НЕЙТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2013 года по МПК H05H1/00 G21G4/02 

Изобретение относится к нейтронной технике, к средствам формирования 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.

Генераторы нейтронов используют в прикладных задачах нейтронной физики для формирования импульсных потоков нейтронов с регулируемыми параметрами (плотность потока и энергетический спектр нейтронов). При этом формируют поток ионов, состоящий из дейтронов для бомбардировки мишени на основе дейтерированных металлов или материалов, содержащих тритий с дейтерием или без дейтерия.

Известен импульсный генератор нейтронов (изобретение по патенту РФ №2054717, МПК G21G 44/02, от 14.07.1993), 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, 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.

Недостатком такого генератора является сложность конструкции при недостаточном выходе потока нейтронов.

Известен также генератор нейтронов (полезная модель по патенту РФ №71499, МПК Н05Н 1/00 от 03.10.2007), содержащий проводящий заземленный корпус, заполненный высоковольтным диэлектриком с расположенным в нем проводящим контейнером, источником ускоряющего напряжения, включенным между корпусом и контейнером, запаянную ускорительную трубку, мишень которой электрически соединена с корпусом, а источник ионов размещен в объеме контейнера, блок питания электродов источника ионов, размещенный в объеме контейнера, при этом генератор содержит пару источник-детектор излучения, расположенную в зоне прямой видимости друг друга, один из которых размещен у заземленного корпуса и электрически соединен с расположенным под нулевым потенциалом устройством управления источником ионов, а второй размещен у контейнера и соединен с блоком питания источника ионов, установленным в контейнере, проводящий заземленный корпус заполнен прозрачным высоковольтным диэлектриком, а пара источник-детектор излучения разделена этим диэлектриком.

Недостатком этого генератора является низкая эффективность, обусловленная недостаточным выходом потока нейтронов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является известный генератор нейтронов (Gillich D.J., Kovanen A., Danon Y., Deuteried target comparision for pyroelectric crystal D-D nuclear fusuon experiments. Jornal of Nuclear Materials. 405 (2010), pp.181-185, fig.5), содержащий герметичную трубку, заполненную дейтерием и/или тритием при низком давлении, в которой на одной оси установлены пироэлектрические кристаллы, к внешним сторонам каждого из которых прикреплены термоэлементы, подключенные к источнику электропитания, в первом пироэлектрическом кристалле к стороне, обращенной ко второму пироэлектрическому кристаллу, примыкает металлическая пластина с обеспечением электрического контакта, причем на поверхности упомянутой металлической пластины расположены металлические разрядные элементы, а во втором пироэлектрическом кристалле к стороне, обращенной к первому пироэлектрическому кристаллу, примыкает мишень с дейтерием и/или тритием. Недостатком такого устройства является недостаточная эффективность, обусловленная недостаточностью выхода потока нейтронов для практического использования. Это связано и с типом используемых пироэлектрических кристаллов танталата лития (LiTaO₃), которые имеют относительно невысокий пироэлектрический коэффициент, имеют только два пироэлектрических кристалла с небольшой площадью поверхности, а также имеют конструктивные недостатки, обусловленные выполнением отдельного разрядного элемента в виде одного длинного цилиндрического (проволочного) элемента, что ограничивает возможное число ионизированных атомов дейтерия (дейтронов) и молекулярных ионов дейтерия, участвующих в термоядерных реакциях синтеза. Тем самым не обеспечивается генерация мощного потока нейтронов. Технический эффект, заключающийся в устранении отмеченных недостатков прототипа, в предлагаемом нейтронном генераторе, содержащем герметичную камеру, заполненную дейтерием и/или тритием при низком давлении, в которой на одной оси установлены пироэлектрические кристаллы, к внешним сторонам каждого из которых прикреплены термоэлементы, подключенные к источнику электропитания, в первом пироэлектрическом кристалле к стороне, обращенной ко второму пироэлектрическому кристаллу, примыкает металлическая пластина с обеспечением электрического контакта, причем на поверхности упомянутой металлической пластины расположены металлические разрядные элементы, а во втором пироэлектрическом кристалле к стороне, обращенной к первому пироэлектрическому кристаллу, примыкает мишень с дейтерием и/или тритием, достигается тем, что пироэлектрические кристаллы выполнены в виде матричных сборок m×n, где m=2-10 - число строк матрицы, а n=2-10 - число столбцов матрицы, с толщиной пироэлектрических кристаллов от 5 мм до 25 мм, выполненных на основе ниобата бария стронция, причем металлическая пластина, примыкающая к первому пироэлектрическому кристаллу, выполнена из тугоплавкого металла, а металлические разрядные элементы выполнены с обеспечением повышенного градиента электрического поля между пироэлектрическими кристаллами.

Технический эффект достигается также тем, что пироэлектрические кристаллы выполнены на основе ниобата бария стронция Sr_xBa_1-xNb₂O₆, где 0,2≤x≤0,8.

Повышение градиента электрического поля между матричными сборками пироэлектрических кристаллов достигается тем, что разрядные элементы, расположенные на пластине, примыкающей к первому пироэлектрическому кристаллу, выполнены в виде игольчатых элементов. При этом разрядные элементы выполнены из вольфрама или из тантала. Кроме того, повышение эффективности работы нейтронного генератора обеспечивается тем, что он содержит дополнительные термоэлементы, расположенные между строками и столбцами матричных сборок прироэлектрических кристаллов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 представлена функциональная схема генератора;

- на фиг.2 показан фронтальный вид матричной сборки пироэлектрических кристаллов;

- на фиг.3 приведен вариант схемы расположения дополнительных термоэлементов в матричных сборках.

Предлагаемый генератор (фиг.1) содержит герметичную камеру 1 с корпусом 2, заполненную дейтерием и/или тритием при низком давлении примерно 1-2 мТор, первую 3 и вторую 4 матричные сборки пироэлектрических кристаллов, основные термоэлементы 5 и 6, прикрепленные к внешним сторонам сборок 3 и 4, первая металлическая пластина 7, примыкающая с обеспечением электрического контакта к первой сборке пироэлектрических кристаллов 3 со стороны, обращенной ко второй сборке пироэлектрических кристаллов 4. При этом на поверхности металлической пластины 7 расположены металлические разрядные элементы 8. Во второй сборке пироэлектрических кристаллов 4 к стороне, обращенной к первой сборке пироэлектрических кристаллов 3, примыкает мишень 9 с дейтерием и/или тритием.

Матричные сборки состоят из регулярно расположенных и близких по своим свойствам пироэлектрических кристаллов 3 и 4 (в случае, показанном на фиг.1, такая сборка состоит из матрицы из 5×5 пироэлектрических кристаллов).

Термоэлементы 5 и 6 подключены к источнику электропитания 10.

Сборки 3 и 4 выполнены в виде матриц m×n, где m=2-10 - число строк матрицы, а n=2-10 - число столбцов матрицы. Толщина пироэлектрических кристаллов составляет величину от 5 мм до 25 мм. Пироэлектрические кристаллы в сборках 3 и 4 выполнены на основе ниобата бария стронция.

Металлическая пластина 7, примыкающая к первой сборке пироэлектрических кристаллов 3, выполнена из тугоплавкого металла, а металлические разрядные элементы 8 выполнены из вольфрама или из тантала с обеспечением повышенного градиента электрического поля между пироэлектрическими кристаллами. С этой целью разрядные элементы 8 выполнены в виде игольчатых элементов.

Кроме того, устройство содержит дополнительные термоэлементы 11 и 12, расположенные между строками и столбцами матричных сборок пироэлектрических кристаллов 3 и 4.

Термоэлементы 5 и 6, а также 11 и 12 предназначены для периодического и синхронного нагревания и охлаждения кристаллов 3 и 4.

Предлагаемый генератор нейтронов работает следующим образом.

Выращенные, оттестированные и монодоменизированные вдоль полярной оси пироэлектрические кристаллы 3 и 4, образующие собой матричную сборку, типа SBN-61 или SBN-75, с близкими характеристиками (значениями пироэлектрических коэффициентов γ и температурами Кюри Т_c) нагреваются все одновременно основными термоэлементами 5 и 6 и дополнительными термоэлементами 11 и 12 (расположенными в керамических корпусах (на чертежах не показано), со всех сторон плотно прилегающих к пироэлектрическим кристаллам с боковых сторон для сокращения времени нагрева ввиду малых значений теплопроводности данных кристаллов) управляемым блоком электропитания 10. Температура нагрева матричных сборок кристаллов 3 и 4 составляет примерно 100°С. При нагреве или охлаждении на поверхности пироэлектрических кристаллов 3 будет возникать заряд Q₁ и электрический потенциал U₁=Q₁/C_Cr≈100-200 кВ, где C_Cr=ε·ε₀·S/d - емкость пироэлектрического кристалла. Здесь ε - относительная диэлектрическая постоянная пироэлектрического кристалла, ε₀ - диэлектрическая постоянная вакуума, S - площадь поверхности пироэлектрического кристалла 3, входящего в матричную сборку и соединенного электрически параллельно, d - толщина кристалла. Изменяя число кристаллов в матричной сборке можно менять выход нейтронов из генератора. При этом поверхность второй матричной сборки кристаллов 4, прилегающая к поверхности мишени 9 с дейтерием и/или тритием, будет заряжаться до того же значения заряда Q₂ и потенциала U₂=Q₂/C_Cr≈100-200 кВ, что и в первой пироэлектрической сборке пироэлектрических кристаллов 3. Сборки 3 и 4 выполнены в виде матриц m×n, где m=2-10 - число строк матрицы, а n=2-10 - число столбцов матрицы.

Матрицы с минимальной размерностью m=n=2 используются в небольших генераторах. Матрицы с увеличенной размерностью m=n=10 используются в генераторах с повышенным потоком нейтронов.

Потенциал металлической пластины 7 будет равен потенциалу на поверхности матричной сборки кристаллов 3 и ввиду большого градиента электрического поля Е₁=-▽U₁ вблизи концов регулярно расположенных игольчатых разрядных элементов 8, напряженность электрического поля будет достигать значений, при которых будет происходить ионизация атомов дейтерия с возникновением положительно заряженных атомарных ионов D⁺ и, в малом количестве, молекулярных . Следовательно, в поле между двумя внутренними и обращенными друг к другу пластинами 7 и 9 плоского конденсатора из двух матричных сборок пироэлектрических кристаллов 3 и 4 будет возникать потенциал U≈U₁+U₂, в поле которого ионы дейтерия будет ускоряться до энергии Е=e₀·U и бомбардировать мишень, содержащую дейтерий и/или тритий. В результате бомбардировки и реакции термоядерного синтеза

,

будут образовываться моноэнергетические нейтроны с энергией Е₁=2.45 МэВ или в случае тритиевой мишени E₂=14.1 МэВ-ные нейтроны по реакции

Тем самым первый цикл закончен, далее начинается процесс быстрого охлаждения матричной сборки пироэлектрических кристаллов 3 и 4 термоэлементами 5 и 6, 11 и 12 на основе элементов Пельтье, питание к которым подводится синхронно в импульсном режиме от блока 10. Далее цикл повторяется.

Регулируя параметры импульсов (частоту, скважность и длительность) поступающих от источника питания 10 можно регулировать параметры генерируемого потока нейтронов.

Применение в предлагаемом генераторе кристаллов, выполненных ниобата бария-стронция Sr_xBa_1-xNb₂O₆, где 0,2≤х≤0,8, имеющих пироэлектрический коэффициент, в десять раз больший в сравнении с типом используемых в прототипе пироэлектрических кристаллов из танталата лития (LiTaO₃), обеспечивает генерацию нейтронов с более высоким выходом. Этому способствует также конструктивные особенности предлагаемого генератора (матричные сборки и игольчатая форма прироэлектрических кристаллов).

Предлагаемая полезная модель соответствует условию промышленной применимости, поскольку может быть многократно воспроизведена.

Для реализации предложенного генератора не требуются сложные в техническом отношении функциональные узлы и элементы:

- кристаллы 3 и 4 выполняются, как описано выше, на основе ниобата бария-стронция,

- металлические пластины 7 и 9, примыкающие к пироэлектрическим кристаллам, выполняются из тугоплавкого металла,

- разрядные элементы 8 выполняются из вольфрама или из тантала,

- в качестве блока 10 используется стандартный блок импульсного питания с возможностью регулировки параметров импульсов (частоты, длительности и скважности импульсов),

- для термоэлементов 5, 6, 11, 12 используются элементы Пельтье.

Заявленное изобретение предназначено для использования в нейтронной технике для формирования потоков нейтронов высокой плотности, в частности в экспериментальной нейтронной физике, ядерной геофизике, при анализе материалов, в том числе нейтронно-активационном анализе. Заявленное устройство содержит герметичную камеру с корпусом, заполненную дейтерием и/или тритием, матричные сборки пироэлектрических кристаллов и термоэлементы, прикрепленные к внешним сторонам сборок. Матричные сборки состоят из регулярно расположенных и близких по своим свойствам пироэлектрических кристаллов. Сборки выполнены в виде матриц m×n, где m=2-10 - число строк матрицы, a n=2-10 - число столбцов матрицы. Пироэлектрические кристаллы в сборках выполнены на основе ниобата бария стронция. Металлическая пластина, примыкающая к первой сборке пироэлектрических кристаллов, выполнена из тугоплавкого металла, а металлические разрядные элементы выполнены из вольфрама или из тантала с обеспечением повышенного градиента электрического поля между пироэлектрическими кристаллами. Термоэлементы обеспечивают периодическое и синхронное нагревание и охлаждение матриц кристаллов. Техническим результатом является обеспечение генерации нейтронов с более высоким выходом. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Нейтронный генератор, содержащий герметичную камеру, заполненную дейтерием и/или тритием при низком давлении, в которой на одной оси установлены пироэлектрические кристаллы, к внешним сторонам каждого из которых прикреплены термоэлементы, подключенные к источнику электропитания, в первом пироэлектрическом кристалле к стороне, обращенной ко второму пироэлектрическому кристаллу, примыкает металлическая пластина с обеспечением электрического контакта, причем на поверхности упомянутой металлической пластины расположены металлические разрядные элементы, а во втором пироэлектрическом кристалле к стороне, обращенной к первому пироэлектрическому кристаллу, примыкает мишень с дейтерием и/или тритием, отличающийся тем, что пироэлектрические кристаллы выполнены в виде матричных сборок сборок m×n, где m=2-10 - число строк матрицы, а n=2-10 - число столбцов матрицы, с толщиной пироэлектрических кристаллов от 5 мм до 25 мм, выполненных на основе ниобата бария стронция, причем металлическая пластина, примыкающая к первому пироэлектрическому кристаллу, выполнена из тугоплавкого металла, а металлические разрядные элементы выполнены с обеспечением повышенного градиента электрического поля между пироэлектрическими кристаллами.

2. Нейтронный генератор по п.1, отличающийся тем, что пироэлектрические кристаллы выполнены на основе ниобата бария стронция Sr_xBa_1-xNb₂O₆, где 0,2≤x≤0,8.

3. Нейтронный генератор по п.1, отличающийся тем, что разрядные элементы, расположенные на пластине, примыкающей к первому пироэлектрическому кристаллу, выполнены в виде игольчатых элементов.

4. Нейтронный генератор по п.1, отличающийся тем, что разрядные элементы выполнены из вольфрама.

5. Нейтронный генератор по п.1, отличающийся тем, что разрядные элементы выполнены из тантала.

6. Нейтронный генератор по п.1, отличающийся тем, что он содержит дополнительные термоэлементы, расположенные между строками и столбцами матричных сборок пироэлектрических кристаллов.