронного пучка, укрепленный на противоположном торцевом фланце, последовательность индукторов идентичных индукторам ускоряющей секции, связанных с ними электрическими фидерами.