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

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

Целью изобретения является повышение потока генерируемых нейтронов при снижении электропотребления и габаритов генератора. Кроме того, целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем получения дополнительно ионного выхода.

На фиг. 1 представлена конструкция заявленного .генератора; на фиг.2 - геометрические параметры электродных систем.

На фиг. 1 показаны блок 1 питания импульсного разрядника, состоящего из импульсного трансформатора, формирующей линии и лазерного плазмообразователя, блок 2 импульсного питания антидинатор- ной магнитной системы, сердечники 3 двух- обмоточного трансформатора, изоляторы 4, электрод 5 формирующей линии импульсного разрядника, трансформаторный наполнитель 6, анод 7, ионообразующая мишень 8, дугообразный электрод 9, лазерная плазма 10 (ее контур), оптическое окно 11 для лазерного излучения, система 12 сканирования и. фокусировки лазерного излучения, импульсно-периодический лазер 13, спираль 14 магнитной системы, нейтронообразующая мишень 15, вакуумная камера 16,

00

ю о ю

сь

ы

система 17 вакуумирования (вакуумный насос), пульт 18 управления, корпус 19 нейтронного генератора, катодный носитель 20 нейтронорбразующей мишени, первая обмотка 21 трансформатора, вторая обмотка 22 трансформатора, канал 23 транспортировки ионов, механизм 24 разворота анодной мишени.

Согласно заявленному предложению в известный импульсный генератор нейтро- нов внесены конструктивные изменения, относящиеся, в частности, к выполнению магнитной антидинаторной системы импульсного разрядника.

Магнитная система выполнена в виде спирали 14 с радиусом Rc и длиной Ц и установлена между электродами 7 и 20 ионоускоряющей электродной системы в вакуумной камере 16 так, что ее спираль создает локализованное магнитное поле вокруг витков с прозрачностью порядка 90- 95%. Указанный фактор появляется, в частности, из-за влияния окружающего спираль катодного носителя 20 нейтронообразую

щей мишени, служащего в данном случае

короткозамкнутым витком. Спираль 14 располагают в центре электродной системы с охватом нейтронообразующей мишени 15 по ее длине LM, когда Ц LM.

Для создания импульсного ускоряюще- го напряжения на аноде 7 использован двухобмоточный трансформатор с сердечниками 3 из тонкого ферромагнитного железа, пермаллоя или другого аналогичного материала. Трансформатор использован с наполнителем 6, в качестве которого может служить масло, глицерин, деионизованная вода. В качестве формирующих разряд линий служат корпус 19 и электрод 5, соединенный с анодом 7, Зона расположения трансформатора с наполнителем изолирована от вакуумной камеры 16 и от окружающей среды изоляторами 4.

Трансформатор, таким образом, обеспечивает зарядообразующий потенциал на емкости из электродов 19 и 5 с диэлектриком в виде наполнителя 6, а при самом разряде - необходимый импульс ионбускоряющего напряжения в зоне электродов 7, 20. Благодаря синхронизирован- номулазерному облучению ионообразующей мишени 8 на аноде 7, соединенном с электродом 5 формирующей ли- нии, в зоне анода возникает плазма, способствующая предп робой ному разряду и, как следствие, обострению фронта импульса напряженности ускоряющего электрического поля. т.е. возникает режим извлечения и ускорения ионов от лазерной плазмы к катоду.

Генератор дополнительно содержит несколько дугообразных электродов 9, соединенных концевыми участками с анодом. Радиус дугообразного электрода гэд и средний радиус самой дуги Яд Ra, а также радиусы анода Ra и катода R« подбираются специальными.

Установлено, что наиболее благоприятный режим работы генератора устанавливается, если дугообразные электроды выбраны в количестве двух-трех, при диаметре электрода 9

d 2гэд 0.2-0,8 мм.

1:

Ra

Rc-Ra

«1

0,05 p pc 0-.20

Kc - Ka

Для создания вышеприведенных соотношений форму корпуса в зоне вакуумной камеры желательно выбрать типа Реал (см.фиг.2).

Устройство работает следующим образом.

С помощью системы 17 вакуумирования в камере 16 создают требуемой степени вакуум, а блоками 1 и 2 питания обеспечивают электрическое питание импульсного разрядника и спирали 14 магнитной системы. В заданный момент времени, формируемый с помощью пульта 18 управления, облучают ионообразующую мишень 8 импульсом лазерного излучения от источника этого излучения - лазера 13. Лазерное излучение фокусируется на поверхность мишени 8 и сканируется по ее поверхности с помощью системы 12 сканирования и фокусировки. Излучение попадает в вакуумную камеру через оптическое окно 11. Процессы зарядки импульсного разрядника, включение магнитной системы и лазерного облучения строго синхронизированы с помощью пульта 18 управления с заданными временами задержки.

При лазерном облучении мишени 8 возникает ионно-электронное образование - плазма. Чтобы получить требуемую ионную составляющую плазмы мишени насыщают соответствующими атомами или их соединениями (для бомбардировки нейтронообразующей мишени, например, BegTiD, ZrD, CD2). Распространяясь в вакуумной камере с соответствующим контуром фронта распространения (см.фиг.1, поз. 10), плазма как бы создает эффект расширяющегося анода, благодаря чему она выступает в роли спускового механизма импульсного разрядника.

Ионы плазмы под действием возникающего импульса высокой напряженности электрического поля ускоряются, приобре- тая соответствующую энергию и направление. Более конкретно дейтроны начинают бомбардировать нейтронообразующую мишень 15. Синхронно с ускоряющим импульсом через спираль 14 пропускают импульс тока. При этом в катодном носителе (например, на основе меди) возбуждается электрический ток, который своим магнитным полем запирает вторичные электроны в промежутке между мишенью 15 и спиралью 14. Запирание вторичных электронов в указанном промежутке позволяет в несколько раз уменьшить электронный ток на анод 7, что приводит к уменьшению электропотребления. Одновременно уменьшается степень разогрева системы анод-мишень и увеличивается, как следствие, ресурс указанной системы. Магнитное поле тока по спирали 14 запирает вторичные электроны, испускаемые и самой спиралью.

Проволочные дугообразные электроды создают нужное распределение электрического потенциала еще до образования лазерной плазмы, предотвращая тем самым фокусировку вторичных электронов на ионообразующей мишени при повышении напряжения на аноде (фронт нарастания напряжения на аноде обычно превосходит 20 мкс при полном напряжении U 1-2 мВ, а лазерная плазма и магнитная изоляция ра- ботают в течение 1 мкс). Кроме этого, такая система с прозрачным сеточным анодом работает как отражательный триол, где подавляется ток электронов в ускоряющей электронной системе.

Комбинированное запирание вторичных электронов в зонах обеих мишеней зна- чительно увеличивает изоляционные свойства ускорительной части генератора, позволяя уменьшить его габариты при увеличении параметров формируемых импуль- сных потоков нейтронов и уменьшении потребляемой энергии.

Исследованиями установлено, что при параметрах генератора Ra-0,5-2 см, Rc lO-12 CM, RK-11-14 см, (& 0,2-0,8 мм, ,8-1,2 мм. 12-20см, где dc-диаметр спирали 14; с - длина спирали, и накопительной емкости импульсного разрядника С-1000 пф можно получить импульсные потоки нейтронов 1010-1 01t нейтр/имп с длительностью 0.5-1 мкс и частотой следования импульсов 10-100 Гц при ресурсе не-- прерывной работы более 100 ч без замены

мишени. Причем данный генератор по сравнению с аналогами имеет повышенную безопасность из-за отсутствия радиоактивных, например тритиевых , мишеней.

В случае использования генератора в качестве ускорителя ионов он снабжается каналом 23 транспортировки ионов, механизмом 24 разворота анодной мишени в по- ложении, когда мормаль к мишени направлена вдоль оси канала транспортировки. В такой геометрии фронт распространения лазерной плазмы вытянут в сторону этой нормали, а ускоренные ионы приобретают преимущественное направление распространения вдоль канала транспортировки при значительном уменьшении потока нейтронов. Выбор материала ионообразующей мишени при этом обуславливается параметрами формируемого ионного . потока (зарядом, массой).

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Импульсный генератор нейтронов, содержащий ионоускоряющую систему, расположенную в вакуумированном корпусе цилиндрической геометрии, ионообразую- щую и нейтронообразующую мишени соответственно на аноде и катоде электродной системы, причем анод размещен на оси катода с радиусом RK, в качестве которого служит корпус, а мишень на его внутренней поверхности образует цилиндрический слой с длиной , лазерный плазмообразо- ватель с системой сканирования и фокусировки лазерного излучения на анодную мишень, импульсный разрядник, синхронизированный с лазерным плазмообразовате- лем и включенный между источником высоковольтного напряжения и ионоуско- ряющей электродной системой, антидина- торную магнитную систему, создающую магнитное поле в зоне формирования ионного потока, отличающийся тем, что, с целью повышения потока генерируемых нейтронов при снижении электропотребления и габаритов генератора, в качестве магнитной системы использована спираль длиной LC и радиусом Rc, установленная внутри катода, служащего короткозамкну- тым витком вокруг спирали, симметрично оси катода и его части с нейтронообразую- щей мишенью при условии Ц LM, анод снабжен дополнительно дугообразными проволочными электродами, установленными внутри спирали в центре симметрии при заданном соотношении геометрических параметров Ra, Rc, RK. причем Ra определяется радиусом конструкции из дугообразных электродов, а импульсный разрядник выполнен в режиме лазерно-плазменной разрядки в зоне электродной системы, для чего

внутри корпуса в смежной с зоной электродной системы сформирована изолированная от нее разрядообразующая зона, содержащая двухобмоточный импульсный трансформатор с наполнителем в качестве источника высоковольтного напряжения и внутренний электрод формирующей линии, закрепленный на изоляторе, продолжением которого служит анод электродной системы. 2. Генератор по п. 1,отличающийся тем, что геометрические параметры заданы условиями

ft К

«1;

R.

Re-Re

«1;

0,5

3. Генератор по п.1, от л ича ю щи йся тем, что дугообразные проволочные элект- . роды выбраны в количестве 2-3 с радиусом Гад 0,1-0,4 мм.

4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя трансформатора использовано масло либо глицерин, либо деионизованная вода.

5. Генератор по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем дополнительного получения ионного выхода, генератор снаб- жен каналом транспортировки ионов, При этом нормаль к ионообразующей мишени направлена вдоль оси канала, а сама мишень расположена осесимметрично по отношению к каналу транспортировки и содержит атомы требуемых ионов.

Использование: ядерная геофизика и другие области нейтронной техники. Сущность изобретения: генератор содержит импульсный двухобмоточный трансформатор, совмещенный с формирующей линией с наполнителем, электрод формирующей линии которого соединен с анодом, на котором установлена ионообразующэя мишень. Анод снабжен дугообразными электродами и размещен в зоне вакуумной камеры генератора с цилиндрическим корпусом . Симметрично с дугообразными электродами на внутренней поверхности корпуса-катода установлена нейтронообразующая -мишень. Между,анодом и катодом установлена анти- динаторная магнитная система в виде спирали заданного диаметра. Генератор снабжен источником лазерного излучения с системой его фокусировки на мишень и сканирования излучения по ее поверхности, а также каналом транспортировки ускоренных ионов. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.