Импульсный генератор нейтронов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 1820945 9) 21 04(02, Н 05 Н 5/О И РЕ ПДТЕНТУ 2 ГОСУДАРСТВЕН ЮЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(76) К,И.Козловский и И.К.Новиков (56) 1, Патент ФРГМ 1764117,кл. Н 05 Н 5/00, 1970.2, Авторское свидетельство СССРВ 1128753, кл. Н 05 Н 5/ОО, 1983.(54) ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ(57) 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 Изобретение относится к нейтронной технике, к области конструирования средств формирования потоков нейтронного излучения и может быть использовано в ядерной геофизике, в нейтронно-активационном 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 чер- . теже. 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 сйабжен 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. Генератор содержит герметизированный цилиндрический корпус 1. Корпус разделен на ряд зон, в каждой из которых размещены свои средства функционирования. Одна из зон сформирована двухобмоточным 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, 1820945деионизованная вода. Обмотки трансформатора электрически соединены с корпусом и блоком 9 импульсного питания, Изоляторы 7, 8 закреплены герметично в корпусе.Катод состоит из катодного электрода10 и самого катода 11 и закреплен герметично в катодном изоляторе 12, В изоляторе 8 закреплен дополнительный электрод 13, от. деленный от катодного электрода 19 газовым промежутком 14, заполненным инертным газом (например, азотом), при высоком давлении (порядка 20 зтм). Катодный электрод 10 соединен с массой через индуктивность (на чертеже не показана) или феррит 12 в случае его достаточной проводймости. В газовом промежутке 14 установлено средство 15 конвектирования газа (например, вентилятор), Дополнительный электрод 13 и катодный электрод 10 с газовым промежутком образуют вторую зону, герметично изолированную от зоны расположения трансформатора.Причем дополнительный электрод 13 является продолжением электрода 6 формирующей линииВ корпусе второй эоны 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; 8 вакуумной камере установлен анод 21, выполненный а 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 кагод 11 установлены соосно оси генератора, причем вершина катода 11 расположена вблизи пролетного отверстия 22, Заанодом на заданных расстояниях от оси генератора, на выбранных расстояниях друг от. друга расположены нлазмообразующиемишени 23, первая из которых выполнена из проводящего материала и установлена вслед за анодом 21 в электрическом контакте с ним. Остальные установлены изолироавнно от анода на средствах 24 их фиксации (например, проволочки в виде спирали).Часть вакуумной камеры 20 образуетдрейфовую камеру 25. В зоне дрейфовой камеры в корпусе также выполнено оптическое окно 26 для лазерного излучения. Для облучения мишеней 23, а также катода 11генератор содержит лазер 27, отражающее зеркало 28 многоклинную оптическую пластинку 29 и систему 30 фокусйровки и сканирования лазерного излучения (в данном случае для всех мишеней сразу). Вокруг мишеней 23 по корпусу установлены магнитные фокусирующие линзы 31. Вакуумная 5 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 отно сительно оси установлена нейтронообразующаяионная мишень 34. Для синхронизации процессов разрядообразования, облучения лазерным излучением дополнительного электрода 13. катода 11, 15 мишеней 23 с заданными временами задержек генератор содержит пульт 35 управления.Импульсный генератор нейтронов работает следующим образом.20 8 результате специально подобранногорежима разряда возникает. взрывная эмиссия и на катоде 11. образуется плазма. До образования этой плазмы импульсом лазерного излучения.облучзют первую из ионооб разующих мишеней 23, благодаря чему кмоменту. взрйвной катодной эмиссии у анодного отверстия 22 появляется сгусток. лазерной плазмы с поверхностью, близкойк плоской. Это способствует формированию 30 электронного пучка вдоль оси генератора.Выполненйе катодного изолятора илиего части иэ ферритз. а катода. из графита, предварительно облучен ного лазером. способствует существенному обострению 35 фронта импульса электронного пучка и увеличению энергии электронов в начале им.пульса тока электронов.Электроны из кзтодной плазмы ускоряются к плоскому лазерно-плазменному 40 "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 45 облако. Благодаря средствам синхронизации с помощью пульга 35 управления и одного из лучей системы плазмообразователя (27-30) к моменту запирания электронного пучка плазменный сгусток от второй мише ни достигает центральной осевой зоны ивзаимодействует с электронным пучком, Благодаря этому взаимодействию объемный заряд электронного облака пучка компенсируется плазмой источника ионов 55, (второй миц;ени 23) и электроны начинаютдвигаться, ускоряя ионы вдоль оси генератора. Этому способствует воздействие на электронное облако магнитного поля фокусирующих линз 31. Регулируя количество ионов во втором лазерном сгустке в местезапирания 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 Ве й, и/Во, Т/б, и/Не или Д/о, и/Нез под воздействием соответствующих ускоренных ионов на ней тронообрззующей мишени 34; установленной нз 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 предязгаемом генераторе системы лазерных ооострителей фронтов импульсов ускоряющего напряжения и электронного пучка, Это стало возможным благодаря введение е генератор второй зоны с дополнительныМэлектродом 13 и.катодным электродом 10, отделенных. друг от друга газовйм промежутком 14,. До накопления на импульсном разряднике пробойного заряда (разрядник можно представить как емкость междуэлектродами - корпусом 1 и.электродом 6 формирующей линии с диэлектрической жидкостью 5) дополнительный. электрод 13 облучают слзбофокусированным лазерным излучением с помощью системы элементов 17-19,16. 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 плззмообразователя). В результате предварительного облучения катода и взрывной эмиссии формируется импульс электронно-. го пучка также с укороченным фронтом. Этому процессу способствует и форма катода в виде усеченного конуса, его расположение заостренным концом вблизи анодного отверстия 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 фронтовимпульсов ускоряющего напряжения и пучка электройов удается резко изменитьспектр ускоренных ионов в.сторону увеличения. Экспериментальные данные показы 10 вает, что увеличение возможно в 2-3 раза иболее без потери количества самих ионов впотоке. Уменьшается длительность фронтов. импульсов и увеличивается коэффициентпреобразования энергии электронного пуч-15 кайевэнергиюионногопучкайс 3 до 10и более.В качестве материала плазмообразующих мишеней возможно использование ТО,КгО, нейтронообразующей мишени - Ве, О,20 Тидр.Дальнейшее увеличение энергии ионови, как следствие, ресурса ионообразующеймишени в заявленном предложении осуществляют с помощью мишеней, выбираемых25 в количестве более двух. Каждая последующая мишень работает в режиме второй, по. зволяя тем самым снизить нагрузку, накаждую иэ них в отдельности и увеличиваяэффект Разгона ионов30 Синхронизацию процессов плазмообразования на мишенях можно осуществитьпутем подборз различной степени фокусировки лучей.на мишени и путем подборарасстояний между мишенями и осью дрей 35 фовой камеры. С другой стороны, для ограничения е пространстве процессаплазмообразования на мишенях 23 вторуюи последующие мишени предпочтительноснабжать щелевыми диафрагмами (на чер 40 теже не показаны).Генератор предполагает наличие технических параметров - для электронного пучка: Ее - 200-500 КзВ 1 - 5-15 кА, т= 10-30нс, Ф2 нс, 1 следдо 50 Гц, где Ее-энергияэлектронов; 1 - ток пучка; т- длительность45 импульса; гф - длительность фронта электронного пучка; Ьсппд - частота следованияимпульсов.ДлЯ нейтРонов Ип " 109-101 онейтр/имп: саед до 50 Гц; тимп - 8-15 нс,50 энергия нейтронов равна 0,8-2,5 МэВ.Используются ядерные реакции типаД+Д(Еп 2,5 МЭВ), Т+Д(Еп = 14 МЭВ),Ве+Д (Еп фф 0.5-8 МэВ) и т.д.Ресурс использования порядка 10 раз,55 новозможноувеличениедо 10 иболее раз.Ширина ионного пучка нз нейтронообразующей мишени порядка Фмм, раСходимость пучка 6 200, 1820945Как следует из приведенных данных, технические параметры заявленного генератора значительно лучше таковых известного генератора. Повышенный КПД преобразования позволяет снизить его энергопотребление. Формула изобретения 1. Импульсный генератор нейтронов, содержащий герметизированный цилиндрический 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 ка,меры, образованной внутри корпуса герметичной установкой катодного изолятора, и цилиндрическую камеру дрейфа, располО- женную зэ анодом сооснос вакуумной камерой, плазмообрэзующие мишени, первая из которых установлена непосредственно за анодом, а вторая - вдоль оси вслед за первой на заданном расстоянии от анода, нейтронообраэующую мишень на внутренней поверхности дрейфовой камеры, многолучевой лазерный плэзмообрэзовэтель с системой формирования, фокусировки и сканирования лазерного излучения, синхронизированный с источником ускоряющего напряжения, о т л и ч э ю щ и й с я тем, что, с целью снижения злектропотребления,повышения плотности потока нейтронов в импульсе при уменьшении его длительности и увеличения ресурса работы генератора, катод выполнен составным, состоящим из собственно катоде в виде усеченного конуса, обращенного вершиной к аноду, и катодного электрода, и связан с источником ускоряющего напряжения через дополнительный электрод, изолированный от кэтодного электрода и размещенный совместно с последним в газовом промежутке, заполненным с возможностью обдува инертнымгазом при высоком давлении и образованным между вакуумной камерой и источником ускоряющего иэпряжения, выполненным е свою очередь ввиде импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого включена между корпусом и электродом формирующей линии, к которому и подсоединен дополнительный электрод, при этом дополнительный электрод икатод установлены в корпусе с возможно 5 стью их "обогрева" слабофокусированнымлучом лазерного излучения, выполняя рольобострителей фронтов импульсов ускоряющего напряжения и электронного пучка соответственно, а многолучевой лазерный10 плазмообразователь снабжен средствамисинхронизации процессов "обогрева" иплазмообрээования с заданными интерва,лами задержек.2. Генератор по п.1,отл ич а ю щи йся15 тем, что, с целью обострения фронта импульса электронного пучка и увеличения энергииэлектронов в начале импульса тока электронов, кэтодный изолятор выполнен из феррита. а катод - из графита,20 3. Генератор поп.1,отл ича ющи йсятем, что для"обогрева" катода использованодин из лучей многолучевого плазмообразовэтеля,.4, Генератор по пп.1 и 3, о т л и ч а ю 25 щ и й с я тем,.что плазмообразовательвыполнен с многоклинной оптической пластинкой, установленной. в системеформирования лазерного излучения и разделенными системами фокусировки и ска 30 нирования лучей на, катод иплазмообразующие мишени.5. Генераторпопп 1,3,4,отличающ и й с я тем, что количество плазмообраэующих мишеней выбрано более двух.35, 6. Генератор по пп 1, 3-5, о т л и, ч а ющ и й с я тем, что. первая плазмообразующая мишень выполнена проводящей, элект: рически соединена с анодом, остальные навыбранных расстояниях друг от друга уста,40 новлены нэ различном заданном расстоянии от оси дрейфовой камеры, изолированыет анода и задействованы совместно с первой на процесс плазмообразования с заданными временами задержек,45 7, Генератор по пп.1, 4-6. о т л и ч а ющ и й с я тем, что вторая и последующиемишени снабжены ограничивающими и корректирующими в пространстве процессплазмообрэзования от них щелевцми диаф 50 рэгмами.1820945Составитель Н.Козловский едактор Техред М.Моргентал Корректор Н.Кеш аказ 2042 Тираж подписное ВНИИПИ Государственного комитета до изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб., 4/5роиЗводственно-издательский омбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина,