Импульсный генератор нейтронов Советский патент 1993 года по МПК G21G4/02 H05H5/00 

Изобретение относится ю нейтронной технике, к области конструирования средств формирования потоков нейтронного излучения и может быть использовано в ядерной геофизике, в нейтронно-активэци- онном анализе и в других областях ядерной техники и технологии.

Целью изобретения является также обострение фронта импульса электронного пучка и увеличение энергии электронов в начале импульса тока электронов.

Конструкция заявленного импульсного генератора нейтронов представлена на чертеже.

Генератор содержит герметизированный цилиндрический корпус 1. Корпус разделен на ряд зон, в каждой из которых размещены свои средства функционирования. Одна из зон сформирована двухобмо- точным трансформатором, содержащим первую обмотку 2, вторую обмотку 3. сердечником 4 преимущественно из феррита или электротехнического железа, как хорошего проводника, наполнитель 5. Внутри трансформатора установлен пустотелый Электрод 6 формирующей линии, закрепленный на изоляторах 7. 8. В качестве наполнителя служит масло, глицерин.

00

N О

Ю

ел

00

деионизованная вода. Обмотки трансформатора электрически соединены с корпусом и блоком 9 импульсного питания. Изоляторы 7, 8 закреплены герметично в корпусе.

Катод состоит из катодного электрода 10 и самого катода 11 и закреплен герметично в катодном изоляторе 12. В изоляторе 8 закреплен дополнительный электрод 13, отделенный от катодного электрода 19 газовым промежутком 14, заполненным инертным газом (например, азотом), при высоком давлении (порядка 20 атм). Катодный электрод 10 соединен с массой через индуктивность (на чертеже не показана) или феррит 12 в случае его достаточной проводимости. В газовом промежутке 14 установлено средство 15 конвектирования газа(например, вентилятор). Дополнительный электрод 13 и катодный электрод 10с газовым промежутком образуют вторую зону, герметично изолированную от зоны расположения трансформатора. Причем дополнительный электрод 13 является продолжением электрода 6 формирующей линии. В корпусе второй зоны выполнено оптическое окно 16 для ввода лазерного излучения. Для этого излучения использован лазер 17, лучи которого транспортируются в зону с помощью отражающего зеркала 18 и системой 19.фокусировки и сканирования.

Третья зона представляет собой вакуумную камеру 20 и отделена герметично от второй зоны изолятором 12. В вакуумной камере установлен анод 21, выполненный в виде торцовой стенки с пролетным отверстием 22, Катод-11 выполнен в виде усеченного конуса преимущественно из графита. Электрод 6 формирующей линии, дополнительный электрод 13, катодный электрод 10 и катод 11 установлены соосно оси генератора, причем вершина катода 11 расположена вблизи пролетного отверстия 22. За анодом на заданных расстояниях от оси генератора, на выбранных расстояниях друг от друга расположены плазмообразующие мишени 23, первая из которых выполнена из проводящего материала и установлена вслед за анодом 21 в электрическом контакте с ним. Остальные установлены изолированно от анода на средствах 24 их фиксации (например, проволочки в виде спирали).

Часть вакуумной камеры 20 образует дрейфовую камеру 25. В зоне дрейфовой камеры в корпусе также выполнено оптическое окно 26 для лазерного излучения. Для облучения мишеней 23, а также катода 11 генератор содержит лазер 27, отражающее зеркало 28 многошинную оптическую пластинку 29 и систему 30 фокусировки и сканирования лазерного излучения (в данном случае для всех мишеней сразу). Вокруг мишеней 23 по корпусу установлены магнитные фокусирующие линзы 31. Вакуумная

камера через патрубок 32 связана со средством вакуумирования этой части генератора - вакуумным насосом 33. На внутренней торцовой поверхности генератора в зоне его дрейфовой камеры симметрично отно0 сительно оси установлена нейтронообразу- ющая ионная мишень 34. Для Синхронизации процессов разрядообразо- вания, облучения лазерным излучением дополнительного электрода 13. катода 11,

5 мишеней 23 с заданными временами задержек генератор содержит пульт 35 управле... НИЯ. :. - ;. ; .: ,-.- . ; . ; . Л; :

Импульсный генератор нейтронов работает следующим образом.

0 в результате специально подобранного режима разряда возникает взрывная эмиссия и на катоде 11 образуется плазма. До образования этой плазмы импульсом лазерного излучения облучают первую из ионооб5 разующих мишеней 23, благодаря чему к мо менту взры вной к это д н о и э миссии у анодного отверстия 22 появляется сгусток лазерной плазмы с поверхностью, близкой к плоской. Это способствует формированию

0 электронного пучка вдоль оси генератора.

Выполнение катодного изолятора или его части из феррита, а катода из графита, предварительно облучен ного лазером, способствует существенному обострению

5 фронта импульса электронного пуч ка и увеяичению энергии электронов в начале импульса тока электронов.

Электроны из катодной плазмы ускоряются к плоскому лазерно-плазменному

0 аноду, образованному у пролетного отверстия. Проходя через анод, электронный пучок с током, большим предельного, запирается в дрейфовой камере 25 и образует над второй мишенью 23 электронное

5 облако. Благодаря средствам синхронизации с помощью пульта 35 управления и одного из лучей системы плазмообразователя (27-30) к моменту запирания электронного пучка плазменный сгусток от второй мише0 ни достигает центральной осевой зоны и взаимодействует с электронным пучком. Благодаря этому взаимодействию объемный заряд электронного облака пучка компенсируется плазмой источника ионов

5 (второй 23) и электроны начинают двигаться, ускоряя ионы вдоль оси генератора. Этому способствует воздействие на электронное облако магнитного поля фокусирующих линз 31. Регулируя количество ионов во втором лазерном сгустке в месте

запирания электронного пучка (например, изменением энергии и степени фокусировки лазерного излучения на данную мишень 23), можно использовать либо как источник ускоренных ионов, введя в него канал транспортировки, либо, как в заявленном предложении, для генерирования нейтронного потока.

Нейтронный поток образуется благодаря ядерным реакциям . BeVd, n/B10, T/d, п/Не или Д/d, п/Не3 под воздействием соответствующих ускоренных ионов на ней- тронообразующей мишени 34, установленной на пути ускоренных ионов. Эта схема генерирования нейтронов в общем реализо- , вана в известном генераторе.

Существенно отличающим заявленное техническое решение от известного фактором является применение в предлагаемом генераторе системы лазерных обострите- лей фронтов импульсов ускоряющего напряжения и электронного пучка. Это стало возможным благодаря введению в генератор второй зоны с дополнительным электродом 13 и катодным электродом 10, отделенных друг от друга газовым промежутком 14. До накопления на импульсном разряднике пробойного заряда (разрядник можно представить как емкость между электродами - корпусом 1 и электродом 6 формирующей линии с диэлектрической жидкостью 5) дополнительный электрод 13 облучают слабофокусированным лазерным излучением с помощью системы элементов t7-19,16. Лазерный импульс служит как бы спусковым механизмом для возникающего на электроде 13 импульса ускоряющего напряжения. В результате сам импульс возникает с укороченным фронтом через газовый промежуток, наполненный инертным газом, при высоком давлении импульс напряжения заряжает катодный электрод и на катоде 11 возникает условие взрывной эмиссии. К моменту прихода импульсов ускоряющего напряжения катод облучают также слабофокусированным импульсом лазерного излучения (одним из лучей многолучевого плазмообразователя). В результате предварительного облучения катода и взрывной эмиссии формируется импульс электронного пучка также с укороченным фронтом. Этому процессу способствует и форма катода а виде усеченного конуса, его расположение заостренным концом вблизи анодного от- верстия 22, а также ферритовое наполнение в изоляторе вокруг катода.

Дальше процесс формирования ионного пучка и потока нейтронов происходит по известной схеме, Для предотвращения в частотном режиме чрезмерного разогрева и

разрушения электродных систем (13, 10) электроды обдувают инертным газом с помощью вентилятора.

Установлено, что в результате примене- 5 ния системы двойного обострителя фронтов импульсов ускоряющего напряжения и пучка электройов удается резко изменить спектр ускоренных ионов в сторону увеличения. Экспериментальные данные показы- 10 вают, что увеличение возможно в 2-3 раза и более без потери количества самих ионов в потоке. Уменьшается длительность фронтов импульсов и увеличивается коэффициент преобразования энергии электронного пуч- 15 ка Ne в энергию ионного пучка NI с 3 до 10% и более.

В качестве материала плазмообразую- щих мишеней возможно использование TID, ZrD, нейтронообразующей мишени - Be, D, 0 Т и др.

Дальнейшее увеличение энергии ионов и, как следствие, ресурса ионообразующей мишени в заявленном предложении осуществляют с помощью мишеней, выбираемых 5 в количестве более двух. Каждая последующая мишень работает в режиме второй, по- . зволяя тем самым снизить нагрузку, на каждую из них в отдельности и увеличивая

эффект разгона ионов.

0 Синхронизацию процессов плазмооб- разования на мишенях можно осуществить путем подбора различной степени фокусировки лучей на мишени и путем подбора расстояний между мишенями и осью дрей- 5 фрврй камеры. С другой стороны, для ограничения в пространстве процесса плазмообразования на мишенях 23 вторую и последующие мишени предпочтительно снабжать щелевыми диафрагмами (на чер- 0 теже не показаны).

Генератор предполагает наличие технических параметров - для электронного пучка: Ее 200-500 КэВ. I - 5-15 кА. г 10-30 не, % 2 не. 1след до 50 Гц, где Ее-энергия электронов; I - ток пучка; г-длительность 5 импульса; Тф - длительность фронта электронного пучка; Тслед - частота следования импульсов.

Для нейтронов Nn 109-10 нейтр/имп; яед до 50 Гц; Гимп 8-15 не, 0 энергия нейтронов равна 0,8-2,5 МэВ.

Используются ядерные реакции типа Д+Д (En « 2.5 МэВ), Т+Д (En « 14 МэВ), Ве+Д(Еп «0.5-8 МэВ) и т.д.

Ресурс использования порядка 106 раз, 5 но возможно увеличение до 108 и более раз. Ширина ионного пучка на нейтронообразующей мишени порядка 0 100 мм, расходимость пучка - 20°.

Как следует из приведенных данных, технические параметры заявленного генератора значительно лучше таковых извест- ного генератора. Повышенный КПД преобразования позволяет снизить его энергопотребление.

Формул аизобретейия 1. Импульсный генератор нейтронов, содержащий герметизированный цилинд- рический корпус, внутри которого вдоль его продольной оси установлен на изоляторе катод, подключенный к источнику ускоряющего напряжения, анод, выполненный в виде торцовой стенки с пролетным отверстием, соосным катоду вакуумной камеры, образованной внутри корпуса герметичной установкой катодного изолятора, и цилиндрическую камеру дрейфа, расположенную за анодом соосно с вакуумной каме- рой, плаэмообразующие мишени, первая из которых установлена непосредственно за анодом, а вторая - вдоль оси вслед за первой на заданном расстоянии от анода, ней- тронообраэующую мишень на внутренней поверхности дрейфовой камеры, многолучевой лазерный плазмообразовател ь с системой формирования, фокусировки и сканирования лазерного излучения, синхронизированный с источником ускоряюще- го напряжения, от л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью снижения электропотребления, повышения плотности потока нейтронов в импульсе при уменьшении его длительности и увеличения ресурса работы генерато- ра, катод выполнен составным, состоящим из собственно катода в виде усеченного конуса, обращенного вершиной к аноду, и катодного электрода, и связан с источником ускоряющего напряжения через дополни- тельный электрод, изолированный от катодного электрода и размещенный совместно с последним в газовом промежутке, заполнен ным с возможностью обдува инертным газом при высоком давлении и образован- ным между вакуумной камерой и источником ускоряющего напряжения, выполненным в свою очередь в виде импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого включена между корпусом и

электродом формирующей линии, к которому и подсоединен дополнительный электрод, при этом дополнительный электрод и катод установлены в корпусе с возможностью их обогрева слабофокусированным лучом лазерного излучения, выполняя роль обострителей фронтов импульсов ускоряющего напряжения и электронного пучка соответственно, а многолучевой лазерный плазмообразователь снабжен средствами синхронизации процессов обогрева и плазмообразования с заданными интервалами задержек.

2. Генератор по п. 1 .отличающийся тем, что, с целью обострения фронта импульса электронного пучка и увеличения энергии электронов в начале импульса тока электронов, катодный изолятор выполнен из феррита, а катод - из графита.

3. Генератор по п.1, от л ича ю щи йся тем, что для обогрева катода использован один из лучей многолучевого плазмообразо- вателя.

„4. Генератор по пп.1 и 3, о т л и ч а ю - щ и и с я тем. что п л аэмообразователь выполнен с многоклинной оптической пластинкой, установленной в системе формирования лазерного излучения и разделенными системами фокусировки и сканирования лучей на .катод и плазмообразующие мишени.

5. Генератор попп 1, 3, 4, от л и ч а ю- щ и и с я тем, что количество плазмообразу- ющих мишеней выбрано более двух.

6. Генератор по пп.1, 3-5, о т л и,ч а ю- щ и и с я тем, что первая плазмообразую- щая мишень выполнена проводящей, электрически соединена с анодом, остальные на выбранных расстояниях друг от друга установлены на различном заданном расстоянии от оси дрейфовой камеры, изолированы от анода и задействованы совместно с первой на процесс плазмообразования с заданными временами задержек.

7. Генератор по пп.1, 4-6, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что вторая и последующие мишени снабжены ограничивающими и корректирующими в пространстве процесс плазмообразования от них щелевыми диафрагмами.

Использование: ядерная геофизика и другие области нейтронной техники. Сущность изобретения: генератор содержит импульсный разрядник на трансформаторе с наполнителем и электродом формирующей линии, соединенным с дополнительным электродом, составной катод, состоящий из катодного электрода и катода в виде усеченного конуса, размещенного вблизи пролетного отверстия торцового анода в вакуумной камере. Области размещения импульсного разрядника и анода герметично разделены изолятором-ферритом и имеют газовый промежуток с инертным газом при высоком давлении. В газовом промежутке размещены дополнительный электрод и катодный электрод. Дополнительный электрод и катод, а также ионообразующие мишени, расположенные в дрейфовой области вакуумной камеры, установлены с возможностью их облучения импульсами лазерного излучения, а электроды в газовом промежутке - с возможностью их обдува инертным газом. Генератор снабжён средствами для создания продольного магнитного поля, в зоне воздействия которого и установлены ионообразующие мишени. На внутренней поверхности камеры расположена нейтронообразующая мишень. Все процессы синхронизированы с заданными временами задержек с помощью средств синхронизации. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.