Импульсный источник нейтронов Советский патент 1992 года по МПК H05H5/00 

ро

со

со

Изобретенне относится к ядерной физике и может найти применение для получения мощных нейтронных импулы сов интенсивностью до 10 и/с и более.

Целью изобретения является упели- чение стабильности выхода нейтронов.

На чертеле схематично изображен Импульсный источник нейтронов.

Источник содержит импульсный источник тока, например в виде батареи Конденсатора 1, .потенциальный полюс - вывод которой через коммутатор 2 со единен с анодом 3 устройства, фукк- «иго которого выполняет центральный электрод. Анод 3 отделен от катода 4 изолятором 5. Внутри анода 3 расположен газовый (либо плазменный) клапан 6, служащий для впрыскивания в заэор между анодом 3 и катодом А ,- порции дейтериевого газа либо плазмы Концевая часть катода 4 выполнена в виде многозаходной спирали 7, т.е. (Системы стержней, установленных под углом ot к образующей цилиндра. Катод 4 соединен с корпусом 8, который заземлен, как и второй полюс конденса- торной батареи. В боковой стенке анода 3 выполнены отверстия 9 для напуска газа 0 межэлектродное про- iCTpaHctBo. Кроме того, на чертеже обозначены напускаемый газ 10, силовая линия Ви,-поля 11, создаваемого током 12 4)азряда, силовая линия 13 В -поля, с оздаваемого обратным током 1А, токовая оболочка 15.

Устройство работает следующим об- .разсм. ; .

В начальный момент времени источник тока заряжен. Коммутатор 2 par зомкнут, все устройство откачено до рабочего вакуума, клапан 6 закрыт. В необходимый момент времени тывает клапан 6 и впрыскивает через отверстия 9 b область между анодом 3 и катодом 4 расчетную порцию газа Dj (или плазмы) 10. Спустя расчетное и контролируемое время задержки, определяемое , скоростью заполнения газом (плазмой) 10 зазора между анодом 3 и катодом 4, срабатывает коммутатор 2 н высокое напряжепие поступает на анад 3. ho аноду начинает протекать Тек 1 12, создающий вокруг анода 3 азимутальное магнитное поле В,, tt, В результате электродинамического взаимодействия поля В 11 с током I 12, определяемого силой Лоренца Гд

5

0

5

0

- В -Ij,- In, где In - длина токовоС.

перемычки, где с - скорость светя, токовая оболочка начнет перемещаться к торцу устройства, захвптьшяя (сгребая) п этот процесс газ на ее пути и в результате ионизируя его. Двигаясь с ускорением, плазменная оболочка достигает скоростей, имеющих порядок 10 см/с и более, При поступлении на концевой участок, где катод (либо анод, либо и тот и другой) выполнен в виде многозаходной спирали 7, обратный ток 1А, стекающий по спирали 7, создает азимутальную составляющую магнитного поля, определяемую из соотношения В -2I/rtgei, 13. Это магнитное поле начинает диффундировать в радиальном направлении к оси устройства сквозь плазму со скоростью, определяемой проводимостью плазмы. Одновременно с этим.наличие радиальной компоненты тока 1. в токовой оболочке 15 и аксиального магнитного поля Bj, вызывает г лектродинамическое взаимодействие, . прелеляемое силой ЛоренF j-D I Cr -Tfl) , где г - радиус

5

0

5

O

5

«а

катода; Гд - радиус анола, приводящее к азимутальному движению токорой оболочки 15..как целого, т.е. к появ- ления у нее начального азимутального момента количества дпижения. Эта на- чальная закрутка токовой оболочки 15 сохраняется при выносе тока за торец устройства в связи с тем, что в данной геометрии азимутальный момент количества движения сжимающейся токор

вой оболочки 15 ., где

Ац - азимутальная компонента вектор- потенциала, m - масса иола; V, - азимутальная компонента скорости; е - заряд электрона, является интегралом движения. Одновременно с этим продолжается сжатие токовой оболочки 15 под действием азимутального поля BC. При этом поле В, в случае высокой проводимости остается вмороженным в сжимающуюся токовую оболочку 15, либо в случае снггьного турбулентного разогрева (плязмл обладает большим гопротивлгниг м пг)ле быстро диффундирует скво- ь НРР и ме япляется вморожрпным. Таким пПрлюм, с уменьшением Т (радиуса п-коной стПгшочки) позрастает if, r.f. 1.;р. и1.пртгя

(,r/r)cnnpt ) ,

«Р

мсрги.т W.

я мат иитном поле Ь,, при радиальном сткатии оОолочки перекачнпяется в ее азимутальное пращение, т.е. формируется плазменный вихрь. Такое сжатие с перекачкой энергии во вращении продолжается до установления равновесного состояния (N;T; -tN-T-)-|-В г ..

мента (для плазмы, прозрачной для йк- сиального пoля)cfd/l i „д нпм чо ) где г удц - средний радиус электродов, т.е. средний начальный радиус

плазменной оболочки Ги„„ котоипч 2

рый составляет обычно единицы-десятки сантиметров, г ,д„ - радиус плаз- 1 /2с2, где Nj,Np - линейные плот- -Ю менного фокуса, имеет порядок доян25

ностм дейтопог и электронов в плазменном вихре; Tg, Т; - их средние кинетические энергии (т.с« температу- ; ком Конечный радиус плазменного вихря; I - ток оболочки. Экспе- 5 рименты показывают, что подобные плазменные конфигурации достаточно устойчивы. В образовавшемся вихре дейтоны с энергией на уровне 100 кэВ производят ядерные реакции с выходом 20 нейтронов. В.ТОМ случае, если тур- булс)тность плазмы в фокусе велика и соответственно обладает большим сопротивлением, аксиальное поле, породившее азимутальный плазменный вихрь, не оказывается вмороженным и не сжимается имеете с ним. Тогда равнопесчо состояние возникает на меньшем радиусе вихря и будет характеризоваться большей азимутальной 30 энергией врашаюшихсядейтонов. Как правило, это наблюдается на больших уровнях энерговкл ада. Благодаря начальной закрутке пла:4менной токояе- сущей оболочки, обеспечиваемой в аксиальном магнитном поле Ь, - возни- каюЕ1ем за счет протекающего по концевой спиральной части катода тока, и дальнейшему сжатию оболочки, сохраняющему азимутальный момент количества движения, происходит перекачка энергии Поступательного движения токонесущей плазменной оболочки во вращательную. Изменением угла наклона стержней многозаходной спира- 45 ли можно в широких пределах менять начальное значение V и тем самым обеспечивать оптимальный режим формирования плазменного вихря в зависи мости от полной совокупности начаяь ных условий знергозапаса батареи, давления (и массы) газа, .геометрии анода и катода и т.г. Выбор длины спирального участка осуществляется.

50

единицы миллиметров, ц, - азимутальная энергия; f цо|ч начальная энергия дейтонов, получаем для 6 паи значения 10 эВ. Эта оценка позволяет определить границы длины спирального участка электрода (внутреннего или внешнего). При движении вдоль этого участка плазменной оболочки со скоростью она должна На его длине Ig приобрести за счет электродинамического взаимодействия необходимую азимут ч.пьную скорое , соответствуюп .уто затравочной энергии 10 эВ

,ni--iS tV

иач иач 2 Записываем выражение для V

V,

6-10 См/с

кчч

Va4

где T - t т- V. ..

F Icfl 1 BrV , е V.- -

35

е vqxc сила Лоренца; время движения оболочки вдоль спирали; масса, иона;

токовая скорость в радиальном направлении.

Учитывая, что 21/rtgel, где

tget- тангенс угла захода спирали, Q щгя достаточно широкого диапазона токов и плотностей плазмы можно принять, что (fCr -1)У„д,, , получаем следующее выражение для 1сп :

с« « 5|г-| 1- 0)

m -с 2ё

m С / Х-- (для

СО

Так как а (1-3)

4- D) 3,4 .10 кА, то I

- SOdtget . .1 (кА)

Верхняя граница длины спирального участка электродов может быть определена, исходя из конечной длины спада

аксиального магнитного поля на конисходя иг (:лелук1га1х предпосылок. Йри- gg цах соленоида, которая имеет зндче- нимая за оптимлльное значение конёч- ние порядка d - диаметра электрода, ной азимута ГЦ.Hovl .энергии дейтонов Отсюда ДЛй полной длийы спиряли можно ввести ограничение I.,.., тяким

в плазменном вихре 50 кэВ, учитывая,. что из спх(дксчия канонического мо-

образом длина спирального учягткя

мента (для плазмы, прозрачной для йк- сиального пoля)cfd/l i „д нпм чо ) где г удц - средний радиус электродов, т.е. средний начальный радиус

плазменной оболочки Ги„„ котоипч 2

рый составляет обычно единицы-десятки сантиметров, г ,д„ - радиус плаз- менного фокуса, имеет порядок доянединицы миллиметров, ц, - азимутальная энергия; f цо|ч начальная энергия дейтонов, получаем для 6 паи значения 10 эВ. Эта оценка позволяет определить границы длины спирального участка электрода (внутреннего или внешнего). При движении вдоль этого участка плазменной оболочки со скоростью она должна На его длине Ig приобрести за счет электродинамического взаимодействия необходимую азимут ч.пьную скорое , соответствуюп .уто затравочной энергии 10 эВ

,ni--iS tV

иач иач 2 Записываем выражение для V

V,

6-10 См/с

кчч

Va4

где T - t т- V. ..

F Icfl 1 BrV , е V.- -

е vqxc сила Лоренца; время движения оболочки вдоль спирали; масса, иона;

токовая скорость в радиальном направлении.

Учитывая, что 21/rtgel, где

tget- тангенс угла захода спирали, щгя достаточно широкого диапазона токов и плотностей плазмы можно принять, что (fCr -1)У„д,, , получаем следующее выражение для 1сп :

с« « 5|г-| 1- 0)

m -с 2ё

m С / Х-- (для

СО

(1-3)

кА, то I

аница длины спирального родов может быть опредеиз конечной длины спада

образом длина спирального учягткя

угла -. яхода спирали спязаны следующим

HepanciicTTf M:

,4

2,.,1D.clt,

ГДЙ

Cfl

-диаметр спирального участка электрода, м;

-длина спирального участка, м; I - Ток импульсного источника, А.

За счет создания начальной закрут-|0 ки плазменной оболочки в азимутальном направлении в каждом срабатывании ускорителя получается стабильный вихрь, что, в свою очередь,

другого, импул ми.1Й источник тока, соединенный через коммутатор с центральным электродом, и 1-гмпульсную систему напуска дейтериевого газа или ппазмы, при этом внешний цилиндрический электрод одним торцом укреплен на торцовой стенке корпуса и гальванически соединен с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью увеличения стабильности выхода нейтронов, конечный участок по крайней мере одного из цилиндрических электродов выполнен в виде многоза

Изсбрсине относится и ядерной физике и мохчет найти применение для получения мощных нейтронных импульсов интенсивностью до ,10 н/с И более, Импульсный источник нейтронов содержит два цилиндрических электрода - анод (А) 3 и катод 4. Концевая часть катода 4 выполнена в нидс многоза- ходной спирали 7, при этом угол захода спирали ot, рад, длина I, м, спи-i рального участка и диаметр d, м, спи- ралн выбраны из условия 2d5: I5i5« кЮ -d-l t{(, где I - ток импульсного источника тока. А 3 и катод 4 установлены коаксиально. Внутри А 3 размещен газовый (либо Плазменный) клапан 6, служащий для впрыскивания в зазор между А 3 и катодом 4 порции дейтериевого газа, либо плазмы. За счет создания начальной закрутки плазменной оболочки в азимутальном направлении в каждом срабатываний ускорителя получается стабильный вихрь, что приводит к стабилизации выхода нейтронов и соответственно возрастанию среднего КГЩ импульсного источника нейтронов, t з.п. ф-лы, 1 ил. с s (Л

спирали oi , рад, длина спирального участка 1 , ,м и диаметр спирали d, м. выбраны из условия

приводит к стабилизации выхода нейт- jj ходнрй спирали, при этом угол захода роиг П и сосэтпотстпснн о оозрастаникз среднего КГЩ устройства. Особенно это яаЖно На Низких и средний уровнях энерг овкладов, где обычно формирование плазменного вихря, ответственного 20 за основную нейтронного выхода (70-80%), осуществлялось случайным и неупрарляемым событием, и в результате средний КГЩ оказывается н-изким.

2d

где I ,„5 5-10 -d-r . tgoC,

ток импульсного источника тока, Л.

2о Источник по п. 1, о т л и - чающийся тем, что конечный участок второго электрода также выполнен в виде многозаходной спирали, длина которой соответствует длине спирального участка первого электрода, а угол захода равен по величине и противоположен по знаку углу зяхо- да первой спирали.

Формула изобретения

1, Импульсный источник нейтронов, содержащий герметичный корпус, в котором соосно размещены два коаксиально зо расположенных цилиндрических электрода, гальванически изолированных один

//fjfffff f:f7/J( Y/J J /fJ/f/fT

мШЖ

2 f:ffDJ j f7ym

спирали oi , рад, длина спирального участка 1 , ,м и диаметр спирали d, м. выбраны из условия

ходнрй спирали, при этом угол захода

ходнрй спирали, при этом угол захо

2d

где I ,„5 5-10 -d-r . tgoC,

ток импульсного источника тока, Л.

ходнрй спирали, при этом угол захода

2о Источник по п. 1, о т л и - чающийся тем, что конечный участок второго электрода также выполнен в виде многозаходной спирали, длина которой соответствует длине спирального участка первого электрода, а угол захода равен по величине и противоположен по знаку углу зяхо- да первой спирали.

:f7/J( Y/J J /fJ/f/fT

Ж

5 -- 4 i

2 f:ffDJ j f7ymy if i - igj-/