СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ПОТОКА ЧАСТИЦ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ И ИСТОЧНИК ЧАСТИЦ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТАКОГО СПОСОБА Российский патент 2013 года по МПК H05H3/06 

Настоящее изобретение относится к способу генерирования потока частиц высокой энергии и источнику частиц высокой энергии, который должен работать в соответствии с указанным способом.

Частицы высокой энергии могут быть, например, нейтронами, ионами, электронами, фотонами рентгеновского излучения или другими типами частиц высокой энергии.

Уровень техники

Такие источники, к примеру, источники нейтронов, в настоящее время известны в данной области техники и, в частности, известен тип нейтронного источника, называемый «нейтронной трубкой».

В этом типе источника ионы ускоряются до высоких энергий для бомбардировки мишени. Обычно используется ионный источник Пеннинга. Мишенью является дейтерий D или тритий Т, химически внедренный в металлическую подложку, обычно, представляющую собой молибден или вольфрам. Ионы ускоряются приблизительно до 100 кВ, чтобы бомбардировать мишень, при этом испускаются нейтроны в результате реакции D-D или реакции D-T.

При реакции D-T испускаются нейтроны с энергией 14,1 МэВ.

При реакции D-D испускаются нейтроны с энергией 2,45 МэВ, но с поперечным сечением приблизительно в сто раз меньшим, чем при реакции D-T, т.е. испускается намного более низкий поток нейтронов.

Поэтому, в общем, предпочтительно использовать мишень на основе трития, с целью получения большего потока нейтронов.

Выход нейтронов определяется энергией и током пучка ускоренных ионов, количеством дейтерия или трития, внедренного в мишень, и рассеиванием энергии на мишени.

Недостаток такой нейтронной трубки состоит в том, что скорость образования нейтронов, обычно, ограничена и в реакции D-T составляет от 10⁴ до 10⁵ нейтронов в импульсе с продолжительностью 10 микросекунд.

Величина тока дейтронного пучка I_D такого источника обычно составляет порядка менее 10 мА.

Кроме того, доступ к тритию чрезвычайно ограничен из-за соображений безопасности, что, безусловно, является проблемой для коммерческого использования такого источника.

Кроме того, содержащие тритий материалы, используемые в таком источнике, являются радиоактивными и, таким образом, требуются весьма специфические средства обеспечения безопасности.

К тому же, такие источники имеют недостаток, связанный с продолжительностью их импульсов.

Несомненно, в некоторых областях применения было бы желательно получить ультракороткий импульс (то есть импульс порядка только нескольких наносекунд), однако, применяя источники, упомянутые выше, вообще невозможно получить значительный поток частиц при таком ультракоротком импульсе.

Известно, что для того, чтобы генерировать такой короткий импульс нейтронов, используют ускоритель. Была предложена система, основанная на реакции D-Be. Дейтроны от инжектора ионного источника ускоряются в циклотроне до энергии в 9 МэВ и затем направляются на Be мишень для производства нейтронов. Однако такая система является слаботочной, громоздкой и сложной.

В связи с этим очевидно, что существующие источники для создания импульсных пучков (или, как обычно принято говорить, потоков) частиц имеют определенные ограничения.

Кроме того, существующие источники демонстрируют дополнительные серьезные ограничения.

Фактически, источники, работающие на основе импульсного напряжения, подаваемого на два электрода для ускорения заряженных частиц между этими двумя электродами, имеют серьезные ограничения, налагаемые законом Чайлда-Лэнгмюра.

Согласно этому закону поток заряженных частиц между электродами ограничивается в результате накопления этих заряженных частиц между электродами.

Обычно это явление называется явлением «пространственного заряда». Благодаря этому явлению создается барьер, ограничивающий работу существующих источников.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ генерирования импульсного потока частиц высокой энергии (например, нейтронов, ионов, электронов, фотонов рентгеновского излучения и т.д.) и также предложить источник для осуществления указанного способа, который не обладает вышеупомянутыми недостатками.

Более конкретно, задача изобретения состоит в том, чтобы генерировать поток заряженных частиц высокой энергии с очень высокой плотностью тока в течение ультракороткого импульса.

Под «очень высокой плотностью тока», подразумевается плотность тока порядка величины 1 кА/cm² или более.

Определение «ультракороткий импульс» относится к импульсу, продолжительность которого составляет около нескольких наносекунд.

Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы генерировать поток частиц с плотностью тока, превышающей предел, установленный законом Чайлда-Лэнгмюра в вакууме.

Следующая дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы предложить источник частиц высокой энергии, который может быть легко применен на практике, т.е. может использоваться в различных местах, в особенности, благодаря тому, что он является достаточно компактным и транспортабельным.

Соответственно, согласно первому аспекту изобретения предложен способ генерирования импульсного потока частиц высокой энергии, содержащий следующие этапы:

- инициирование ионной плазмы на первом электроде в вакуумной камере и обеспечение возможности развития указанной плазмы по направлению ко второму электроду в указанной вакуумной камере,

- подача короткого импульса высокого напряжения между указанными электродами в промежутке времени, при котором указанная ионная плазма находится в переходном состоянии с пространственным распределением ионов или электронов на расстоянии от указанного второго электрода, с целью ускорения указанных распределенных ионов или электронов по направлению к указанному второму электроду, благодаря чему, генерируется высокоэнергетический поток заряженных частиц, в то же время, преодолевается предел тока, связанный с пространственным зарядом, обычного вакуумного диода, и

- генерирование указанных частиц высокой энергии на указанном втором электроде.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается источник частиц высокой энергии, содержащий:

- вакуумную камеру, содержащую первый электрод и второй электрод, причем, благодаря указанному первому электроду, плазменный ионный источник способен генерировать ионную плазму и обеспечивать развитие ионной плазмы в указанной камере по направлению к указанному второму электроду,

- запускающее устройство ионного источника, соединенное с указанным первым электродом для подачи питания к указанному плазменному ионному источнику,

- высоковольтный генератор, соединенный с указанными первым и вторым электродами, и

- блок управления и контроля для обеспечения подачи короткого импульса высокого напряжения между указанными первым и вторым электродами в ответ на возбуждение указанного плазменного ионного источника указанным генератором ионного источника в промежутке времени, в течение которого указанная ионная плазма находится в переходном состоянии с пространственным распределением ионов или электронов на расстоянии от указанного второго электрода, причем, короткий импульс высокого напряжения подается с целью ускорения указанных распределенных ионов или электронов по направлению к указанному второму электроду, и для генерирования высокоэнергетического потока заряженных частиц с преодолением предела тока, связанного с пространственным зарядом, обычного вакуумного диода.

Предпочтительные, но неограничительные аспекты настоящего изобретения состоят в следующем:

- указанные частицы высокой энергии генерируются в пучке или на мишени при ядерной или электромагнитной реакции, происходящей между указанными ускоренными ионами или электронами и указанным вторым электродом;

- указанный второй электрод является полупрозрачной сетчатой структурой, и указанные частицы высокой энергии представляют собой плазменные ионы или электроны, проходящие через указанный второй электрод;

- указанное задаваемое время является временной задержкой от начала генерирования плазмы, причем указанная задержка определяется, по меньшей мере, уровнем напряжения импульса, геометрией электродов и расстоянием между ними, и давлением в камере;

- указанный первый электрод содержит пару электродных элементов, формирующих разрядную камеру плазменного ионного источника.

Краткое описание чертежей

Другие аспекты, цели и преимущества изобретения будут более понятны в приведенном ниже описании предпочтительных, но неограничительных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематическое изображение источника частиц согласно настоящему изобретению,

фиг.2а и 2b - основной принцип генерирования частиц согласно настоящему изобретению,

фиг.3а-3с - схематическое изображение трех вариантов осуществления изобретения в соответствии с генерированием трех типов частиц.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг.1 схематически представлен источник 10 частиц Р согласно настоящему изобретению.

Указанные частицы могут быть различных типов, и некоторые характерные примеры осуществления изобретения будут упомянуты со ссылкой на фиг.3а-3с.

Далее будет описан конкретный пример нейтронного источника со ссылкой на фиг.1.

Общее описание источника

Источник 10, как показано на фиг.1, содержит следующие основные элементы:

- Нейтронную трубку 110, содержащую камеру, заполненную газом при низком давлении (термин низкое давление,, в данном случае, означает почти атмосферу вакуума, т.е. обычно, давление в диапазоне от 1 до 10 Па), которая содержит:

- первый электрод 111 для генерирования плазмы и формирования плазменного ионного источника; этот первый электрод 111 будет также называться «эмитирующим» электродом,

- второй электрод 112, формирующий мишень, которая, при бомбардировке заряженными частицами плазмы, генерированной первым электродом 111, генерирует частицы Р высокой энергии в результате указанной бомбардировки,

- первый и второй электроды, соответственно, являющиеся анодом и катодом, или наоборот, катодом и анодом, в зависимости от применения источника,

- Нейтронный коллиматор 120, размещенный сзади нейтронной трубки для приема через окно 121 частиц Р высокой энергии, генерированных электродом-мишенью 112, и предназначенный для того, чтобы коллимировать поток частиц высокой энергии в пучок указанных частиц Р,

- Импульсный блок питания 130, который, главным образом, содержит:

- запускающее устройство 131 ионного источника, соединенное с эмитирующим электродом 111 для электропитания указанного электрода и обеспечивающее инициирование плазмы в камере нейтронной трубки 110,

- высоковольтный импульсный генератор 132, соединенный с электродами 111, 112 для создания импульсного высокого напряжения (обычно, напряжения 500 кВ или более для нейтронного источника) между ними, при этом один из этих электродов, первый электрод 111 или второй электрод 112, поддерживается при постоянном напряжении (обычно, заземляется), в то время как, на другой электрод подается высокий потенциал; генерирование этих импульсов высокого напряжения координируется с инициированием плазмы;

- Блок управления и оперативного контроля 140, который соединен с импульсным блоком 130 питания и с нейтронной трубкой ПО для того, чтобы регулировать и контролировать различные параметры источника и, в частности, следующие параметры:

- газ (т.е. регулировка и контроль состава газа и давления атмосферы в камере нейтронной трубки 110),

- разряд высокого напряжения (т.е. регулировка и контроль импульса напряжения, которое должно подаваться высоковольтным импульсным генератором 132),

- запускающий импульс высокого напряжения на генераторе 132 и электропитание первого электрода 111 генератором ионного источника, который далее обеспечивает «защитную блокировку», т.е. предотвращает генерирование импульса высокого напряжения, в том случае, если подходящая плазма не была сначала создана ионным источником на первом электроде 111, и который осуществляет оперативный контроль проведения операции.

Следует отметить, что имеются различные варианты конструктивного исполнения первого электрода 111. В первом из вариантов конструктивного исполнения первый электрод представляет собой набор из двух электродных элементов, питаемых током, получаемым от генератора ионного источника. Во втором варианте конструктивного исполнения плазма инициируется лазерным лучом, направленным на первый электрод 111. Несомненно, также возможны и другие варианты.

Принцип действия

При работе источника 10 используется переходный период, который следует немедленно за инициированием ионной плазмы на первом электроде 111.

В демонстрируемых вариантах осуществления изобретения плазма (т.е. резервуар положительных и отрицательных электрических зарядов) инициируется при электроснабжении первого электрода 111, причем плазма постепенно развивается от указанного первого электрода 111.

К тому же, плазма распространяется от первого электрода 111 и имеет температуру менее 1 эВ (1 эВ = 11604К), и скорость распространения плазмы, обычно, составляет менее 1 см/мкс.

Указанный ранее, «переходный период» соответствует промежутку времени между инициированием плазмы и распространением указанной плазмы в камере НО с достижением второго электрода 112, согласно упомянутым выше процессам инициирования плазмы и ее распространения.

На этой стадии пространство между этими двумя электродами вблизи эмитирующего электрода 111 имеет высокую плотность зарядов (ионов и электронов), и вблизи другого электрода 112 плотность зарядов намного ниже. Это состояние, связанное с распределением зарядов, обусловлено конечной скоростью распространения плазмы, созданной на эмитирующем электроде 111, и распределением по скоростям плазменных ионов и электронов.

На фиг.2а демонстрируется, что во время переходного периода край 1101 плазмы, соответствующий плазменной оболочке, развивается от эмитирующего электрода 111 и продвигается по направлению ко второму электроду 112. Положительно и отрицательно заряженные частицы, содержащиеся в плазме, обозначены на фиг.2а, соответственно, символами «+» и «-».

Переходный период плазмы используется для синхронизации подачи импульса высокого напряжения на электрод-мишень 112. В частности, импульсное высокое напряжение подается между электродами 111 и 112 в задаваемый момент в течение переходного периода, как будет описано ниже.

Момент запуска высокого напряжения регулируется блоком 140 управления и оперативного контроля, в зависимости от момента инициирования плазмы.

Следует отметить, что запуск импульса высокого напряжения в течение переходного периода вызывает ускорение начального пучка заряженных частиц от эмитирующего электрода 111 к электроду-мишени 112, как продемонстрировано на фиг.2b. Поэтому импульс высокого напряжения в остальной части описания может быть назван «ускоряющим импульсом».

Заряды, которые ускорены для формирования этого начального пучка, являются «зарядами, направляемыми к мишени», т.е. зарядами начальной плазмы, полярность которой противоположна полярности электрода-мишени, когда на последний подается импульс высокого напряжения. Заряженные частицы могут являться ионами или электронами.

Эти ускоренные заряды затем бомбардируют электрод-мишень 112, который, в свою очередь, испускает пучок частиц Р высокой энергии.

Частицы высокой энергии могут быть получены в результате множества процессов, как продемонстрировано на фиг.3а-3с, и более подробно:

- в результате ядерной или электромагнитной реакции при бомбардировке мишени пучком частиц, как продемонстрировано на фиг.3а и 3b, или

- при выделении потока ионов, проходящих через сетчатую структуру, как продемонстрировано на фиг.3с.

В предшествующем описании было указано, что инициирование плазмы и запуск ускоряющего импульса координируются. Координация состоит в том, что после инициирования плазмы подается ускоряющий импульс с задаваемой задержкой, величина которой зависит, среди всего прочего, от уровня напряжения, поданного на первый электрод 111, от геометрии электродов 111 и 112 (указанные электроды формируют диод, характеристика которого зависит от указанной геометрии), от уровня напряжения, приложенного между электродами 111 и 112, и от давления в камере.

Задаваемая задержка устанавливается таким образом, чтобы надлежащее состояние распределения плотности заряда в пространстве между эмитирующим электродом 111 и электродом-мишенью 112 было создано до приложения импульса высокого напряжения, ускоряющего заряд, направляемый к мишени.

Указанное надлежащее состояние возникает тогда, когда значительная плотность зарядов, имеющих полярность, противоположную полярности электрода-мишени, уже создана, но фронт 1101 плазмы все еще находится на расстоянии от электрода-мишени.

Плазма, которая развивается во время переходного периода между эмитирующим электродом 111 и электродом-мишенью 112, играет важную роль в преодолении ограничения, связанного с пространственным зарядом, которое упоминалось во введении этого описания, т.е. ограничения электрического тока пространственным зарядом, установленного законом Чайлда-Лэнгмюра.

Действительно, явление пространственного заряда ограничивает величину тока в вакуумном диоде максимальным значением, которое зависит только от геометрии диода и напряжения, и указанное явление пространственного заряда, в свою очередь, ограничивает максимальный ток, который может протекать в вакуумной трубке, работающей при умеренной мощности.

Плотность тока выражается как J~V^3/2/d², где V - напряжение, приложенное к диоду и d - расстояние между анодом и катодом в одномерной плоской модели.

При высокой импульсной мощности, когда импульсное напряжение приложено к диоду, ток обычно повышается при импульсе напряжения, в то время как напряжение V, измеряемое на диоде, одновременно падает, что обусловлено диодным импедансом Z=V/I управляющей схемы, который постоянно уменьшается. При достаточно высоком уровне тока напряжение на диоде падает, фактически, до нуля, и диод, практически, становится короткозамкнутым (т.е. наблюдается коллапс импеданса).

Такой коллапс импеданса, или замыкание диода, происходит из-за развития полностью проводящей плазмы от анода к катоду диода, которое занимает конечный промежуток времени, определенный как переходный период, упомянутый в предшествующем описании.

При запуске импульса высокого напряжения перед окончанием переходного периода, заряды, направляемые к мишени, могут быть ускорены для прохождения через развивающуюся плазму, что позволяет преодолеть препятствие, создаваемое уменьшающимся напряжением при коллапсе импеданса.

В этом отношении, плазма играет роль барьера, сдерживающего диффузию зарядов, которые она содержит.

С другой стороны, присутствие разреженной плазмы (т.е. развивающейся плазмы, но еще не полностью проводящей) в диодной области является достаточным для того, чтобы обеспечить нейтрализацию заряда по отношению к ускоряющемуся пучку и предотвратить формирование пространственного заряда, которое, в противном случае, произошло бы, если пучок заряженных частиц был бы ускорен через вакуумную область. Эта нейтрализация позволяет получить величину тока пучка, значительно превышающую предельное значение, установленное законом Чайлда-Лэнгмюра.

Таким образом, координация и временная задержка между начальным разрядом электрода и ускоряющим импульсом позволяет развиться достаточной плотности плазмы в диодной области для обеспечения нейтрализации заряда по отношению к ускоряющемуся пучку заряженных частиц.

Понятно, что момент запуска ускоряющего импульса следует отсчитывать от момента инициирования плазмы, создаваемой при первом импульсном разряде.

Продолжительность ускоряющего импульса является также временным параметром действия источника и ограничивается моментом замыкания диода.

В обычном источнике частиц типа вакуумного диода управляющее устройство источника исключает все условия, которые могли бы привести к возникновению коллапса импеданса, и при работе диода вакуум составляет от умеренного до высокого (менее 0,1 Па).

В частности, в обычной нейтронной трубке, где пучок дейтронов ускоряется в диоде, чтобы бомбардировать мишень для испускания нейтронов, ток, созданный в диоде, ограничивается пространственным зарядом, который ограничивает электрический ток, обычно, до величины 0,3 A/cm² для пучка дейтронов при ускоряющем напряжении 100 кВ через диодный промежуток, составляющий 2 см. Практически, используемый ток пучка намного ниже этой величины и, обычно, составляет менее 1 мА. Это ограничивает интегральную плотность потока нейтронов, созданного в таких устройствах (например, как нейтронный генератор, модель Р325 фирмы Thermo Electron, Corp. с ускоряющим напряжением 100 кВ, максимальным током пучка 0,1 мА, выходом нейтронов 3×10⁸ нейтрон/сек и минимальной шириной импульса, составляющей 2,5 мксек.)

В настоящем изобретении диод работает в диапазоне низкого динамического давления, обычно, составляющего от 0,1 до 10 Па.

Диод работает с плазмой, инициированной на эмитирующем электроде, и, при нейтрализованном пространственном заряде, пучок, ток которого составляет несколько кА, может быть ускорен ускоряющим напряжением 500 кВ через диодный промежуток, при этом, диодный промежуток составляет 1 см.

Продолжительность пучка (т.е. ускоряющего напряжения) обычно составляет около 10 нсек.

Благодаря настоящему изобретению может быть получена значительно более высокая эквивалентная плотность потока при одиночном импульсе (10⁸ нейтронов за импульс с продолжительностью 10 нс, создают эквивалентную плотность потока, составляющую 10¹⁶ нейтрон/сек). Следует принять во внимание, что принцип действия источника, в котором создается высокоэнергетический поток заряженных частиц непосредственной подачей ультракороткого высоковольтного импульса высокого напряжения на электроды, между которыми ионная плазма находится в переходном состоянии, позволяет преодолевать предел тока, связанный с объемным зарядом, обычного вакуумного диода. Например, может быть генерирован пучок заряженных частиц с коротким импульсом (<10 нс), большим током (> кА) и с высокой энергией (>700 кэВ).

Дополнительное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Как упомянуто выше, источник, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, используется для генерирования начального пучка дейтронов, которые бомбардируют катодную мишень 112, в результате чего испускается пучок нейтронов.

В этом случае создается низкое давление атмосферы в камере (как и в большинстве случаев) с дейтерием.

Чтобы иметь возможность использовать источник, не нанося вред здоровью населения и окружающей среде, желательно избежать какого-либо использования радиоактивных материалов, в частности, в электроде-мишени.

С учетом этого, природный литий может быть выбран в качестве материала мишени, при этом, в результате реакции 7Li(d,n)8Be испускается широкий спектр высокоэнергетических нейтронов с максимальной энергией, достигающей вплоть до 14 МэВ.

При использовании 7Li в качестве материала мишени требуются дейтроны со значительно более высокой энергией (обычно, выше 500 кэВ), чем та, которая требовалась бы при использовании мишени с тритием (для последней требуется энергия только около 120 кэВ), поэтому в таком варианте осуществления изобретения будет необходимо более высокое ускорение.

Кроме того, в связи с тем, что чистый литий является металлом с низкой температурой плавления и может легко окисляться, предпочтительно, использовать соединения, содержащие 7Li.

В частном варианте осуществления изобретения, продемонстрированном здесь, высокоэнергетические дейтроны создаются прямым применением короткого импульса высокого напряжения в диоде с ионной плазмой.

Благодаря этому подходу преодолевается предел тока, связанный с пространственным зарядом, в вакуумном диоде, и появляется возможность генерировать дейтронный пучок с коротким импульсом (<10 нс), большим током (> кА) и с высокой энергией (>500 кэВ).

Бомбардировка мишени, содержащей литий, таким высокоэнергетическим дейтронным пучком приводит к нейтронному импульсу высокой интенсивности и энергии.

Нейтронный импульс генерируется «по запросу» по команде запуска. В остальное время вся система находится в состоянии «выключено». Таким образом, исключается какое-либо случайное генерирование нейтронов.

Высоковольтный импульсный генератор 132, предпочтительно, содержит ряд модулей умножения напряжения и модулей сжатия импульсов. После подачи начального напряжения (например, 220 V), напряжение первоначально увеличивают до 30 кВ с использованием обычного электронного преобразователя. Это напряжение используется для питания четырехкаскадной схемы импульсного генератора Маркса.

При подаче команды запуска блоком 140 схема импульсного генератора Маркса создает импульс с напряжением 120 кВ. Это напряжение затем используется для зарядки линейной цепи, формирующей импульс, с целью создания импульса с продолжительностью 5 не и напряжением 120 кВ.

Выход этой цепи, формирующей импульс, соединен с 6-кратным импульсным трансформатором, обеспечивающим максимальный выходной импульс напряжения в 720 кВ. Этот импульс высокого напряжения затем подается на держатель нейтронной мишени через специальное соединение с высоковольтной изоляцией.

Высоковольтный генератор погружен в масло, являющееся изолятором высокого напряжения, что позволяет сконструировать весьма компактный блок.

Ионный источник 111, который генерирует дейтроны, снабжен отдельной разрядной камерой для разряда в дейтерии. Отдельное высоковольтное запускающее устройство 131 ионного источника используется для электропитания ионного источника по управляющему сигналу, с которым координируется запуск высоковольтного импульсного генератора.

Ионный источник используется в качестве анода 111 плазменного диода, а нейтронная мишень, содержащая литий, является катодом 112. При подаче импульса высокого напряжения дейтронный пучок с током >1 кА может быть ускорен высоким напряжением для бомбардировки катодной мишени, в результате чего, испускаются нейтроны высокой энергии.

Работа всего генератора регулируется специализированным пультом, который является частью блока 140 управления и оперативного контроля, и который выдает управляющую информацию и информацию о статусе всех модулей нейтронного генератора. Блок 140 также соединен с рядом предохранительных датчиков, чтобы обеспечить защитную блокировку и правильное функционирование системы нейтронного генератора.

Камера ПО нейтронной трубки вакуумируется посредством маленького турбомолекулярного насоса до разряжения, обычно, составляющего менее 0,1 Па. После поступления команды запуска генерирования нейтронного импульса, газ дейтерий вводится в камеру через разрядные электроды ионного источника, при этом, давление в камере поднимается до значения около 10 Па. Затем к генератору ионного источника подается питание для создания первой переходной плазмы. По окончании задаваемой временной задержки (которая определяется промежутком времени между созданием переходной плазмы и достаточным распространением указанной плазмы для обеспечения нейтрализации заряда) блок 140 управления и оперативного контроля проверяет правильность работы ионного источника и затем подает команду для запуска высоковольтного импульсного генератора, в результате чего создается высокоэнергетический дейтронный пучок, после столкновения которого с нейтронной мишенью будет генерироваться ультракороткий нейтронный импульс.

По окончании импульса камера снова вакуумируется до разряжения ниже 0,1 Па и, таким образом, готова к следующему импульсу.

Нейтроны обычно испускаются изотропно. Чтобы создать специальный пучок для локализованного анализа или «зондирования» объекта используется нейтронный коллиматор на основе обогащенной водородом подложки, например СН2, для ограничения апертуры пучка в прямом направлении. Коллиматор эффективно замедляет нейтроны до тепловой энергии. Тепловые нейтроны достигают зондируемого объекта намного позже начального импульса и создают дополнительный канал информации.

При пространственном числовом моделировании с использованием программы MCNP4B для 3-мерного метода Монте-Карло установлено, что для близких полевых объектов <1 м интегральная плотность потока составляет 104 нейтронов/cm2 при хорошем отношении сигнал/шум в опытном образце согласно изобретению.

Эта величина получена без учета возможного улучшения работы датчика с использованием современного алгоритма обработки сигналов. Если поверхность мишени находится на расстоянии 1 м от нейтронного источника, то общая интенсивность нейтронного источника должна составлять 4π×10⁸ нейтронов, допуская, что испускание изотропно.

Опытный образец показал, что он способен создавать импульс 10⁹ нейтронов с продолжительностью 5 нс в результате реакции 7Li(d,n)8Be.

7Li+d→8Be+n+15,02МэВ

Эта реакция является экзотермической, и остаточные ядра могут оставаться во многих различных возбужденных состояниях даже при не очень высокой энергии дейтрона. Произведенные таким образом нейтроны имеют широкий диапазон энергий, причем, энергия достигает величины, вплоть до 14 МэВ.

Говоря о воспроизводимости нейтронного спектра энергии, следует отметить, что интенсивность нейтронного источника регулируется обеими величинами:

- рабочим напряжением генератора Маркса и, таким образом, величиной ускоряющего импульса,

- и импедансом запускающего устройства,

причем эти два параметра совместно управляют током ионного пучка.

Генерирование 10⁹ нейтронов в импульсе с продолжительностью 5 нс означает очень высокую скорость выхода нейтронов, составляющую 2×10¹⁷ нейтронов в секунду. Однако, поскольку генератор предназначен работать при частоте следования импульсов около 1 Гц, коэффициент заполнения является очень низким и средняя скорость выхода нейтронов составляет только 10⁹ нейтронов в секунду. Это важно для обеспечения безопасности персонала при работе в общественном секторе.

Примеры различных вариантов осуществления изобретения

Источник, как описано выше, может использоваться для генерирования различных видов частиц высокой энергии. Если эмитирующий электрод определен как анод (по знаку ускоряющего импульса) и используют газ при низком давлении, например, дейтерий, тогда катод действует в качестве мишени и источник может использоваться в качестве нейтронного источника (см. фиг.3а).

Если эмитирующий электрод является катодом и используют газ при низком давлении, например Н₂ или Ar, анод действует в качестве мишени и источник может использоваться в качестве источника рентгеновских фотонов (см. фиг.3b).

Источник может также использоваться как источник ионного пучка, например, с эмитирующим электродом, являющимся анодом, и с катодом, смонтированным как полупрозрачная сетчатая структура, через которую может проходить ускоренный пучок положительных ионов (см. фиг.3с).

Ионный поток отделяется после прохождения через такой катод.

Аналогичным образом, источник также может использоваться в качестве источника электронных пучков или источника отрицательных ионов, например, с эмитирующим электродом, являющимся катодом, и с анодом, смонтированным в виде сетки, через которую может проходить ускоренный пучок отрицательно заряженных частиц.

Изобретение относится к области плазменной техники. Способ генерирования импульсного потока высокоэнергичных частиц, содержащий следующие этапы: инициирование ионной плазмы на первом электроде (111) в вакуумной камере (110) и обеспечение возможности развития указанной плазмы по направлению ко второму электроду (112) в указанной вакуумной камере, подача короткого импульса высокого напряжения между указанными электродами в промежутке времени, при котором указанная ионная плазма находится в переходном состоянии с пространственным распределением ионов или электронов на расстоянии от указанного второго электрода, с целью ускорения указанных распределенных ионов или электронов по направлению к указанному второму электроду, благодаря чему генерируется высокоэнергетический поток заряженных частиц, в то же время преодолевается предел тока, связанный с пространственным зарядом, обычного вакуумного диода и генерирование указанных частиц высокой энергии на указанном втором электроде (112). Технический результат - повышение плотности тока в течение ультракороткого импульса. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ генерирования импульсного потока частиц высокой энергии, содержащий следующие этапы:
инициирование плазмы на первом электроде в вакуумной камере и обеспечение возможности развития указанной плазмы по направлению ко второму электроду в указанной вакуумной камере,
подача короткого импульса высокого напряжения между указанным первым электродом и указанным вторым электродом в переходный период, соответствующий промежутку времени между инициированием плазмы при подаче питания на первый электрод и моментом, когда указанная плазма при распространении в вакуумной камере достигает второго электрода, так что в указанный переходный период пространство между первым электродом и вторым электродом имеет высокую плотность ионов и электронов вблизи первого электрода и намного ниже плотность ионов и электронов вблизи второго электрода, при этом короткий импульс высокого напряжения подают для того, чтобы ускорить указанные ионы или электроны по направлению к указанному второму электроду, благодаря чему генерируется поток частиц высокой энергии, когда преодолевается связанный с пространственным зарядом предел тока обычного вакуумного диода, и
генерирование указанных частиц высокой энергии на указанном втором электроде (112).

2. Способ по п.1, в котором указанные частицы высокой энергии генерируют посредством ядерной или электромагнитной реакции «пучок/мишень», происходящей между указанными ускоренными ионами или электронами и указанным вторым электродом (112).

3. Способ по п.1, в котором указанный второй электрод является полупрозрачной сетчатой структурой, а указанные частицы высокой энергии представляют собой плазменные ионы или электроны, проходящие через указанный второй электрод (112).

4. Способ по любому из пп.1-3, в котором время, когда подают короткий импульс высокого напряжения в течение переходного периода, определяют, исходя, по меньшей мере, из уровня напряжения короткого импульса высокого напряжения, геометрии первого и второго электродов и расстояния между ними, и давления в вакуумной камере.

5. Способ по любому из пп.1-3, в котором указанный первый электрод содержит пару электродных элементов, формирующих плазменный разрядный ионный источник.

6. Источник частиц высокой энергии, содержащий:
вакуумную камеру, содержащую первый электрод и второй электрод, причем указанный первый электрод формирует плазменный ионный источник, который способен генерировать ионную плазму и обеспечивать развитие ионной плазмы в указанной камере по направлению к указанному второму электроду,
запускающее устройство ионного источника, соединенное с указанным первым электродом, для подачи питания к плазменному ионному источнику,
высоковольтный генератор, подключенный между указанными первым и вторым электродами, и
блок управления и контроля для обеспечения подачи короткого импульса высокого напряжения между указанными первым электродом и указанным вторым электродом в ответ на возбуждение указанного плазменного ионного источника указанным запускающим устройством ионного источника в переходный период, причем указанный переходный период соответствует промежутку времени между инициированием плазмы при подаче питания на первый электрод и моментом, когда указанная плазма при распространении в вакуумной камере достигает второго электрода, так что в указанный переходный период пространство между первым электродом и вторым электродом имеет высокую плотность ионов и электронов вблизи первого электрода и намного ниже плотность ионов и электронов вблизи второго электрода, при этом при подаче короткого импульса высокого напряжения указанные ионы или электроны ускоряются по направлению к указанному второму электроду, благодаря чему генерируется поток частиц высокой энергии, когда преодолевается связанный с пространственным зарядом предел тока обычного вакуумного диода.

7. Источник по п.6, в котором указанные частицы высокой энергии генерируют посредством ядерной или электромагнитной реакции «пучок/мишень», происходящей между указанными ускоренными ионами или электронами и указанным вторым электродом.

8. Источник по п.6, в котором указанный второй электрод является полупрозрачной сетчатой структурой и указанные частицы высокой энергии представляют собой плазменные ионы или электроны, непосредственно проходящие через указанный второй электрод.

9. Источник по п.6, в котором указанный блок управления и контроля выполнен с возможностью запускать указанный импульс высокого напряжения по окончании заданной временной задержки, относительно начала генерирования ионной плазмы.

10. Источник по п.9, в котором указанную заданную временную задержку определяют, исходя, по меньшей мере, из уровня короткого импульса высокого напряжения, геометрии первого и второго электродов и расстояния между ними, и давления в вакуумной камере.

11. Источник по любому из пп.6-10, в котором указанный первый электрод содержит пару электродных элементов, формирующих плазменный разрядный ионный источник.