Импульсный генератор нейтронов (его варианты)

(а /2 Щ)+1 критический е 9 ол каналиания; ц(а на.ногоа,. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте(57) 1. Импульсный генератор нейтронов, содержащий последовательно расположенные источник пучка ионов водорода, систему формирования пучка, нейтроннообразующую мишень, выполненную в виде кристаллической пластины8010568 отличающ целью увеличения кристаллическая графические плос рованы параллель верхности, равно усом К= 1;, иуст 1 от источника 9 между облучае осью генератора жению и и с я тем, что, свыхода нейтронов,пластина,кристаллокости которой ориентино ее облучаемой померно изогнута с радиановлена на расстоянииионов так, что уголмой поверхностью иудовлетворяет выравысота потенциальног барьера в кристалле; величина потенциала половине межплоскост потенциала кристалла1052. 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, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью увеличения выхода нейтронов, мишень выпол - иена из материала в виде бинарного соединения элемента с атомным номером И с дейтерием или тритием, равномерно изогнута с радиусом К = В и установлена на расстоянии 3 от ис где- критический угол каналирования для этого направления;- атомный номер дейтерия или трития,6867точника так, что угол 6 между осью генератора и ее кристаллографическнм направлением, для которого чередуются атомные оси или плоскости, каждая из элемента с одинаковым атомным номером Е, или К , удовлетворяет выражению30 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 0 или тритиевой Т мишенями.Реакция Р(й, и) Не экзотермическая и часто используется для получения нейтронов с энергией больше ЗМэВ. Сечение реакции при малых энергиях определяется проницаемостью кулоновского барьера и резко растет с увеличением энергии дейтрона от 10 см при энергии 0,01 МэВ до-гб10 см при энергии 0,08 Мэв, достигая максимума 10 см при энергии44 около 2 МэВ. Реакция Т(й, и) Не позволяет получить моноэнергетические нейтроны с энергиями до 30 МэВ. В ходе сечения реакции ТИ, п)Не имеется резонанс при энергии дейтрона 0,11 МэВ с максимальным значением сечения 510 см 2.Такое большое сечение делает эту реакцию особенно удобным источником моноэнергетических нейтронов с короткими длительностями импульсов.Средний выход нейтронов доходит до 10 ф нейтр /с при максимальном мгноЙвенном выходе до 2 10 нейтр/с.Наиболее близким к изобретению является импульсный генератор нейт ронов, содержащий источник коллимированного пучка дейтронов и монокристаллическую мишень, включающуюдейтерий или тритий, которая ориентирована под углом 6 = Ч своейкристаллической осью или плоскостьюотносительно оси пучка дейтронов,где- критический угол каналирования.Принцип работы такого устройствазаключается в том, что при углахпадения дейтронов 6 =вдоль атомных осей или плоскостей, заселяютсясостояния каналируемых дейтроноввблизи вершины потенциального барьера, что приводит к преимущественнойлокализации налетающих частиц вобласти высокой плотности ядер дейтерия или трития и увеличению выходатермоядерных реакций. При этом допустимая область угловой расходимости пучка дейтронов для захвата врежим околобарьерного каналирования определяется как й 6 =УП/ Г 2 Т==у/20,где 0 - поперечная амплитуда тепловых колебаний атомов;г - радиус. боровской орбиты,= (Чо/Е,)",Ч - высота потенциальногобарьера;Е, - энергия дейтронов.Поскольку для кристаллических поверхностей и осей с малыми индексами высота потенциального барьера Ч,1056867 Е: у (К /К ) "/г нх 30где Ч , - критический угол каналирования для этого направления;Е 1 - атомный номер дейтерия илитрития .На фиг. 1 представлена схема предлагаемого генератора, первый вариант;на фиг. 2 - то же, второй вариант.Схема содержит пучок 1 дейтронов, 40 систему 2 для формирования пучка,выполненную, например, в виде коллиматора с угловой расходимостью ь 9кристаллическую мишень 3, содержащуюдейтерий или тритий, которая закреп лена в специальном электромеханическом устройстве для ориентации и изгиба кристаллической пластины относительно оси падающего пучка. Кристалл вырезан в виде прямоугольнойпластины так, что его главные кристаллографические плоскости лежатстрого вдоль его рабочей поверхности.Кристаллическая мишень установленасвоей рабочей поверхностью.под уг лом 8 = сотносительно оси пучкадейтронов. Здесь величина с == (БИ/2)1 о ) + 1, где По - высотапотенцйального барьера, а 0(йр/2) 2 эВ и Ч 10 эВ, то для нейтроновоос энергией Е 0,11 ИэВ имеем крио фотический угол для плоскости 9 = О,Ьо кр фи для оси у1,5 и соответственно допустимый угловой разброс пучкаь 9 = 0,03 и ь Ио - 0,07 . ПРи этом .пРодольная монохроматичность пучка должна быть не хуже ЬЕ/Е, = 4 Ь 6 /В"- 0,2.Недостатком такого устройстваявляется то, что при захвате дейтронов и надбарьерные состояния приугле падения 8 = (у относительноатомных осей или плоскостей заселяется широкая зона Ь Е; поперечныхэнергий околобарьерного состояния.Кроме того, ширина зоны даже дляпараллельного пучка дейтронов составляет Ь Е = Е+ Ч(х,), т.е. зависит от положения х точки влета час 1тицы в кристалл относительно атомнойплоскости. Величина х; лежит в пределах от 0 до д/2, где й- расстояние между атомйыми плоскостями,поэтому имеем ьЕ = 2 Е 1. Крометого, ЬЕ зависит от угловой расхо 2 2димости пучка Ь 9, д Е =2 Е(+Еьдкоторая не является малой .с самогоначала, а с глубиной кристалла ещевозрастает вследствие многократногорассеяния дейтронов. При большойширине эоны ЬЕ дейтроны потолка зоныбудут слабее взаимодействовать сядрами кристалла, чем дейтроны дназоны поперечных энергий. Учет расплывания зоны ЬЕ объясняет причину,почему прямое использование эффектаканалирования дейтронов в околобарьерных состояниях не позволяетдостигнуть ожидаемую величину повышения выхода термоядерных нейтроновдля всего пучка,Целью изобретения является увеличение выхода нейтронов.Цель достигается тем, что в импульсном генераторе нейтронов, содержащем последовательно расположенныеисточник пучка ионов водорода, систему формирования пучка, нейтронообразующую мишень, выполненную в видекристаллической пластины, кристаллическая пластина, кристаллографическиеплоскости которой ориентированы параллельно ее поверхности, равномерно изогнута с радиусом. К=3 ди установлена на расстоянии 1 отисточника так, что угол 6 между об"лучаемой поверхностью и осью генератора удовлетворяет выражению:= Сц(а,/г) ВД" у,где- критический угол каналироквания;Ц - высота потенциальногообарьера в кристалле;БЯ /2)- величина потенциала на поРловине межплоскостногопотенциала кристалла ЙКроме того, в импульсном генераторе нейтронов, содержащем последо вательно расположенные источник пучка ионов водорода, систему формирования пучка, нейтронообразующую мишень,выполненную в виде кристаллическойпластйны, кристаллографические оси 15 которой ориентированы нормально кее поверхности, мишень выполнена ввиде бинарного соединения элементас атомным номером Е с дейтериемили тритием, равномерно изогнута с 20 радиусом К= 1 и установлена на рассто.янии 3 от источника так, что угол Вмежду осью генератора и ее кристаллографическим направлением, для которого чередуются атомные оси или 25 плоскости, каждая из элемента содинаковым атомным номером Е, илиЕ удовлетворяют выражениюь5величина потенциала на половинемежплоскостного потенциала Йр. Для плоскостного потенциала П=. 2 п 2 Ы /Кй, где Е - атомный номер йр о суть плотности атомов в плоскости. Отсюда, величина константы с й 0,3 для (100) атомной плоскости кристалла ЬхР. Радиус изгиба пластины выбирается из условия ее упругой деформации и не должен превьппать величины 1000 ЬС, где Ь С - ее толщина, Для производства изгиба кристаллической пластины использовано устройство Боровского-Гильварга с двумя изгибающими опорными цилинд рами. Требуемый радиус изгиба пластины равен К = 3 у , где- расстояние от источника дейтронов до кристаллической пластины, 6 = Й/АО . Здесь Й - поперечньпЪ размер лучка дейтронов на мишени, а=1,2 10рад для дейтронов с энергией Е = 0,13 МэВ, Отсюда для поперечного размера пучка й = 1 мм и радиус изгиба должен быть К - 2,2, при д 9 = 31 и Км 25при дд = 10 1 . Соответственно расстояние пластины от источника будет2,5 см и 1 см, Поскольку условие упругого изгиба выполняется при толщине мишени Ь10К, то соответствующие толщины пластины при ее длине Ь =. 8 см должны быть Ьй - 0,2 мми д 8 = 0,08 мм. Из условия взаимо-.действия .пучка дейтронов с поверхностными слоями мишени следует, чтопредельно допустимые токи ускорительной трубки в этом случае в ( 1 разбольше, чем в случае облучения мишени пучком дейтронов при нормальномпадении пучка, что позволяет исполь.эовать пучки дейтронов с плотностьючастиц в 100 раз больше. 1056 867 1 О 1Схема нейтронного генератора по второму варианту содержит пучок 1 дейтронов, систему 2 коллиматоров для формирования пучка с угловым раствором д 9 и изогнутую кристаллическую пластину 3 - мишень. Кристаллическая пластина выполнена из материала в виде бинарного соединения элемента с атомным номером К с дей терием или тритием (атомный номер ,Е 1). В качестве кристаллической мишени, например, используем бинарные соединения ЬР илиЬТ, имеющие простую кубическую структуру решетки.Кристаллическая мишень выполнена длиной Ь и толщиной ьг. 10К таким образом, что ее кристаллографические направления, в которых чередуются атомные оси или плоскости, каждая из элемента - с одинаковым К или иэ дейг терия (трития) с атомным номером Е направлены строго нормально к ее рабочей поверхности. Кристаллическая пластина ориентирована к оси падающего пучка таким образом, что гол ориентации составляет О =Е, /Егг относительно атомных рядов или плоскостей (например, для (110) ЬР имеем 9 = 0,6411) и затем изогнута таким образом, что К = Ф, где В - расстояние до пластины от источника дейтронов. Требуемый радиус изгиба К для пластины длиной Ь = 12 см составляет К = 2,5 и для угла раствора коллиматора д 8 = 4и К = 1 м для д 8 = 10. Зтому условию удовлетворяют толщины кристаллической мишени д й = 2,5 мм и д = 10 мм соответственно.Физический принцип работы предла, гаемого 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 выражением ЕЕ 1 ЕО г + Щх, ) . Поскольку координатавлета частицы в поле всегда равняется расстоянию действия поля вне кристалла, имеет П(х;) й 0 и ширина зоны поперечных энергий д Е полностью определяется угловым расхождением Ьо пучка частиц дЕ = Е д 8, т.е. шириг на зоны поперечных энергий гораздо меньше, чем соответствующая величина дЕ = 2 Е + Е д 9 в прототипе.За счет уменьшения ЬЕ существенно возрастает вероятность близких взаимодействий дейтронного пучка с узлами решетки кристалла, в которых локализованы ядра Р 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 = с 111. Поэтому ЬЕ -0 и все частицы пучка проходят кристалл в околобарьерном состоянии с ЕА = Е, что еще больше увеличивает