ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ Российский патент 2024 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии импульсных потоков ускоренных нуклидов водорода с твердыми мишенями, содержащими изотопы тяжелого водорода.

Известны импульсные генераторы нейтронов (ИГН) на основе вакуумных ускорительных трубок (ВУТ) [1,2], в которых осуществляется ускорение дейтронов и (или) тритонов к твердой мишени, содержащей тритий и (или) дейтерий, где в результате ядерных реакций синтеза образуется поток быстрых нейтронов. ВУТ состоят из лазерного источника ионов, размещенного на аноде, отделенного изолятором от вакуумного корпуса, имеющего оптическое окно для ввода лазерного излучения. Вокруг корпуса установлены постоянные магниты для магнитной изоляции вторичных электронов, испускаемых катодом при бомбардировке ускоренными дейтронами.

В этих малогаборитных приборах ускоряющее напряжение ограничено размерами изолятора и, как правило, не превышает 120 кВ, кроме того постоянные магниты не в полной мере обеспечивают изоляцию вторичных электронов, нагружающих источник ускоряющего напряжения, из-за неравномерности и сложной конфигурации магнитного поля постоянных магнитов и недостаточной величины индукции магнитного поля.

Известен также импульсный нейтронный генератор, принятый в качестве прототипа, описанный в работе [3]. Он содержит ВУТ с анодом, состоящим из двух электродов, насыщенных изотопами водорода, и катодом, служащим в качестве нейтронообразующей мишени. Высоковольтный трансформатор, высоковольтная обмотка которого соединена с катодом ускорительной трубки, а низковольтная - с накопительной емкостью через разрядник, состоящий из этих двух электродов анода ускорительной трубки.

Магнитная изоляция вторичных электронов с катода эффективно осуществляется азимутальным магнитным полем тока между двумя электродами анода. А плазма разряда между этими электродами служит источником дейтронов, ускоряемых к катоду, являющимся нейтронообразующей мишенью.

Основным недостатком указанного устройства является невысокий выход нейтронов, связанный с ограничением величины ускоряющего напряжения размерами основного изолятора между анодом и катодом.

Техническим результатом предлагаемого устройства является существенное увеличение выхода нейтронов импульсного генератора нейтронов за счет значительного роста ускоряющего дейтроны напряжения при сохранении габаритов ВУТ и всего импульсного генератора нейтронов в целом.

Этот результат достигается тем, что в устройстве, содержащем импульсный лазер, вакуумную камеру с откачным постом, с оптическим и двумя электрическими вводами, с лазерной и нейтронообразующей мишенями, импульсный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, накопительную емкость, блок высоковольтного питания, управляемый лазером разрядник, фокусирующие устройства, и частично прозрачное зеркало, вакуумная камера выполнена полностью из диэлектрика в виде пустотелого цилиндра, один торец которого пристыкован к откачному посту и имеет первый электрический ввод, другой торец пустотелого цилиндра имеет оптический ввод и второй электрический ввод, кроме этого, первичная обмотка импульсного трансформатора охватывает пустотелый цилиндр и последовательно подключена к накопительной емкости и управляемому лазером разряднику, вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена в виде однослойного соленоида и расположена внутри пустотелого цилиндра, при этом, один конец вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с первым электрическим вводом, а второй конец вторичной обмотки подсоединен к лазерной мишени, кроме того, нейтронообразующая мишень установлена на внутренней поверхности пустотелого цилиндра, охватывает лазерную мишень и подсоединена ко второму электрическому вводу.

Сущность предлагаемого устройства заключается в исключении габаритного высоковольтного изолятора путем использования магнитной изоляции как в ускоряющем дейтроны зазоре, так и одновременно в зазоре между вакуумной камерой и источником ускоряющего напряжения, расположенным внутри вакуумной камеры. При этом в габаритах имеющихся импульсных генераторов нейтронов на ускоряющее напряжение до 150 кВ достигается ускоряющее напряжение 1,5 MB. В результате в предлагаемом компактном устройстве на 2-3 порядка увеличивается выход нейтронов.

Конкретный пример импульсного генератора нейтронов представлен на фиг. 1. Он содержит импульсный лазер 1 (например, с энергией импульса ~1 Дж, длительностью ~10 не), фокусирующие устройства 2 и 8, управляемый лазером разрядник 3 и 4, блок высоковольтного питания 5, частично прозрачное зеркало 6, накопительную емкость 7 (например, 3 мкФ, 50 кВ), второй электрический ввод 9, присоединенный к массе (заземлению) М, оптический ввод 10 для ввода импульсного лазерного излучения, вакуумную камеру из диэлектрика в виде пустотелого цилиндра 11 (например, диаметром ~20 - 30 см и длиной ~50-60 см) для возможности проникновения импульсного магнитного поля внутрь вакуумной камеры, нейтронообразующую мишень (катод) в виде цилиндра из проводящего материала 12 с разрезом для возможности проникновения импульсного магнитного поля внутрь катода, лазерную мишень 14, содержащую дейтерий, первичную обмотку 15 (например, одновитковую) импульсного трансформатора, вторичную обмотку 16 (например, 30-40 витков) импульсного трансформатора. Вторичная обмотка 16 выполнена в виде однослойного соленоида, соединяющего лазерную мишень 14 с первым электрическим вводом 18, расположенным на диэлектрическом торце 17 вакуумной камеры. На диэлектрическом торце 17 также размещается откачной пост 19. Низковольтные концы первичной и вторичной обмотки импульсного трансформатора подключены к массе (заземлению) М. Также к массе (заземлению) М подключена через второй электрический ввод 9 нейтронообразующая мишень 12. На фиг.1 также обозначены контуры лазерно-плазменного источника дейтронов 13.

Устройство работает следующим образом. До начала работы импульсного лазера 1 от блока высоковольтного питания 5 осуществляется зарядка накопительной емкости 7. Луч импульсного лазера 1 с помощью частично прозрачного зеркала 6 разделяется на отраженный и прошедший лучи, которые далее направляются на фокусирующие устройства 2 и 8. Отраженный частично прозрачным зеркалом 6 луч фокусируется на аноде управляемого лазером разрядника 3, 4. На поверхности анода формируется плазма, которая излучает ультрафиолетовое излучение, вызывает эмиссию электронов с катода, формирует пробойные процессы в воздушном межэлектродном промежутке 3,4. После образования проводящего плазменного канала между анодом и катодом 3, 4 через время -10 не начинается передача энергии из накопительной емкости 7 в первичную обмотку 15 импульсного трансформатора. Синхронно с этим прошедший сквозь частично прозрачное зеркало 6 сфокусированный луч вводится через оптический ввод 10 и в вакууме воздействует на поверхность лазерной мишени 14, содержащую дейтерий. Образовавшаяся за время -10 не лазерная плазма, содержащая дейтроны, расширяется за времена -200 - 400 не к нейтронообразующей мишени 12. За эти же времена на лазерной мишени 14 возникает высоковольтное положительное напряжение от вторичной обмотки 16 импульсного трансформатора. Дейтроны ускоряются из лазерно-плазменного источника дейтронов 13 к внутренней поверхности нейтронообразующей мишени 12, где в результате ядерной реакции, например, Li(d,n), генерируются нейтроны.

Обратный ток вторичных электронов с нейтронообразующей мишени 12 на лазерную мишень 14 (анод) эффективно подавляется магнитным полем, возбуждаемым первичной обмоткой 15 импульсного трансформатора согласно расчетам, проведенным авторами в [4]. Одновременно осуществляется магнитная изоляция вторичных электронов между вторичной обмоткой 16 импульсного трансформатора и внутренней поверхностью вакуумной камеры 11. В результате в предлагаемом устройстве исключается габаритный изолятор, работающий на полное ускоряющее напряжение, и в малогабаритном устройстве достигается увеличение ускоряющего дейтроны напряжения до величин более ~1 MB, как показано в работе [5] применительно к импульсному источнику рентгеновского излучения. За счет увеличения ускоряющего напряжения более чем на порядок происходит существенное увеличение нейтронного выхода импульсного генератора нейтронов на 2-3 порядка и появляется возможность использования других ядерных реакций (помимо ядерных реакций D+D и D+T) с образованием быстрых нейтронов с другим энергетическим спектром вплоть до выхода 10¹² нейтрон/имп.

Разработка и внедрение предлагаемого компактного (транспортабельного) устройства за счет указанных выше новых возможностей по выходу нейтронов должны повысить эффективность и производительность нейтронно-активационного анализа различных горных пород в полевых условиях, в том числе содержащих уран и драгоценные металлы, исследований радиационной стойкости материалов и микросхем, проведения БНЗТ (бор-нейтрон захватная терапия) раковых клеток, а также работ, связанных с поиском и идентификацией скрытых опасных предметов нейтронными методами.

Источники информации

1. Импульсная нейтронная трубка. Беспалов Д.Ф., Козловский К.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. Патент СССР №766048, опубликовано 23.09.1980 г., Бюл. №35.

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. 72-74.

3. Импульсный генератор нейтронов. Диденко А.Н., Козловский К.И., Сбродов В.И., Хасая Д.Р., Шатохин В.Л., Шиканов А.Е. Патент РФ №2523026, опубликовано 20.07.2014 г., Бюл. №20.

4. Вовченко Е.Д. и др. Сообщение ОИЯИ Р13- 2023-10.

5. Шиканов Е. А. Кандидатская диссертация, М. 2010.

Изобретение относится к приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии импульсных потоков ускоренных нуклидов водорода с твердыми мишенями, содержащими изотопы тяжелого водорода. Устройство содержит импульсный лазер, вакуумную камеру с откачным постом, с оптическим и двумя электрическими вводами, с лазерной и нейтронообразующей мишенями, импульсный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, накопительную емкость, блок высоковольтного питания, управляемый лазером разрядник, фокусирующие устройства и частично прозрачное зеркало. Вакуумная камера выполнена полностью из диэлектрика в виде пустотелого цилиндра, один торец которого пристыкован к откачному посту и имеет первый электрический ввод, другой торец имеет оптический ввод и второй электрический ввод. Первичная обмотка трансформатора охватывает пустотелый цилиндр и последовательно подключена к накопительной емкости и разряднику, вторичная обмотка выполнена в виде однослойного соленоида и расположена внутри цилиндра. Причем один конец вторичной обмотки соединен с первым электрическим вводом, а второй конец вторичной обмотки подсоединен к лазерной мишени. Нейтронообразующая мишень установлена на внутренней поверхности пустотелого цилиндра, охватывает лазерную мишень и подсоединена ко второму электрическому вводу. Техническим результатом является увеличение выхода нейтронов импульсного генератора нейтронов за счет значительного роста ускоряющего дейтроны напряжения при сохранении габаритов вакуумной ускорительной трубки и всего импульсного генератора нейтронов в целом. 1 ил.

Импульсный генератор нейтронов, содержащий импульсный лазер, вакуумную камеру с откачным постом, с оптическим и двумя электрическими вводами, с лазерной и нейтронообразующей мишенями, импульсный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, накопительную емкость, блок высоковольтного питания, управляемый лазером разрядник, фокусирующие устройства и частично прозрачное зеркало, отличающийся тем, что вакуумная камера выполнена полностью из диэлектрика в виде пустотелого цилиндра, один торец которого пристыкован к откачному посту и имеет первый электрический ввод, другой торец пустотелого цилиндра имеет оптический ввод и второй электрический ввод, кроме этого первичная обмотка импульсного трансформатора охватывает пустотелый цилиндр и последовательно подключена к накопительной емкости и управляемому лазером разряднику, вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена в виде однослойного соленоида и расположена внутри пустотелого цилиндра, при этом один конец вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с первым электрическим вводом, а второй конец вторичной обмотки подсоединен к лазерной мишени, кроме того, нейтронообразующая мишень установлена на внутренней поверхности пустотелого цилиндра, охватывает лазерную мишень и подсоединена ко второму электрическому вводу.