RU143417U1

RU143417U1 - PULSE NEUTRON GENERATOR

Info

Publication number: RU143417U1
Application number: RU2014107319/07U
Authority: RU
Inventors: Евгений Дмитриевич Вовченко; Антон Алексеевич Исаев; Константин Иванович Козловский; Дмитрий Дмитриевич Пономарев; Александр Евгеньевич Шиканов
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2014-07-20

Abstract

Импульсный генератор нейтронов, содержащий источник высоковольтного питания, высоковольтный трансформатор, конденсатор и нейтронную трубку с катодом, включающим нейтронообразующую мишень, и двухэлектродным анодом, состоящим из пустотелого цилиндрического электрода и лазерной мишени внутри этого цилиндра, при этом лазерная мишень соединена с цилиндрическим электродом через первичную, вторичную обмотки трансформатора и через конденсатор, причем вторичная обмотка выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с конденсатором и первичной обмоткой, а выход - с цилиндрическим электродом и лазерной мишенью, отличающийся тем, что цилиндрический электрод выполнен из постоянного магнита, намагниченного по высоте до величины индукции 0.3<В<0.6 Тл, причем цилиндрический электрод соединен через вторичную обмотку трансформатора с положительным выводом высоковольтного источника.A pulsed neutron generator containing a high-voltage power supply, a high-voltage transformer, a capacitor and a neutron tube with a cathode including a neutron-forming target, and a two-electrode anode, consisting of a hollow cylindrical electrode and a laser target inside this cylinder, while the laser target is connected to the cylindrical electrode through the primary the secondary winding of the transformer and through the capacitor, and the secondary winding is made in the form of a two-wire line, the input of which is connected to the condensation torus and primary winding, and the output with a cylindrical electrode and a laser target, characterized in that the cylindrical electrode is made of a permanent magnet magnetized in height to an induction value of 0.3 <B <0.6 T, and the cylindrical electrode is connected through the secondary winding of the transformer with a positive terminal high voltage source.

Description

Полезная модель относится к области прикладной ядерной физики, конкретно, к устройствам для генерации импульсных нейтронных потоков, предназначенных для использования в прикладных задачах науки и техники, например, для геофизических применений.The utility model relates to the field of applied nuclear physics, specifically, to devices for generating pulsed neutron fluxes intended for use in applied problems of science and technology, for example, for geophysical applications.

Известен импульсный генератор нейтронов (ИГН), содержащий нейтронную трубку с лазерно-плазменным источником дейтронов и ускоряющей электродной системой, высоковольтный трансформатор и конденсатор [1]. При воздействии лазерного излучения на мишень, охватываемую анодным электродом, и приложении к электродам нейтронной трубки импульса высокого напряжения осуществляется взаимодействие ускоренных дейтронов с нейтронобразующей мишенью на катоде, где в результате ядерных реакций синтеза образуется поток быстрых нейтронов. Синхронизация между импульсом ускоряющего напряжения и импульсом лазера, воздействующего на мишень, обеспечивается за счет того, что высоковольтный блок содержит расположенный перед трубкой на оптической оси системы лазерный разрядник - коммутирующий элемент, срабатывающий под действием лазерного импульса. При работе в частотном режиме на таком устройстве можно получить нейтронный поток до 10¹¹ нейтронов/секунду. Однако неизбежное присутствие статистического разброса времени срабатывания лазерного разрядника по отношению к процессам формирования и разлета плазмы на лазерной мишени ограничивает точность синхронизации и влияет на стабильность нейтронного выхода. Кроме того, наличие в указанном ИГН лазерного разрядника усложняет конструкцию и снижает технологичность применения в прикладных задачах.Known pulsed neutron generator (GII), containing a neutron tube with a laser-plasma source of deuterons and an accelerating electrode system, a high voltage transformer and capacitor [1]. When laser radiation acts on a target covered by an anode electrode and a high voltage pulse is applied to the electrodes of a neutron tube, accelerated deuterons interact with a neutron-forming target at the cathode, where a flux of fast neutrons is formed as a result of nuclear fusion reactions. The synchronization between the accelerating voltage pulse and the laser pulse acting on the target is ensured by the fact that the high-voltage block contains a laser spark gap located in front of the tube on the optical axis of the system — a switching element that is triggered by the laser pulse. When operating in the frequency mode on such a device, a neutron flux of up to 10 ¹¹ neutrons / second can be obtained. However, the inevitable presence of a statistical spread in the response time of the laser spark gap with respect to the processes of plasma formation and expansion on the laser target limits the accuracy of synchronization and affects the stability of the neutron yield. In addition, the presence of a laser spark gap in the specified IIG complicates the design and reduces the manufacturability of application in applied problems.

Этого недостатка лишен импульсный генератор нейтронов, содержащий нейтронную трубку с анодным электродом, охватывающим лазерную мишень, высоковольтный трансформатор и конденсатор, при этом лазерная мишень соединена с анодным электродом через первичную обмотку трансформатора и конденсатор таким образом, что вместе они образуют последовательный контур [2]. В данном устройстве отпадает потребность в лазерном разряднике, так как коммутация элементов последовательного контура происходит автоматически через пространство между лазерной мишенью и анодом при его заполнении лазерной плазмой. За счет этого достигается повышение стабильности работы нейтронного генератора и упрощение конструкции. Однако реализация малогабаритного варианта такого ИГН, в частности, для нужд ядерной геофизики, сопряженная с рядом трудностей. Наличие на катоде импульса высокого напряжении усложняет конструкцию генератора, поскольку требует обеспечения надежной изоляции катода с нейтронобразующей мишенью от элементов ИГН, находящихся под потенциалом земли. В свою очередь, это увеличивает габариты нейтронной трубки, удаляет нейтронобразующую мишень от облучаемых образцов и затрудняет применение методов магнитной изоляции, ограничивая тем самым повышение эффективности и технологичности применения генератора.This drawback is deprived of a pulsed neutron generator containing a neutron tube with an anode electrode covering a laser target, a high-voltage transformer and a capacitor, while the laser target is connected to the anode electrode through the primary winding of the transformer and the capacitor so that together they form a serial circuit [2]. This device eliminates the need for a laser spark gap, since the switching of the elements of the serial circuit occurs automatically through the space between the laser target and the anode when it is filled with laser plasma. Due to this, an increase in the stability of the neutron generator and simplification of the design is achieved. However, the implementation of a small-sized version of such a GII, in particular, for the needs of nuclear geophysics, is associated with a number of difficulties. The presence of a high voltage pulse at the cathode complicates the design of the generator, since it requires reliable isolation of the cathode with the neutron-forming target from the GIN elements that are under the ground potential. In turn, this increases the dimensions of the neutron tube, removes the neutron-forming target from the irradiated samples and complicates the use of magnetic isolation methods, thereby limiting the increase in the efficiency and manufacturability of the generator.

Этого недостатка лишен импульсный генератор нейтронов [3], содержащий нейтронную трубку с анодным электродом, охватывающим лазерную мишень, высоковольтный трансформатор и конденсатор. В этом устройстве лазерная мишень соединена с анодным электродом через вторичную и первичную обмотки трансформатора и конденсатор. При этом вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с конденсатором и первичной обмоткой, а выход - с анодным электродом и лазерной мишенью. Такое последовательное соединение элементов образует разрядный контур, коммутация которого осуществляется через промежуток между лазерной мишенью и анодом при его заполнении лазерной плазмой. В результате на анодном электроде относительно катода, который в этом случае можно заземлить, формируется высоковольтный импульс ускоряющего напряжения. Тем самым генератор не требует применения высоковольтной электроизоляции нейтронобразующей мишени. В устройстве также автоматически синхронизуется работа источника дейтронов и подача импульсного напряжения на анод.This drawback is deprived of a pulsed neutron generator [3] containing a neutron tube with an anode electrode covering a laser target, a high-voltage transformer, and a capacitor. In this device, the laser target is connected to the anode electrode through the secondary and primary windings of the transformer and the capacitor. The secondary winding of the transformer is made in the form of a two-wire line, the input of which is connected to the capacitor and the primary winding, and the output to the anode electrode and the laser target. Such a series connection of elements forms a discharge circuit, the switching of which is carried out through the gap between the laser target and the anode when it is filled with laser plasma. As a result, a high-voltage accelerating voltage pulse is formed on the anode electrode relative to the cathode, which in this case can be grounded. Thus, the generator does not require the use of high-voltage electrical insulation of a neutron-forming target. The device also automatically synchronizes the operation of the deuteron source and the supply of a pulse voltage to the anode.

Однако наблюдается большой угол разлета лазерной плазмы, низкий ресурс импульсного генератора нейтронов из-за недостаточной эффективности использования плазмообразующей мишени, так как не все испаряемые с лазерной мишени атомы вовлекаются в ускорительный процесс.However, there is a large angle of expansion of the laser plasma, a low resource of a pulsed neutron generator due to the insufficient efficiency of using a plasma-forming target, since not all atoms evaporated from the laser target are involved in the acceleration process.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении ресурса импульсного генератора нейтронов за счет более эффективного использования вещества плазмообразующей мишени импульсного нейтронного генератора.The technical result of the proposed utility model is to increase the resource of a pulsed neutron generator due to more efficient use of the substance of the plasma-forming target of a pulsed neutron generator.

Этот результат достигается тем, что в известном устройстве импульсного генератора нейтронов [3], включающем источник высоковольтного напряжения, высоковольтный трансформатор и нейтронную трубку с катодом, содержащим нейтронообразующую мишень, и анод, состоящий из полого цилиндрического электрода и лазерной мишени, размещенной внутри него, полый цилиндрический электрод анода выполнен из постоянного магнита, намагниченного вдоль оси анода до величины индукции 0.3<В<0.6 Тл, причем полый цилиндрический электрод соединен через вторичную обмотку высоковольтного трансформатора с положительным выводом источника высоковольтного напряжения.This result is achieved by the fact that in the known device of a pulsed neutron generator [3], including a high voltage source, a high voltage transformer and a neutron tube with a cathode containing a neutron-forming target, and an anode consisting of a hollow cylindrical electrode and a laser target placed inside it, a hollow the cylindrical electrode of the anode is made of a permanent magnet magnetized along the axis of the anode to an induction value of 0.3 <B <0.6 T, and the hollow cylindrical electrode is connected through a secondary a high-voltage transformer with a positive terminal of a high-voltage voltage source.

Конкретный пример реализации полезной модели представлен на фигуре 1. Импульсный генератор нейтронов состоит из источника высоковольтного напряжения 1; конденсатора 2; высоковольтного трансформатора с первичной 3 и вторичной 4, выполненной в виде двухпроводной линии, обмотками; цилиндрического электрода анода 5, выполненного из постоянного магнита; второго электрода анода 8, являющегося одновременно лазерной мишенью; катода 6 с нейтроноообразующей мишенью 7; фокусирующего устройства 9; лазера 10.A specific example of the implementation of the utility model is presented in figure 1. The pulsed neutron generator consists of a source of high voltage voltage 1; capacitor 2; high voltage transformer with primary 3 and secondary 4, made in the form of a two-wire line, windings; a cylindrical electrode of the anode 5 made of a permanent magnet; the second electrode of the anode 8, which is simultaneously a laser target; cathode 6 with a neutron-forming target 7; focusing device 9; laser 10.

В данном устройстве вторичная обмотка 4 выполнена в виде двухпроводной линии, вход которой соединен с потенциальными выводами конденсатора 2 и первичной обмотки 3, а выход - с двумя электродами анода - цилиндрическим электродом, выполненным из постоянного магнита 5 и вторым электродом - лазерной мишенью 8. Цилиндрический электрод, лазерная мишень и двухпроводная линия вторичной обмотки вместе с конденсатором и первичной обмоткой составляют последовательный контур.In this device, the secondary winding 4 is made in the form of a two-wire line, the input of which is connected to the potential terminals of the capacitor 2 and the primary winding 3, and the output is connected to the two electrodes of the anode with a cylindrical electrode made of a permanent magnet 5 and the second electrode with a laser target 8. Cylindrical an electrode, a laser target, and a two-wire secondary winding line together with a capacitor and primary winding constitute a series circuit.

В настоящее время разработаны мощные постоянные магниты, например, из NdFeB, которые обеспечивают указанную величину индукции магнитного поля в предложенной геометрии. В конкретном случае описываемого устройства внешний диаметр цилиндрического электрода составляет 2-3 см.Powerful permanent magnets, for example, of NdFeB, which provide the indicated magnitude of the magnetic field induction in the proposed geometry, have now been developed. In the specific case of the described device, the outer diameter of the cylindrical electrode is 2-3 cm.

Устройство работает следующим образом. Источник высоковольтного напряжения 1 заряжает конденсатор 2 (конденсатор 2 заряжается от положительного вывода источника высоковольтного напряжения 1), у которого заземленный вывод соединен с одним из выводов первичной обмотки 3 и катодом 6. Импульс излучения лазера 10 проходит через фокусирующее устройство 9 установленное так, что его фокальная плоскость находится вблизи или на поверхности лазерной мишени 8, например, сделанной, например, из TiD, и создает сгусток лазерной плазмы в промежутке между лазерной мишенью и анодом. При замыкании плазмой этого промежутка накопительный конденсатор разряжается через двухпроводную линию на первичную обмотку трансформатора. При этом на вторичной обмотке между началом и концом каждого из токопроводов двухпроводной линии формируется импульс высокого напряжения (≥100 кВ), за счет которого к двухэлектродному аноду относительно заземленного катода прикладывается ускоряющее напряжение. Дейтроны, получаемые в сгустке лазерной плазмы, вытягиваются из плазменного анода и ускоряются к нейтронообразующей мишени 7 на катоде, где в результате ядерных реакций образуются нейтроны.The device operates as follows. The high-voltage source 1 charges the capacitor 2 (the capacitor 2 is charged from the positive terminal of the high-voltage source 1), in which the grounded terminal is connected to one of the terminals of the primary winding 3 and the cathode 6. The laser radiation pulse 10 passes through the focusing device 9 so that it the focal plane is located near or on the surface of the laser target 8, for example, made, for example, of TiD, and creates a bunch of laser plasma in the gap between the laser target and the anode. When a plasma shorts this gap, the storage capacitor is discharged through a two-wire line to the primary winding of the transformer. At the same time, a high voltage pulse (≥100 kV) is formed between the beginning and the end of each of the conductors of the two-wire line, due to which an accelerating voltage is applied to the two-electrode anode relative to the grounded cathode. Deuterons obtained in a bunch of laser plasma are pulled from the plasma anode and accelerated to the neutron-forming target 7 at the cathode, where neutrons are formed as a result of nuclear reactions.

Предложенное устройство в отличие от прототипа включает в себя магнитную изоляцию между лазерной мишенью и полым цилиндрическим электродом анода. Наличие продольного магнитного поля приводит к направленному разлету лазерной плазмы в направлении катода и увеличению общего количества ионов лазерной плазмы за счет эффективной дополнительной ионизации магнитоизолированными электронами в скрещенных электрическом и магнитном полях нейтральных атомов лазерной плазмы, образующихся в процессе рекомбинации ионов при разлете лазерной плазмы. Внутри анода индукция магнитного поля составляет величину в диапазоне 0.3<В<0.6 Тл, а напряжение между лазерной мишенью и полым цилиндрическим электродом составляет порядка ~10 кВ. Нижний предел диапазона индукции магнитного поля (0,3 Тл) определяется величиной ларморовского радиуса электронов и, соответственно, возникновением магнитной изоляции электронов между цилиндрического электродом и лазерной мишенью. Верхний предел - 0,6 Тл определяется величиной требуемого тока между цилиндрическим электродом и лазерной мишенью, необходимого для работы устройства в целом.The proposed device, unlike the prototype, includes magnetic isolation between the laser target and the hollow cylindrical electrode of the anode. The presence of a longitudinal magnetic field leads to a directed expansion of the laser plasma in the direction of the cathode and an increase in the total number of laser plasma ions due to the effective additional ionization of magnetically insulated electrons in the crossed electric and magnetic fields of the neutral atoms of the laser plasma formed during ion recombination during the expansion of the laser plasma. Inside the anode, the magnetic field induction is in the range 0.3 <V <0.6 T, and the voltage between the laser target and the hollow cylindrical electrode is of the order of ~ 10 kV. The lower limit of the magnetic field induction range (0.3 T) is determined by the Larmor radius of the electrons and, accordingly, the occurrence of the magnetic isolation of electrons between the cylindrical electrode and the laser target. The upper limit of 0.6 T is determined by the value of the required current between the cylindrical electrode and the laser target, which is necessary for the operation of the device as a whole.

Предложенное техническое решение позволяет повысить ресурс работы и, соответственно, эффективность использования устройства в различных прикладных задачах науки и техники, например, для геофизических применений, элементного анализа вещества по короткоживущим радионуклидам, тестирования средств диагностики мощных импульсных установок для термоядерного синтеза.The proposed technical solution allows to increase the service life and, accordingly, the efficiency of using the device in various applied problems of science and technology, for example, for geophysical applications, elemental analysis of substances using short-lived radionuclides, and testing of diagnostic tools for powerful pulsed installations for thermonuclear fusion.

Источники информацииInformation sources

1. Беспалов Д.Ф., Быковский Ю.А., Вергун И.И., Козловский К.И., Козырев Ю.П., Леонов Р.К., Симагин Б.И., Цыбин А.С, Шиканов А.Е. Импульсный генератор нейтронов, А.с. СССР, №580725, кл. G21G 4/02. - Бюл. №48, 30.12.1979.1. Bespalov D.F., Bykovsky Yu.A., Vergun I.I., Kozlovsky K.I., Kozyrev Yu.P., Leonov R.K., Simagin B.I., Tsybin A.S., Shikanov A.E. Pulse neutron generator, A.S. USSR, No. 580725, cl. G21G 4/02. - Bull. No. 48, December 30, 1979.

2. Бахурова Л.А., Беспалов Д.Ф., Вергун И.И., Минц А.З., Плешакова Р.П., Рябов Е.В., Старинский А.А., Шиканов А.Е. Импульсный генератор нейтронов, А.с. СССР, №971068, кл. H05H 1/00. - Бюл. №48, 30.12.1986.2. Bakhurova L.A., Bespalov D.F., Vergun I.I., Mints A.Z., Pleshakova R.P., Ryabov E.V., Starinsky A.A., Shikanov A.E. Pulse neutron generator, A.S. USSR, No. 971068, class H05H 1/00. - Bull. No. 48, December 30, 1986.

3. Патент - 135216 РФ, МПК H05H 3/06. Импульсный генератор нейтронов / Вовченко Е.Д., Козловский К.И., Пономаренко А.Г., Пономарев Д.Д., Шведова Т.А., Шиканов А.Е; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ» (НИЯУ МИФИ). - №2013127722/07, Заяв. 18.06.2013; Опубл. 27.11.2013, Бюл. №33.3. Patent - 135216 RF, IPC H05H 3/06. Pulsed neutron generator / Vovchenko E.D., Kozlovsky K.I., Ponomarenko A.G., Ponomarev D.D., Shvedova T.A., Shikanov A.E; Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education "National Research Nuclear University MEPhI" (NRNU MEPhI). - No. 2013127722/07, Application. 06/18/2013; Publ. 11/27/2013, Bull. No. 33.

Claims

A pulsed neutron generator containing a high-voltage power supply, a high-voltage transformer, a capacitor and a neutron tube with a cathode including a neutron-forming target, and a two-electrode anode, consisting of a hollow cylindrical electrode and a laser target inside this cylinder, while the laser target is connected to the cylindrical electrode through the primary the secondary winding of the transformer and through the capacitor, and the secondary winding is made in the form of a two-wire line, the input of which is connected to the condensation torus and primary winding, and the output with a cylindrical electrode and a laser target, characterized in that the cylindrical electrode is made of a permanent magnet magnetized in height to an induction value of 0.3 <B <0.6 T, and the cylindrical electrode is connected through the secondary winding of the transformer with a positive terminal high voltage source.