Способ генерации импульсов аннигиляционных гамма-квантов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК H05H1/00 G21G4/00 

Изобретение относится к генерации потоков гамма-квантов, а также к термоядерным исследованиям, в частности к системам удержания горячей плазмы в виде прямых ловушек с магнитными зеркалами (пробкотроны). .

Известен способ генерации мощных потоков у-излучения с энергией квантов до нескольких мегаэлектронвольт, заключающийся втом, что электроны высоких энергий

от сильноточного ускорителя электронов типа Аврора направляются на мишень и, взаимодействуя с ней, конвертируются в поток тормозного излучения мощностью до 1012 Вт/см2..

Недостатком способа является широкий спектр частот, в котором генерируются у-кванты, что приводит к низкой спектральной плотности излучения, а также необходимость создания сложной и энергоемкой установки.

Известен способ создания потоков у- излучения с высокой спектральной плотностью, заключающийся в использовании эффекта изучения высокоэнергетических электронов или позитронов при каналиро- вании в кристаллах.

Недостатком способа является низкая плотность потока излучения и значительные размеры установки.

Известен способ генерации слабых потоков аннигиляционных у-квантов, заключающийся в том, что позитроны от изотопного источника (наиболее распространен Na22), не подвергаясь магнитному удержанию и накоплению, прямо направляются на образец, где аннигилируют с излучением у-квантов.

Недостатком указанных способа и устройства является низкая интенсивность из- лучения, ограничивающая область применимости способа исключительно диагностическими задачами.

Цель изобретения - увеличение плотности потока аннигиляционных у -квантов и спектральной плотности излучения.

Для достижения указанной цели в способе, включающем получение потока позитронов от изотопного источника и направление этого потока на исследуемый образец, являющийся при этом конвертором, в качестве изотопного источника используют радиоактивный изотоп, имеющий период полураспада (fvi), много больший времени удержания плазмы в ловушке, определяемый в пределах 1 - 10 с и обладающий наведенной / -активностью 10 - 1014 расп./с.г., а испускаемые источником позитроны инжектируют в объем ловушки, находящийся под воздействием магнитного поля пробочной конфигурации, удерживают и накапливают в ловушке релятивистскую электррн-позитронную плазму до достижения плотности в пределах 10 - 10 и, включив встречное магнитное поле в зоне свободной горловины магнитной ловушки такое, что, результирующая от него и стационарного поля в зоне горловины совпадает с квазистационарным полем, в центре ловушки Вдоп.кат. -Влробки + Вцентр ловушки, Э время нарастания встречного магнитного поля, определяющее время открытия ло- вушки;, принимается в интервале

- Тоткр у

где L - длина ловушки:

v характерная скорость частиц плазмы,

открывают ловушку и направляют сгусток позитрон-электронной плазмы на конвер0

5

0

5

0

5

0

5

0

тор из материала, обеспечивающего максимальный выход у-квантов, при выполнении условий

,,

где A-hA/t--длины пробегов позитронов и у-квантов в принятом материале:

4k - толщина конвертора.

Изотопный источник позитронов, используемый в предлагаемом способе, изготавливают из изотопа меди 29CU64, имеющего период полураспада п/2 12,88 ч. Для придания меди 29Си63 удельной радиоактивности 10 - 1014 распад./.с.г. ее облучают потоком тейловых нейтронов плотностью 5 1014 - 5 1015 в течение 30 - 50 ч. При этом массу изотопного источника принимают в пределах 1 - 100г.

В способе имеется возможность адиабатического сжатия облака релятивистской плазмы нарастающим во времени магнитным полем с целью дополнительного повышения ее устойчивости. При этом скорость нарастания Н определяется соотношение)

dH (rut) н , . -1

gi- - НмакДПД;т YI

где Нмакс (пд) - максимально достижимое значение магнитного поля в точке п;

Гу- время удержания плазмы в ловушке.

Предельная плотность релятивистской позитрон-электронной плазмы ппред, получаемой предлагаемым способом, составляет 10-10 . При этом справедливо соотношение

А Ту Ппред V, где А - активность изотопного источника;

V - объем магнитной ловушки.

Конвертор, представляющий собой фольгу из материала с малым коэффициентом отражения электронов и позитронов от поверхности, имеющую толщину Ас больше длины пробега позитронов, но много меньше длины пробега аннигиляционных у- квантов

А Ak«Ak/ где позитроны аннигилируют.

Если плотность 1+ потока позитронов удовлетворяет условию

55

р (г/см - его плотность; m - масса покоя позитрона; у - релятивистский фактор,

то материал испаряется и представляет собой плотную, холодную, слабоионизованную плазму. о .

Ее температура определяется из условия

1/4 то Ппнред V У ГП С

О

где (7 5,67 Вт- см 2 град 4 - постоянная Стефана-Больцмана.

Степень монохроматичности у-квантов определяется тогда из условия

Av RT° v

10 5У

угле2

где Av И V- ширина спектральной линии и частота у-кванта соответственно,

R 1,38- эрг/град. - постоянная Больцмана.

Источник дает излучение в телесный угол 4 п-стерадиан.

Для осуществления предлагаемого способа генерации аннигиляционных у - квантов можно использовать устройство, состоящее из источника позитронов в виде изотопного источника и конвертора, в котором источник позитронов выполнен в виде магнитной ловушки типа пробкотрон, включающей вакуумную камеру, магнитную систему удержания плазмы, с магнитным полем в центре в пределах 5 - 15 кГс и проСочным отношением от 3 до 5, систему соз-дания вакуума и излучатель позитронов в виде экрана, изгртовленного из медной фольги толщиной - см, активированной потоком тейловых нейтронов до получения наведенной ft -активности в пределах 1013 - 1014 распад./с.г. установленного в зоне одной из пробочных горловин магнитной ловушки, перпендикулярно ее продольной оси, вторая пробочная горловина ловушки, кроме катушки основного пробочного магнитного поля, имеет дополнительную катушку, концент- рично ей расположенную и создающую противоположное по направлению магнитное поле такой величины, что сумма напряжен- ностей этих магнитных полей в окрестности оси ловушки совпадает или меньше напряженности квазистационарного магнитного поля в центре ловушки. Для включения дополнительной катушки и поддержания длительности импульса тока через нее, определяющей длительность открытия ловушки Тоткр. в пределах - готкр « Щ можно использовать известное устройство коммутации токов. При этом выбор толщины фольги медного источника связан с условием отсутствия самопоглощения позитронов в источнике и соответственно при указанной активности 1013 - 1014 распад./с.г. условия его нерасплавления.

На чертеже схематически изображено

устройство, с помощью которого можно осуществить предлагаемый способ.

Устройство содержит вакуумную камеру 1 магнитной ловушки, источник 2 позитронов, катушки 3 для создания пробочного магнитного поля, дополнительную катушку 4, источник 5 питания дополнительной катушки, конвертор 6, облако 7 релятивистской электрон-позитронной плазмы и

магнитные силовые линии 8.

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью вакуумных агрегатов откачивают объем магнитной ловушки до

давления Р 10 торр, с помощью дистанционного механизма устанавливают изотопный источник 2 в зоне одной из пробочных горловин ловушки и, включив питание основных катушек 3 магнита,

осуществляют процесс накопления позитронов в стационарном или растущем во вре- мени магнитном поле. После этого включают дополнительную катушку 4, которая открывает другую горловину ловушки, и

выпускают сгусток 7 электрон-позитронной плазмы на конвертор, где и генерируется импульс у-излучения.

Конкретная реализация предлагаемого изобретения осуществляется следующим

образом.

Из материала 29Си63, облученного в ядерном реакторе в течение 30 - 50 ч, изготавливают изотопный источник 2оСи (имеющий период полураспада 12.88 ч) в

виде фольги толщиной не более длины пробега позитрона (- ) При заданных размерах поверхности источника, равной 0,1 - 0,2 м , и при средней плотности потока нейтронов на исходную заготовку,

равной 5 -1015см 2с 1, получается изотоп с активностью распад./с.г. Если характерное время удержания релятивистской электрон-позитронной плазмы около 1 - 10с4; в ловушке накапливается 1015- 10

позитронов.

Предельная плотность, при которой возможно длительное удержание плазмы, составляет до 10 см . откуда объем плазмы 1,0-0,01 м3.

Конвертор изготавливают из легкого металла например алюминия. Его площадь должна быть не менее площади сечения дополнительной катушки, а толщина материала см.

Включение дополнительной катушки и вывод позитронов на конвертор осуществляется после достижения максимального заполнения ловушки позитронами. При этом дополнительная катушка может обеспечить открывание ловушки и истечение из нее плазмы за время г 10 - 10 с.

Использование изобретения позволяет создать технически простые, компактные источники монохроматического у- излучения с энергией квантов около 0,511 МэВ и плотностью потока мощности доЮ8-109Вт/см2.

Формула изобретения 1. Способ генерации импульсов анниги- ляционных гамма-квантов, включающий получение потока позитронов из изотопного источника и направление его на конвертор, преобразующий падающий поток позитронов в аннигиляционное излучение гамма-квантов, о тличающийся тем, что, с целью увеличения плотности потока аннигиляционных гамма-квантов и спектральной плотности излучения, в качестве

позитронного источника используют / радиоактивный изотоп с наведенной удельной активностью 1013- 10 распад./с.г. и массой 1 - 100 г поток позитронов, имеющих характерную скорость v, и электронов, испускаемых этим источником, направляют в магнитную ловушку пробочной конфигурации длиной L с пробочным отношением в пределах 3 - 5 и величиной магнитного поля в центре ловушки в пределах 5-15 кГс, нде накапливают позитроны в составе позитрон-электронной плазмы с

плотностью 1010 - 1012 и с временем Гу удержания 1 - 10с, затем открывают ловушку за время L/v г Ту путем уменьшения величины магнитного поля в одной из горловин магнитной ловушки, а образовавшийся поток позитрон-электронной плазмы из открытой горловины ловушки направляют на конвертор, при этом материал источника позитронов выбирают из условия, что его период полураспада должен быть больше времени удержания позитрон-электронной плазмы в магнитной ловушке.

2, Устройство для генерации импульсов аннигиляционных гамма-квантов, о т личающееся тем, что используют источник позитронов в виде плоской фольги толщиной, меньше длины пробега в ней позитронов из../0-активного изотопа меди 2эСи и устанавливают его перпендикулярно и соосно с магнитным полем ловушки в одной из его горловин, вторую горловину ловушки открывают за время т - 10 с с помощью соосной с ловушкой дополнительной магнитной катушки, установленной во второй горловине ловушки путем создания встречного основному удерживающему магнитному полю дополнительного магнитного поля, равного по величине разности величин магнитных

полей в горловине и центре ловушки, а поток позитрон-электронной плазмы из этой горловины направляют на конвертор, выполненный в виде пластин из алюминия, или бериллия, или титана, толщиной

Дс в пределах Л Лс А/ , где А+, длины пробегов позитронов и гамма-квантов в материале конвертора.

Изобретение относится к генерации потоков гамма-квантов и может быть применено в термоядерных исследованиях. Цель изобретения -увеличение плотности потока гамма-квантов и спектральной плотности излучения. Способ осуществляют посредством накопления позитрон-электронной плазмы в магнитной ловушке типа пробкотрон. Источником позитронов служит радиоактивный изотоп меди 2эСи с удельной активностью 1013 - 1014 распад/с.г. и периодом полураспада 12,88 ч, установленным в одной из пробочных горловин магнитной ловушки. Использованием в каждом цикле накопления позитрон-электронной плазмы нарастающего во времени магнитного поля достигается время удержания ее в пределах 1 - 10 с. Во второй горловине магнитной ловушки и соосно ей установлена дополнительная катушка, открывающая эту горловину и подключенная так, что направление ее магнитного поля противоположно направлению основного поля, пробочной катушки, а суммарная величина напряженностей этих полей равна или меньше квазистационарного поля в центре ловушки. После открытия ловушки поток позитрон-электронной плазмы направляют на конвертор. Изобретение позволяет получать импульсы аннигиляционных у- квантов с энергией около 0,511 МэВ и плотностью потока мощности в пределах 1.0е - 109 Вт/см2. 2 с.п..ф-лы, 1 ил. NJ Ю СО сь ч| VI