УСКОРИТЕЛЬНАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА Российский патент 2014 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к области ускорительной техники, в частности к вакуумным приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии импульсных потоков ускоренных нуклидов водорода с твердыми мишенями, содержащими изотопы тяжелого водорода.

Известны вакуумные нейтронные трубки (ВНТ) [1, 2], в которых осуществляется ускорение дейтронов к твердой мишени, содержащей тритий, где в результате ядерных реакций синтеза образуется поток быстрых нейтронов.

В этих приборах ускорение дейтронов осуществляется вдоль оси симметрии ВНТ, что ограничивает первеанс ее диодной системы, а, следовательно, и нейтронный поток, излучаемый мишенью. Поэтому такие приборы затруднительно использовать в транспортабельной аппаратуре нейтронного элементного анализа, а также для обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов и веществ.

Известна также вакуумная нейтронная трубка, описанная в работе [3]. В этой трубке ускорение дейтронов осуществляется в радиальном направлении, перпендикулярно оси симметрии, что позволяет значительно увеличить первеанс диодной системы. Это техническое решение может быть выбрано в качестве прототипа, как наиболее близкое по существенным признакам к заявляемому.

Данное устройство содержит герметичный корпус, внутри которого соосно расположены цилиндрический катод с мишенью, нанесенной на его внутреннюю поверхность и содержащей изотопы тяжелого водорода, анод, симметрично охватываемый катодом, а также сетчатый цилиндрический электрод смещения, расположенный перед мишенью и предназначенный для подавления эмиссионных электронов с мишени.

Недостатком указанного устройства является его низкий энергетический КПД при работе ВНТ в режиме генерации больших нейтронных потоков (>10⁹ н/с в полный телесный угол). При реализации этих режимов электрод подавления эмиссионных электронов с мишени сам становится источником электронов в результате автоэлектронной, взрывной и автоэлектронной эмиссий.

Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение энергетического КПД генерации нейтронов.

Этот результат достигается тем, что в устройстве, содержащем герметичный корпус, внутри которого соосно расположены цилиндрический катод с мишенью, содержащей изотопы тяжелого водорода, нанесенной на его внутреннюю поверхность, и анод, симметрично охватываемый катодом, анод выполнен в виде двух встречных, симметрично расположенных стержней диаметром а, на торцах которых размещены насадки из металла, насыщенного дейтерием, смещенные друг относительно друга на расстояние d по оси симметрии трубки, диаметр катода b должен удовлетворять неравенству

$$0.2<\frac{a}{b}<\mathrm{0.3,}(1)$$

а диаметр анода неравенству

$$0.2<\frac{a}{d}<1.0(2)$$

Схематический разрез устройства представлен на фиг.1. Оно содержит следующие позиции: катод 1, анодные стержни 2, изоляторы 3, дейтерированные насадки 4, мишень 5.

Устройство работает следующим образом. На промежуток анодными стержнями подается импульс напряжения с амплитудой от 2 до 10 кВ и длительностью до 10 мкс. При этом один из стержней заземляется. В результате в промежутке между насадками, насыщенными дейтерием, формируется вакуумная дуга. Ее электродные пятна испускают струи плазмы, содержащей дейтроны. Синхронно с этим импульсом на катод подается отрицательный ускоряющий импульс с амплитудой (100÷500) кВ. Под действием возникающего радиального электрического поля осуществляется ускорение дейтронов к цилиндрической мишени, содержащей изотопы тяжелого водорода. В результате протекания ядерных реакций T(d, n)⁴He или D(d, n)³He в мишени образуется поток быстрых нейтронов.

Для эффективной работы устройства необходимо выполнение условий магнитной изоляции ускоряющего зазора, когда электроны не могут попадать на анод. В рассматриваемой ВНТ источником азимутального магнитного поля является ток, протекающий по аноду в результате дугового разряда. Оценки показывают, что условием магнитной изоляции является выполнение неравенства:

$$I\ge \frac{I_A}{2\ln \frac{b}{a}}{\left[\frac{eU}{m{c}^2}\left(1+\frac{eU}{2m{c}^2}\right)\right]}^{1/2}$$ ,

где $$I_A=\frac{4\pi {\epsilon }_{0}m{c}^3}{e}\cong 17кA$$

- ток Альвена, m, e - масса и заряд электрона, U - амплитуда ускоряющего импульса, c - скорость света.

Для получения оптимальных, с точки зрения излучаемого нейтронного потока, геометрических размеров диода был проведен специальный компьютерный эксперимент. Эксперимент сводился к совместному решению уравнений динамики и самосогласованного уравнения Пуассона методом «крупных частиц» [4].

В результате перебора геометрических размеров диода были установлены соотношения размеров (1), при которых возможно достижение максимального значения нейтронного потока, излучаемого диодом в полный телесный угол.

Соотношение (2) определяется через указанный выше диапазон возможной вариации напряжения между анодными стержнями и условиями вакуумного пробоя.

Благодаря магнитной изоляции осуществляется подавление электронной проводимости ускоряющего зазора. За счет этого происходит увеличение энергетического КПД генерации нейтронов и одновременное повышение нейтронного выхода за счет увеличения первеанса диодной системы.

Разработка и внедрение предлагаемого устройства должна повысить производительность исследований горных пород, содержащих продуктивные углеводороды, уран и драгоценные металлы методом нейтронного элементного анализа, а также работ, связанных с поиском и идентификацией скрытых опасных предметов нейтронными методами.

Источники информации

1. Беспалов Д.Ф., Васин B.C., Овсянников С.Б. Малогабаритные импульсные нейтронные трубки НТ-16, НТ-19. Сб. Скважинные генераторы нейтронов, ВНИИЯГГ, ОНТИ, М., 1973, с.81-87.

2. Бессарабский Ю.Г., Битулев А.А., Бобылев В.Т. и др. Импульсные нейтронные генераторы на вакуумных нейтронных трубках. Сб. материалов Международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», М., ВНИИА им. Н.Л. Духова, 2005, с.72.

3. Беспалов Д.Ф., Минц А.З., Плешакова Р.П., Шиканов А.Е. Импульсный генератор нейтронов. А.с. СССР №457406, 1972.

4. Ращиков В.И. Расчет электромагнитных полей в структурах сложной геометрии. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно- физические исследования, 1990, в. 10(18). С.50-53.

Заявленное изобретение относится к приборам для ускорения ионов в электростатических полях, конкретно к технике генерации нейтронов при ядерном взаимодействии дейтронов с тритиевыми мишенями. Заявленное устройство содержит герметичный корпус, внутри которого соосно расположены цилиндрический катод с мишенью, нанесенной на его внутренней поверхности, и анод симметрично охватываемый катодом. При этом в заявленном устройстве анод выполнен в виде двух встречных, симметрично расположенных стержней диаметром а, на торцах которых размещены насадки из металла, насыщенного дейтерием, смещенные друг относительно друга на расстояние d по оси симметрии трубки, диаметр катода b должен удовлетворять неравенству

0,2<a/b<0,3,

А диаметр анода неравенству

0,2<a/d<1,0.

Технический результат заключается в увеличении энергетического КПД генерации нейтронов. 1 ил.

Ускорительная нейтронная трубка, содержащая герметичный корпус, внутри которого соосно расположены цилиндрический катод с мишенью, нанесенной на его внутреннюю поверхность, и анод, симметрично охватываемый катодом, отличающаяся тем, что, с целью увеличения энергетического КПД генерации нейтронов, анод выполнен в виде двух встречных, симметрично расположенных стержней диаметром а, на торцах которых размещены насадки из металла, насыщенного дейтерием, смещенные друг относительно друга на расстояние d по оси симметрии трубки, диаметр катода b должен удовлетворять неравенству
$$0.2<\frac{a}{b}<0.3$$ ,
а диаметр анода неравенству
$$0.2<\frac{a}{d}<1.0$$ .