УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ПОТОКА НЕЙТРОНОВ Российский патент 2023 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано для получения потока нейтронов.

Известно устройство для импульсной генерации потока нейтронов, реализованное на основе установки «плазменный фокус», содержащее, по меньшей мере, одну конденсаторную батарею, разрядное устройство, электрически соединенное, по меньшей мере, с одной конденсаторной батареей, анодно-катодное устройство, электрически соединенное с разрядным устройством и, по меньшей мере, с одной конденсаторной батареей, и рабочую камеру, выполненную с возможностью подведения и отведения рабочего газа (дейтерия или дейтерий-тритиевой смеси), в которой расположено анодно-катодное устройство (см. D.I. Yurkov, А.K. Dulatov et al. «Pulsed neutron generators based on the sealed chambers of plasma focus design with D and DT fillings», Journal of Physics: Conference Series 653 (2015), pp. 1-5 [1]).

Недостаток известного устройства, также, как и любого иного устройства подобного типа состоит в том, что простое увеличение запасаемой энергии в конденсаторной батарее (за счет увеличения размера конденсаторной батареи, и, соответственно, максимальной силы тока) в 2 раза, увеличивает нейтронный выход лишь приблизительно в 4 раза (см., в частности, Лемешко Б.Д., Михайлов Ю.В., Прокуратов И.А., Дулатов А.К., Кадыргулов А.А. «Структура импульсов нейтронного излучения на камерах плазменного фокуса с дейтерий-тритиевым наполнением», Физика плазмы, 2021, т. 47, №7, стр. 605-612 [2]), что не обеспечивает должной эффективности устройства.

Кроме этого, по достижению запасаемой энергии приблизительно 500 кДж ток через пинч начинает протекать не полностью, что дополнительно снижает нейтронный выход.

Известное из [1] устройство принято в качестве ближайшего аналога заявленного устройства.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании устройства для импульсной генерации потока нейтронов, обладающего повышенной эффективностью при сохранении его компактности и относительно низкой энергоемкости.

При этом достигается технический результат, заключающийся в увеличении нейтронного выхода за импульс более чем в 4 раза, при увеличении запасаемой энергии в конденсаторной батарее в 2 раза, при отсутствии необходимости в существенном увеличении размера конденсаторной батареи.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания устройства для импульсной генерации потока нейтронов, содержащего М конденсаторных батарей, М разрядных устройств, каждое из которых электрически соединено с конденсаторной батареей, N анодно-катодных узлов, каждый из которых соединен с разрядным устройством и конденсаторной батареей, и рабочую камеру, выполненную с возможностью подведения и отведения рабочего газа, при этом N=2n, где n - число пар анодно-катодных узлов, в каждой из которых анодно-катодные узлы расположены на одной продольной оси симметрии и обращены рабочими торцами анодов во внутреннее пространство рабочей камеры навстречу друг другу, а устройство выполнено с возможностью синхронизации протекающих в каждой из пар анодно-катодных узлов разрядов во времени.

В одном из частных вариантов выполнения, М=1.

В другом частном варианте выполнения, М=n.

В еще одном частном варианте выполнения, М=N.

В еще одном частном варианте выполнения, расстояние между рабочими торцами анодов, обращенных навстречу друг другу, в каждом из анодно-катодных узлов составляет не более 2 см.

В еще одном частном варианте выполнения, при 1≤n≤3 оно снабжено стыковочным устройством, расположенным между анодно-катодными узлами, предназначенным для их центрирования.

В предпочтительном варианте выполнения, при n=1 стыковочное устройство образует совместно с анодно-катодными узлами рабочую камеру.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения, при n=1 стыковочное устройство содержит диафрагму, разделяющую анодно-катодные узлы.

На фиг. 1 показано схематическое изображение заявленного устройства, согласно одному из частных вариантов (n=1, М=1).

На фиг. 2 показано схематическое изображение заявленного устройства, согласно другому частному варианту (n=1, М=N).

На фиг. 3 показана схема параллельного соединения катушек индуктивности, в роли которых подразумеваются плазменные фокусы.

На фиг. 4 показан поперечный разрез заявленного устройства, согласно одному из частных вариантов (n=1, М=N или М=1).

На фиг. 5 показан поперечный разрез заявленного устройства, согласно одному из частных вариантов (n=3 или n=2, М=N или М=1 или М=n).

На фиг. 6 показан поперечный разрез заявленного устройства, согласно другому частному варианту (n=1, М=N или М=1).

На фиг. 7 показан поперечный разрез заявленного устройства, согласно еще одному частному варианту (n=1, М=N или М=1).

Устройство, показанное на фиг. 1, содержит конденсаторную батарею (1), разрядное устройство (2), электрически соединенное с конденсаторной батареей (1), два анодно-катодных узла (4а) и (4b), каждый из которых электрически соединен с разрядным устройством (2), и рабочую камеру (5), выполненную с возможностью подведения и отведения рабочего газа, в которой расположены анодно-катодные узлы (4а) и (4b).

Анодно-катодные узлы (4а) и (4b), каждый из которых состоит из коаксиальных анода (А1) и (А2) и катода (В1) и (В2), расположены на одной продольной оси симметрии и обращены рабочими торцами анодов (А1) и (А2) во внутреннее пространство рабочей камеры (5) навстречу друг другу. Каждый из анодов (А1) и (А2) отделен от соответствующего катода (В1) и (В2) изолятором (D1) и (D2). Расстояние между торцами анодов (А1) и (А2) составляет от 2 до 3 см, что позволяет избежать потерь энергии.

Это связано с тем, что плазменные сгустки теряют подавляющую часть энергии на расстояниях около 1 см, таким образом, области генерации плазменных сгустков должны быть разнесены приблизительно на такое же расстояние. Если учесть, что область генерации находится от торца каждого из анодов (А1) и (А2) на удалении 3-5 мм, то торцы анодов (А1) и (А2) необходимо располагать не далее 2-3 см друг от друга.

Устройство, показанное на фиг. 2 и фиг. 4, отличается от устройства, показанного на фиг. 1 тем, что содержит две конденсаторные батареи (1а) и (1b), два разрядных устройства (2а) и (2b), каждое из которых электрически соединено с соответствующей конденсаторной батареей (1а) или (1b). Каждый из двух анодно-катодных узлов (4а) и (4b) электрически соединен с соответствующим разрядным устройством (2а) или (2b) и соответствующей конденсаторной батареей (1а) и (1b). Каждый из анодов (А1) и (А2) отделен от соответствующего катода (В1) и (В2) изолятором (D1) и (D2), контактирующим с парой уплотнительных колец (3а) и (3b) из вакуумной резины.

В частном варианте, показанном на фиг. 4, между анодно-катодными узлами (4а) и (4b) расположено стыковочное устройство (6), предназначенное для центрирования анодно-катодных узлов (4а) и (4b).

Устройство, показанное на фиг. 5, содержит четыре конденсаторных батареи (1а)-(1d), четыре разрядных устройства (2a)-(2d), каждое из которых электрически соединено с соответствующей конденсаторной батареей (1a)-(1d), и четыре анодно-катодных узла (4а)-(4d), каждый из которых электрически соединен с соответствующим разрядным устройством (2a)-(2d) и соответствующей конденсаторной батареей (1a)-(1d). Допустимо выполнение устройства, показанного на фиг. 5, с шестью анодно-катодными узлами, каждый из которых электрически соединен с соответствующим разрядным устройством и соответствующей конденсаторной батареей.

Анодно-катодные узлы (4а) и (4b) (а также (4с) и (4d)) расположены на одной продольной оси симметрии и обращены рабочими торцами анодов (A1), (А2), (A3), (А4) во внутреннее пространство рабочей камеры (5) навстречу друг другу. Между анодно-катодными узлами (4a)-(4d) расположено стыковочное устройство (6), предназначенное для центрирования анодно-катодных узлов (4a)-(4d). Каждый из анодов (A1), (А2), (A3), (А4) отделен от соответствующего катода (B1), (В2), (В3), (В4) изолятором (D1), (D2), (D3), (D4), контактирующим с парой уплотнительных колец (3а), (3b), (3с), (3d) из вакуумной резины.

В частном варианте, показанном на фиг. 5, стыковочное устройство (6) сформировано насадками (7a)-(7d), каждая из которых соединена с соответствующим катодом (B1), (В2), (В3), (В4) анодно-катодного узла (4a)-(4d) и имеет коническую форму, позволяющую объединить насадки (7a)-(7d) в единый конструктивный блок. Также возможно выполнение стыковочного устройства (6) в виде изначального единого конструктивного блока. Основание каждой из насадок (7a)-(7d) выполнено по форме ответным торцу соответствующего анода (A1), (А2), (A3), (А4), что обеспечивает минимизацию расстояния между торцами анодов (4а), (4b), (4с), (4d), одновременно исключая влияние токово-плазменных оболочек (см. (F1) и (F2) на фиг. 1 и фиг. 2) друг на друга, а также позволяет сохранить постоянным расстояние между анодом (A1), (А2), (A3), (А4) и катодом (B1), (В2), (В3), (В4) в каждой из пар анодно-катодных узлов (4a)-(4d) на протяжении всего пути распространения токово-плазменной оболочки вдоль поверхности анода (A1), (А2), (A3), (А4) и катода (B1), (В2), (В3), (В4).

В частном варианте, показанном на фиг. 6, стыковочное устройство (6) содержит диафрагму (8), разделяющую два анодно-катодных узла (4а) и (4b), что позволяет минимизировать расстояние между торцами анодов (А1) и (А2) анодно-катодных узлов (4а) и (4b) до 2-3 см, одновременно исключая влияние токово-плазменных оболочек (см. (F1) и (F2) на фиг. 1 и фиг. 2) друг на друга.

В частном варианте, показанном на фиг. 7, стыковочное устройство (6) с двух противоположных сторон уплотнено резиновыми кольцами (9а) и 9b) в результате оказываемого на них давления прижимных гаек (10а) и (10b). Стыковочное устройство (6) образует совместно с анодно-катодными узлами (4а) и (4b) рабочую камеру (5), к которой присоединены патрубки (11а) и (11b) для подведения и отведения рабочего газа (дейтерия или дейтериево-тритиевой смеси). Также может присутствовать только один патрубок ((11а) или (11b)), который может быть использован сначала для подведения, а затем для отведения рабочего газа.

Заявленное устройство используют следующим образом.

Конденсаторная батарея (1) (либо конденсаторные батареи (1a)-(1d)) заряжается(ются) до определенного напряжения, которое потом, с помощью разрядного устройства (2) (либо разрядных устройств (2a)-(2d)), прикладывается к анодно-катодному промежутку(ам). Предварительно из рабочей камеры (5) откачивается воздух, а затем в нее напускается рабочий газ до достижения определенного рабочего давления. В момент прикладывания напряжения к анодно-катодному промежутку(ам) происходит его (их) пробой вдоль поверхности изолятора (D) (либо изоляторов (D1)-(D4)), разделяющего(их) анод (А) и катод (В) (аноды (А1)-(А4) и катоды (В1)-(В4)). Образуется токово-плазменная оболочка (F) (либо оболочки (F1)-(F4)), которая(ые) под действием пондеромоторных сил отталкивается(ются) от изолятора (D) (либо от изоляторов (D1)-(D4)), движется(утся) вверх по анодно-катодному(ым) промежутку(ам), выходит(ят) к рабочему торцу анода (А) (либо к рабочим торцам анодов (А1)-(А4)) и сходится(ятся) в виде конусной(ых) воронки(ок), при этом вершина(ы) конуса(ов) обращена(ы) к рабочему торцу анода (А) (либо анодов (А1)-(А4)).

Возникает поток плазмы (Е) (либо потоки плазмы (Е1)-(Е4)), направленный(е) от анода (А) (либо от анодов (А1)-(А4)). В определенный момент на оси каждого анодно-катодного узла (4a-4d) (над анодом (А) либо анодами (А1)-(А4)) возникает плотный флуктуирующий пинч (пинчи), именуемый(ые) «плазменный(ые) фокус(ы)», который(ые) через некоторое время распадается(ются). В момент распада пинча возникает значительное напряжение на его (их) концах (в месте разрыва пинча (пинчей)), которое ускоряет электроны в сторону анода (А) (либо анодов (А1)-(А4)), если на нем (них) положительный заряд, и катионы в сторону от анода (А) (либо анодов (А1)-(А4)).

Заявленное устройство образовано объединением двух и более установок «плазменный фокус» (в результате того, что анодно-катодные узлы в каждой паре расположены на одной продольной оси симметрии и обращены рабочими торцами анодов во внутреннее пространство рабочей камеры навстречу друг другу).

Основным механизмом генерации потока нейтронов в подобном устройстве считается ускорительный механизм, когда рабочая камера наполняется рабочим газом, например, дейтерием, и после распада пинча ускоренные дейтоны (ионы дейтерия) взаимодействуют с остаточным газом в рабочей камере устройства, генерируя поток нейтронов.

При одновременном срабатывании, за счет синхронизации протекающих в каждой из пар анодно-катодных узлов разрядов во времени, двух «плазменных фокусов», плазменные потоки от обоих «плазменных фокусов» сталкиваются в центре рабочей камеры, их относительная скорость удваивается, а энергия взаимодействия учетверяется, что приводит к существенному увеличению нейтронного выхода.

Известно, что длительность генерации плазменных сгустков около 10 нс, примерно столько же времени они сохраняют рабочие скорости. Время их жизни значительно больше, но уже при менее низких скоростях. В то же время эксперименты показывают, что разброс момента рождения плазменных сгустков от импульса к импульсу приблизительно 10 нс от начала разряда, а разброс времени срабатывания разрядного устройства (разрядных устройств, если их более одного) относительно синхроимпульса - 10-100 нс. Если не принимать меры по синхронизации разрядов во времени, то синхронизированным окажется только каждый сотый или даже тысячный импульс.

Синхронизация разрядов двух «плазменных фокусов» может быть обеспечена следующим образом.

В схеме, представленной на фиг. 3, между разрядами существует обратная связь. Она основана на том, что индуктивность разряда «плазменного фокуса» постоянно растет вплоть до момента «особенности» (области на осциллограмме производной силы тока, когда происходит резкий скачок кривой, в этот момент происходит разрыв пинча, сопровождающийся резким уменьшением силы тока и, соответственно, резким возрастанием напряжения, прикладываемого к месту разрыва пинча). Если динамика разряда одного из «плазменных фокусов» опережает другую, то индуктивное сопротивление первого разряда L₁ (протекающего через первый анодно-катодный узел) превышает индуктивное сопротивление второго разряда L₂. Соответственно, сила тока первого разряда I₁ будет отставать по величине от силы тока второго разряда I₂ в соответствии с законами электротехники для параллельного соединения катушек индуктивности:

где I - суммарная сила тока (протекающего через все анодно-катодные узлы).

В результате сила тока отстающего разряда будет больше силы тока опережающего разряда, большая сила Лоренца будет толкать отстающую токово-плазменную оболочку и, как следствие, это приведет к выравниванию динамики разрядов.

В качестве еще одного из возможных способов обеспечения синхронизации разрядов двух «плазменных фокусов» можно рассматривать изменение длины кабелей, соединяющих какой-либо один из двух анодно-катодных узлов (4а) и (4b) (или (4с) и (4d)) с конденсаторной батареей (1) или конденсаторными батареями (1а) и (1b) (или (1с) и (1d)) (в том числе, и кабелей, подключенных через разрядное устройство (2) или разрядные устройства (2а) и (2b) (или (2с) и (2d)).

Если принять величину нейтронного выхода от одного «плазменного фокуса», равной Z, то суммарный нейтронный выход от двух одинаковых «плазменных фокусов» будет составлять 2Z. В результате же использования заявленного устройства нейтронный выход будет на порядок больше, чем просто 2Z, в результате того, что при синхронизации разрядов двух «плазменных фокусов» ускоренные дейтоны одного «плазменного фокуса» будут взаимодействовать с аналогичными ускоренными дейтонами второго «плазменного фокуса», но двигающимися навстречу первым, что увеличит их энергию взаимодействия за счет суммарной кинетической энергии двигающихся друг навстречу другу дейтонов.

Изобретение относится устройству для импульсной генерации потока нейтронов. Устройство содержит М конденсаторных батарей, М разрядных устройств, каждое из которых электрически соединено с конденсаторной батареей, N анодно-катодных узлов, каждый из которых электрически соединен с разрядным устройством и конденсаторной батареей, и рабочую камеру, выполненную с возможностью подведения и отведения рабочего газа, при этом N=2n, где n - число пар анодно-катодных узлов, в каждой из которых анодно-катодные узлы расположены на одной продольной оси симметрии и обращены рабочими торцами анодов во внутреннее пространство рабочей камеры навстречу друг другу. Устройство выполнено с возможностью синхронизации протекающих в каждой из пар анодно-катодных узлов разрядов во времени. Техническим результатом является увеличение нейтронного выхода за импульс более чем в 4 раза, при увеличении запасаемой энергии в конденсаторной батарее в 2 раза, при отсутствии необходимости в существенном увеличении размера конденсаторной батареи. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для импульсной генерации потока нейтронов, содержащее М конденсаторных батарей, М разрядных устройств, каждое из которых электрически соединено с конденсаторной батареей, N анодно-катодных узлов, каждый из которых электрически соединен с разрядным устройством и конденсаторной батареей, и рабочую камеру, выполненную с возможностью подведения и отведения рабочего газа, при этом N=2n, где n - число пар анодно-катодных узлов, в каждой из которых анодно-катодные узлы расположены на одной продольной оси симметрии и обращены рабочими торцами анодов во внутреннее пространство рабочей камеры навстречу друг другу, а устройство выполнено с возможностью синхронизации протекающих в каждой из пар анодно-катодных узлов разрядов во времени.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что М=1.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что М=n.

4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что М=N.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, характеризующееся тем, что расстояние между рабочими торцами анодов в каждом из анодно-катодных узлов составляет от 2 до 3 см.

6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что при 1≤n≤3 оно снабжено стыковочным устройством, расположенным между анодно-катодными узлами, предназначенным для их центрирования.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что при n=1 стыковочное устройство образует совместно с анодно-катодными узлами рабочую камеру.

8. Устройство по п. 6, характеризующееся тем, что при n=1 стыковочное устройство содержит диафрагму, разделяющую анодно-катодные узлы.