Импульсный генератор нейтронов (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК H05H5/00 

2. Генератор, содержащий последовательно расположенные источник пучка ионов водорода, систему формирования пучка, нейтроннообразующую мишень, выполненную в виде кристаллической пластины, кристаллографические оси которой ориентированы нормально к ее поверхности, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода нейтронов, мишень выполнена из материала в виде бинарного соединения элемента с атомным номером 2 с дейтерием или тритием, равномерно изогнута с радиусом R и установлена на расстоянии В от источника так, что угол 0 между осью генератора и ее кристаллографическим направлением, для которого чередуются атомные оси или плоскости, каждая из элемента с одинаковым атомным номером Z или Z удовлетворяет выражению

е v,/E,/z/ ,

где Vk2. критический угол каналирования для этого направления ;

Z - атомный номер дейтерия или трития.

1. Импульсный генератор нейтронов, содержащий последовательно расположенные источник пучка ионов водорода, систему формирования пучка, нейтроннообразующую мишень, выполненную в виде кристаллической пластины. отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода нейтронов, кристаллическая пластина, кристаллографические плоскости которой ориентированы параллельно ее облучаемой поверхности, равномерно изогнута с радиусом R fif и установлена на расстоянии Б от источника ионов так, что угол 0 между облучаемой поверхностью и осью генератора удовлетворяет выражению f/2 t-t U(dp/2yu,) + l С, где С| критический угол каналиi рования; (Л и, высота потенциального барьера в кристалле; и(dp/2) величина потенциала на половине межплоскостного потенциала кристалла dp. СП Од 00 Од sl

Изобретение относится к области технической физики, а именно к методам и устройствам получения потоков нейтронов. Известен импульсный источник моно энергетических нейтронов, содержащий ускоритель дейтронов низкой энергии снабженных дейтериевой D или тритиевой Т мишенями. Реакция D(d, п) Не экзотермическая и часто используется для получения нейтронов с энергией больше ЗМэВ. Сечение реакции при малых энер гиях определяется проницаемостью кулоновского барьера и резко растет с увеличением энергии дейтрона от 10 см при энергии 0,01 МэВ до 10 см при энергии 0,08 Мэн, дост гая максимума 10 см при энергии около 2 МэВ. Реакция T(d, п) Не позволяет получить моноэнергетические нейтроны с энергиями до 30 МэВ. В ходе сечения реакции T(d, п)Не имеется резонанс при энергии дейтро на 0,11 МэВ с максимальным значение сечения 5-10 см . Такое большое сечение делает эту реакцию особенно удобным источником моноэнергетических нейтронов а короткими длительностями импульсов. Средний выход нейтронов доходит до 10 нейтр/с при максимальном мгновенном выходе до 2-10 нейтр/с. Наиболее близким к изобретению является импульсный генератор нейтронов, содержащий источник коллимированного пучка дейтронов и монокристаллическую мишень, включающую дейтерий или тритий, которая ориентирована под углом Q cfy. своей кристаллической осью или плоскостью относительно оси пучка дейтронов, где - критический угол каналирования. Принцип работы такого устройства заключается в том, что при углах падения дейтронов 0 if вдоль атомных осей или плоскостей, зас-еляются состояния каналируемых дейтронов вблизи вершины потенциального барьера, что приводит к преимущественной локализации налетающих частиц в области высокой плотности ядер дейтерия или трития и увеличению выхода термоядерных реакций. При этом допустимая область угловой расходимости пучка дейтронов для захвата в режим околобарьерного каналирования определяется как Д0 (и/сГд42|Г 4/20, где и - поперечная амплитуда тепловых колебаний атомов; г - радиус.боровской орбиты,, V. ; V - высота потенциального барьера; ЕО - энергия дейтронов. Поскольку для кристаллических поверхностей и осей с малыми индексами высота потенциального барьера У„

2 эВ и Vp i 10 эВ, то для neiiTpoHOB с энергией Е 0,11 МэВ имеем критический угол для плоскости (t,;p 0,6 и для оси ((цд -i 1,5 и соответствен но допустимый угловой разброс пучка 40 0,03 и u9q i 0,07. При этом .про дольная монохроматичность пучка дол на быть не хуже дЕ/Е - 4 л 9 /8 0, Недостатком такого устройства является то, что при захвате дейтронов и надбарьерные состояния при угле падения в - (ц относительно атомных осей или плоскостей заселяется широкая зона Л Е поперечньгх энергий околобарьерного состояния. Кроме того, ширина зоны даже для параллельного пучка дейтронов соста ляет Е (f + V(), т.е. зави сит от положения Х; точки влета час тицы в кристалл относительно атомно плоскости. Величина х,- лежит в пределах от О до dp/2, где dp - рассто яние между атомными плоскостями, лЕ. 2 EV... Кроме поэтому имеем того, ЛЕ jj зависит от угловой расхо димости пучка йб , аЕ 2Е(1 +Еб0 mtr К Q -I-. , Q Е. j -i-д-. f к которая не является малой с самого начала, а с глубиной кристалла еще возрастает вследствие многократного рассеяния дейтронов. При большой ширине зоны лЕд дейтроны потолка зон будут слабее взаимодействовать с ядрами кристалла, чем дейтроны дна зоны поперечньгх энергий. Учет расплы вания зоны uEj объясняет причину, почему прямое использование эффекта каналирования дейтронов в околобарьерных состояниях не позволяет достигнуть ожидаемую величину повьше ния выхода термоядерных нейтронов для всего пучка. Целью изобретения является увеличение выхода нейтронов. Цель достигается тем, что в импульсном генераторе нейтронов, содер жащем последовательно расположенные источник пучка ионов водорода, систе му формирования пучка, нейтронообразующую мишень, выполненную в виде кристаллической пластины, кристаллическая пластина, кристаллографически плоскости которой ориентированы параллельно ее поверхности, равномерно изогнута с радиусом (/ и установлена на расстоянии I от источника так, что угол в между облучаемой поверхностью и осью генератора удовлетворяет вьфажению: и(dp/2)/и, к .

1056867

где VK критический угол каналирования;UQ - высота потенциального барьера в кристалле; U(d /2)- величина потенциала на половине межплоскостного потенциала кристалла dp. Кроме того, в импульсном генераторе нейтронов, содержащем последовательно расположенные источник пучка ионов водорода, систему формирования пучка, нейтронообразующую мишень, выполненную в виде кристаллической пластины, кристаллографические оси которой ориентированы нормально к ее поверхности, мишень выполнена в виде бинарного соединения элемента с атомным номером Z с дейтерием или тритием, равномерно изогнута с радиусом и установлена на расстоянии от источника так, что угол б между осью генератора и ее кристаллографическим направлением, для которого чередуются атомные оси или плоскости, каждая из элемента с одинаковым атомным номером Z, , или Z- удовлетворяют выражению е ,(2i/Z к критический угол каналирования для этого направления;атомный номер дейтерия или трития. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого генератора, первый вариант; на фиг. 2 - то же, второй вариант. Схема содержит пучок 1 дейтронов, систему 2 для формирования пучка, вьтолненную, например, в виде коллиматора с угловой расходимостью Л0 , кристаллическую мишень 3, содержащую дейтерий или тритий, которая закреплена в специальном электромеханическом устройстве для ориентации и изгиба кристаллической пластины относительно оси падающего пучка. Крис- .,-. талл вырезан в виде прямоугольной пластины так, что его главные кристаллографические плоскости лежат строго вдоль его рабочей поверхности. Кристаллическая мишень установлена своей рабочей поверхностью под углом 9 с t ц относительно оси пучка дейтронов. Здесь величина с (U(dp/2)Uj,) + 1, где Uo - высота потенциального барьера, а U(dp/2) величина потенциала на половине межплоскостного потенциала dp. Для плоскостного потенциала U . 21Т2 е d, где Z - атомньй номер, d - суть плотности атомов в плоскости. Отсюда, величина константы с г 0,3 для (100) атомной плоскости кристалла LiD. Радиус изгиба пластины выбирается из условия ее упругой деформации и не должен превьппать величины 1000 fit, где At ее толщина. Для производства изгиба кристаллической пластины использовамо устройство Боровского-Гильварга с двумя изгибающими опорными цилинд рами. Требуемый радиус изгиба пластины равен R Еу , где 1 - расстояние от источника дейтронов до кристаллической пластины, t d/A0 . Здесь d - поперечньп размер пучка дейтронов на мишени, а ( 1, рад для дейтронов с энергией Е 0,13Мэ Отсюда для поперечного размера пучка d 1 мм и радиус изгиба должен быть R 2,2, при (( при Дб Юуц . Соответственно расстояние пластины от источника будет 2,5 см и 1 см. Поскольку условие упругого изгиба выполняется при толщине мишени R, то соответствующие толщины пластины при ее длине L 8 см должны быть ut 0,2 м и д9 : 0,08 мм. Из условия взаимодействия .пучка дейтронов с поверхностными слоями мишени следует, что предельно допустимые токи ускоритель ной трубки в этом случае в if раз больше, чем в случае облучения мишени пучком дейтронов при нормальном падении пучка, что позволяет использовать пучки дейтронов с плотностью частиц в 100 раз больше. Схема нейтронного генератора по второму варианту содержит пучок 1 дейтронов, систему 2 коллиматоров для формирования пучка с угловьм раствором д& и изогнутую кристаллическую пластину 3 - мишень. Кристаллическая пластина выполне 1а из материала в виде бинарного соединения элемента с атомным номером Z, с дейтерием или тритием (атомный номер .2). В качестве кристаллической мишени, например, используем бинарные соединения ь1ВилиЬ1Т, имеющие простую кубическую структуру решетки. Кристаллическая мишень выполнена дли ной L и толщиной лс 10 R таким 676 образом, что ее кристаллографические направления, в которых чередуются атомные оси или плоскости, каждая из элемента - с одинаковым Z или из дейтерия (трития) с атомным номером аправлены строго нормально к ее раочей поверхности. Кристаллическая ластина ориентирована к оси падающего пучка таким образом, что угол ориентации составляет б Х, /Е относительно атомных рядов или плоскостей (например, для (110)- LiD имеем д - 0,64у|) и затем изогнута таким образом, что R В,-где В расстояние до пластины от источника дейтронов. Требуемый радиус изгиба R для пластины длиной L 12 см составляет R 2,5 м для угла раствора коллиматора д.б А( для д6 10 (| . Этому условию удовлетворяют толщины кристаллической мишени А t 2,5 мм и Ut 10 мм соответственно. Физический принцип работы предлагаемого генератора заключается в реализации эффекта каналирования дейтронов в околобарьерных состояниях в изогнутом кристалле. Вгенераторе по первому варианту дейтронный пучок входит в кристаллическую мишень при скользящем падении к ее поверхности, поэтому полная поперечная энергия частиц описывается вьфажением Е9 + U(xj). Поскольку координата влета частицы в поле всегда равняется расстоянию действия поля вне кристалла, имеет и(х;) - О и ширина зоны поперечных энергий д Ej, полностью определяется угловым расхождением йб пучка частиц ЛЕ Е&в, т.е. ширина зоны поперечных энергий гораздо меньше, чем соответствующая величина iEj 2EV + прототипе. За счет уменьшения AEj существенно возрастает вероятность близких взаимодействий дейтронного пучка с узлами решетки кристалла, в которых локализованы ядра D или Т, и как следствие возрастает выход термоядерных нейтронов. Кроме того, предлагаемый дополнительный изгиб кристалла компенсирует угловую расходимость пучка, и в результате каждая частица пучка падает на грань кристалла под углом 9 су. Поэтому и все частицы пучка проходят кристалл в околобарьерном состоянии с Е, J. Eif/ , что еще больше увеличивает положительный эффект. Компенсация угловой расходимости изгибом кристалла в несколько десятков раз повышает также коэффициент использования дейтронного пучка, производимого источником дейтронов, что также увеличивает выход нейтронов из мишени. Условие заселения околобарьерной зоны предъявляет в устройстве-прототипе очень жесткие ограничения на угловую расходимость пучка 40 , который должен быть направлен строго под углом 0 (flj к атомным осям или плоскостям. Так при нормальном взлете в кристалл для осевого случая имеем Лб - 0,07°, is а для плоскостного 0,03° COOTэетственно, что примерно на 20 раз кр . За счет меньше величин а изгиба кристаллической пластины в предлагаемом устройстве используется 20

пучок дейтронов с угловой расходимостью i9 L/R, что почти на два порядка повышает поток дейтронов заселяющих околобарьерные состояния в мишени, и соответственно выход термоядерньк нейтронов.

В генераторе согласно второму варианту пучок ускоренных дейтронов входит в кристаллическую пластину при нормальном падении к ее поверхности. В данном случае также использован эффект изгиба пластины аналогично устройству по первому варианту для повышения выхода нейтронов из мишени, но несколько отличная геомет105685 10

формируемой двумя ближайшими атомны ми рядами с Uo(Z), и эта зона будет лежать на гребне потенциального барьера Up(Z), образованного потенциалами атомов только дейтерия или трития, т.е. каналирующие дейтроны будут локализованы вблизи ядер дейтерия или трития, но вдали от атомных

ядер Z

гТаким образом, обеспечивается преимущественное- взаимодействие в реакциях (d, D) или (d. Т) и повьппается выход термоядерных нейтронов по срав- нению с прототипом. 678 рия устройства (нормальное падение) определяет расстояние мишени от источника дейтронов 6 R, а в первом варианте бьшо В 9k Б предлагаемом устройстве использован кристалл типа LiD или LiT, ориентированный по оси пучка направлением типа 11.0 , где чередуются атомные ряды из элемента Е - один ряд и Z - второй ряд, где Z - дейтерий или тритий. Тогда потенциал кристалла в направлении влета дейтрона имеет потенциальные барьеры разной высоты для Z, wZ ряда где высота барьера U (Z ) ). В этом случае для углов ориентации таким кристаллографическим направлением вдоль пучка 9 (( будет заселяться зона поперечных энергий внутри широкой потенциальной ямы.