RU192988U1 - Газонаполненная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к плазменной технике, к устройствам для генерации нейтронов и может быть использована для проведения ядерно-физических исследований, в досмотровых системах, при калибровках детекторов ионизирующих излучений и т.п.Техническим результатом является увеличение ресурса работы нейтронной трубки.Технический результат достигается тем, что газонаполненная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов, содержащая первый цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу первый полый торцевой электрод со сквозным отверстием, источник ионов Пенинга, герметично присоединенный к первому полому торцевому электроду с противоположной стороны от первого цилиндрического корпуса, кольцевой постоянный магнит, установленный на источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную к первому полому торцевому электроду, хранилище рабочего газа, расположенное внутри источника ионов Пенинга, также содержащая второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу второй полый торцевой электрод; дополнительно содержит полый ускоряющий электрод, герметично присоединенный к торцам цилиндрических изоляционных корпусов с противоположных сторон относительно полых торцевых электродов; цилиндрические изоляционные корпуса имеют одинаковую геометрию, полые торцевые электроды имеют одинаковую геометрию за исключением того, что на оси первого полого торцевого электрода сделано сквозное отверстие; цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, отверстие, источник ионов Пенинга и кольцевой постоянный магнит расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса и полые торцевые электроды расположены симметрично относительно полого ускоряющего электрода; полый ускоряющий и полые торцевые электроды являются фигурами вращения вокруг центральной оси газонаполненной нейтронной трубки и имеют полости вблизи оси; полый ускоряющий электрод симметричен относительно его центра. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к плазменной технике, к устройствам для генерации нейтронов и может быть использована для проведения ядерно-физических исследований, в досмотровых системах, при калибровках детекторов ионизирующих излучений и т.п.

Известен прибор инерциального электростатического удержания (Inertial Electrostatic Confinement или IEC), описанный в работе (G.H. Miley A portable neutron/tunable X-ray source based on inertial electrostatic confinement // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 422 (1999) P. 16 – 20), который состоит из сферического металлического анода, используемого одновременно в качестве вакуумной камеры, внутрь анода помещен сетчатый частично прозрачный катод, имеющий сферическую форму, расположенный концентрично аноду. Электроды соединены с источником высокого напряжения порядка 100 кВ. Межэлектродный объем заполняется дейтерием (тяжелым водородом), давление которого варьируется в пределах (10^-2÷1) Па. При включении источника напряжения между анодом и катодом образуется плазма. В плазме электроны ускоряются электрическим полем к аноду (уходят на периферию), а ионы ускоряются к центру системы (к катоду). Поскольку катод имеет не сплошную геометрию (обладает прозрачностью), ионы имеют возможность пролетать сквозь него периодически ускоряясь и замедляясь электрическим полем в межэлектродном промежутке. Таким образом ионы неоднократно пролетают через центральную область прибора где они вступают в ядерные реакции D+D=Не³+n, в результате чего происходит генерация нейтронов.

Недостатками указанного устройства являются конструктивная сложность изготовления катода с хорошей степенью прозрачности, перегрев катода при высоких вкладываемых мощностях и отклонение электрического поля от сферической геометрии из-за наличия электрического ввода, связывающего катод с источником высокого напряжения.

Также известна газонаполненная нейтронная трубка (Сборник материалов межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе». М.: ВНИИА, 2003. С. 66 – 71), которая представляет собой миниатюрный линейный ускоритель ионов, с одной стороны которого расположен ионный источник, а с другой – твердотельная нейтронобразуюшая мишень. Генерация нейтронов происходит при бомбардировке ускоренными ионами мишени в результате ядерных реакций D(d,n) He³ или T(d,n) He⁴. Получаемые при этом нейтроны имеют энергию 2,5 МэВ для реакции D(d,n)He³ и 14 МэВ для реакции T(d,n)He⁴. Нейтронная трубка имеет три основных узла: ионный источник, ионнооптическая система, мишенный узел. В качестве ионного источника в трубке применен ионный источник типа Пеннинга с холодным катодом. Рабочий газ (дейтерий, либо смесь дейтерия и трития) содержится в натекателе. На анод ионного источника подают модуляционное напряжение с частотой следования f от 400 Гц до 10 кГц с длительностью от 100 до 20 мкс соответственно.

Недостатками указанной газонаполненной нейтронной трубки является малый ресурс работы из-за износа нейтронобразующей мишени в процессе работы, а также генерация нейтронов только одной энергии при работе трубки.

В качестве прототипа к данной полезной модели выбрана нейтронная трубка (патент РФ RU 158870 U1, МПК G21G 4/00 (2006.01), опубликован 20.01.2016), содержащая герметично запаянный изоляционный корпус, в котором размещены источник ионов Пеннинга, хранилище рабочего газа, насыщенная изотопом водорода мишень, постоянный кольцевой магнит, размещенный соосно с источником ионов Пеннинга, отличающаяся тем, что она оснащена дополнительным идентичным источником ионов Пеннинга, хранилищем рабочего газа и постоянным кольцевым магнитом, мишенный электрод содержит две симметричные мишени, насыщенные разными изотопами водорода, и расположен посередине корпуса, по торцам которого напротив мишеней размещены идентичные источники ионов Пеннинга.

Недостатком прототипа является малый ресурс работы нейтронной трубки из-за износа нейтронобразующих мишеней в процессе работы нейтронной трубки.

Техническим результатом является увеличение ресурса работы нейтронной трубки. Что достигается за счет отсутствия износа нейтронобразующей мишени путем исключения из конструкции трубки твердотельной мишени и осуществления реакций ядерного синтеза с использованием газоплазменной мишени.

Технический результат достигается тем, что газонаполненная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов, содержащая первый цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу первый полый торцевой электрод со сквозным отверстием, источник ионов Пенинга, герметично присоединенный к первому полому торцевому электроду с противоположной стороны от первого цилиндрического корпуса, кольцевой постоянный магнит, установленный на источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную к первому полому торцевому электроду, хранилище рабочего газа, расположенное внутри источника ионов Пенинга, также содержащая второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу второй полый торцевой электрод, дополнительно содержит полый ускоряющий электрод, герметично присоединенный к торцам цилиндрических изоляционных корпусов с противоположных сторон относительно полых торцевых электродов; цилиндрические изоляционные корпуса имеют одинаковую геометрию, полые торцевые электроды имеют одинаковую геометрию за исключением того, что на оси первого полого торцевого электрода сделано сквозное отверстие; цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, отверстие, источник ионов Пенинга и кольцевой постоянный магнит расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса и полые торцевые электроды расположены симметрично относительно полого ускоряющего электрода; полый ускоряющий и полые торцевые электроды являются фигурами вращения вокруг центральной оси газонаполненной нейтронной трубки и имеют полости вблизи оси; полый ускоряющий электрод симметричен относительно его центра.

На чертеже представлена схема газонаполненной нейтронной трубки с инерциальным удержанием ионов.

Принятые обозначения: 1 – два цилиндрических изоляционных корпуса; 2 – два полых торцевых электрода; 3 – полый ускоряющий электрод; 4 – отверстие; 5 – источник ионов Пенинга; 6 – кольцевой постоянный магнит; 7 – хранилище рабочего газа.

Устройство состоит из двух цилиндрических изоляционных корпусов 1, выполненных из диэлектрического материала, полого ускоряющего электрода 3, двух полых торцевых электродов 2, размещенных с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3, соосно с ним, в одном из полых торцевых электродов 2 сделано сквозное отверстие 4 произвольной формы на оси полого торцевого электрода 2. Устройство также содержит источник 5 ионов Пенинга, установленный на полом торцевом электроде 2 с отверстием 4, кольцевой постоянный магнит 6 и хранилище 7 рабочего газа.

Устройство работает следующим образом.

Рабочий газ (тяжелые изотопы водорода: дейтерий, тритий или их смесь) содержится в хранилище 7 рабочего газа. Выделение рабочего газа происходит в результате термодесорбции при протекании электрического тока через хранилище 7 рабочего газа. Ионы в источнике 5 ионов Пенинга образуются при горении газового разряда в скрещенных электрических и магнитных полях. Для создания аксиального магнитного поля в источнике 5 ионов Пенинга используется кольцевой постоянный магнит 6, установленный на источник 5 ионов Пенинга соосно ему и вплотную к первому полому торцевому электроду 2. Источник 5 ионов Пенинга герметично присоединен к первому полому торцевому электроду 2, на оси которого, сделано сквозное отверстие 4 произвольной формы и размера. Ионы из источника 5 ионов Пенинга через отверстие 4 попадают в основной объем устройства, ограниченный полыми торцевыми электродами 2, полым ускоряющим электродом 3 и цилиндрическими изоляционными корпусами 1. Полый ускоряющий электрод 3 расположен между цилиндрическими изоляционными корпусами 1, герметично и соосно закреплен с ними. На противоположных торцах цилиндрических изоляционных корпусов 1 герметично и соосно закреплены полые торцевые электроды 2 первый – с отверстием 4 на оси и второй – без отверстия. На полые торцевые электроды 2 и полый ускоряющий электрод 3 подается разность потенциалов таким образом, чтобы полые торцевые электроды 2 находились под одним потенциалом (или под близкими потенциалами), а на полом ускоряющем электроде 3 потенциал был отрицательным относительно полых торцевых электродов 2. Обычно: полые торцевые электроды 2 заземляются, а на полый ускоряющий электрод 3 подается напряжение отрицательной полярности. Величина подаваемого напряжения определяет нейтронный выход устройства и должна быть достаточна для осуществления ядерных реакций D(d,n)He³, T(t,2n)He⁴ или T(d,n)He⁴. После подачи разности потенциалов на полые торцевые 2 и полый ускоряющий 3 электроды в межэлектродных промежутках возникает электрическое поле. Электрическое поле ускоряет ионы, проходящие из источника 5 ионов Пенинга через отверстие 4, к центру полого ускоряющего электрода 3. Проходя сквозь полость ускоряющего электрода 3 ускоренные ионы тормозятся электрическим полем вблизи второго полого торцевого электрода 2, после чего, ускоряются электрическим полем в обратном направлении к центру полого ускоряющего электрода 3, потом, опять тормозятся вблизи первого полого торцевого электрода 2, затем опять ускоряются и т. д. Таким образом, реализуется режим работы устройства с инерциальным удержанием ионов, при котором, ионы совершают колебательные движения между полыми торцевыми электродами 2 через полость ускоряющего электрода 3. Генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерных реакций D(d,n)He³ или T(d,n)He⁴ при взаимодействии колеблющихся ионов с газоплазменной мишенью, возникающей при работе устройства, а именно, с ядрами молекул или атомов заполняющего объем устройства рабочего газа или со встречно колеблющимися ионами. Объем устройства заполняется рабочим газом из хранилища 7 рабочего газа. Тип реакции, в результате которой происходит генерация нейтронов определяется типом рабочего газа, содержащегося в хранилище 7 рабочего газа. Если хранилище 7 рабочего газа содержит дейтерий, то генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакции D(d,n)He³, если хранилище 7 рабочего газа содержит тритий, то генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакции T(t,2n)He⁴, если хранилище 7 рабочего газа содержит смесь дейтерия и трития, то генерация нейтронов осуществляется при протекании ядерной реакции T(d,n)He⁴.

Полые торцевые электроды 2 имеют одинаковую форму и геометрию, за исключением того, что первый полый торцевой электрод 2, к которому подсоединен источник 5 ионов Пенинга имеет отверстие 4, которое отсутствует во втором полом торцевом электроде 2. Полые торцевые электроды 2 располагаются симметрично с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3 соосно с ним и на одинаковом расстоянии, которое определяется рабочим напряжением и может быть различным. Разделяющие полые торцевые электроды 2 и полый ускоряющий электрод 3 цилиндрические изоляционные корпуса 1 выполнены из диэлектрического материала, имеют одинаковую форму и геометрию, располагаются симметрично с двух сторон от полого ускоряющего электрода 3 соосно с ним. Полый ускоряющий электрод 3 и полые торцевые электроды 2 имеют форму фигур вращения вокруг центральной оси трубки, при этом, полый ускоряющий электрод 3 симметричен относительно своего центра. Для обеспечения работоспособности данного устройства необходимо, чтобы полый ускоряющий электрод 3 и полые торцевые электроды 2 имели полости вблизи центральной оси, это достигается путем применения в их конструкции поверхностей различных типов (например, цилиндрических, конусных, сферических или других более сложных конфигураций). В конечном счете, форма полого ускоряющего электрода 3, полых торцевых электродов 2 и форма полостей полого ускоряющего 3 и полых торцевых электродов 2 не оказывает влияния на достижение технического результата. Обычно, для получения хороших рабочих характеристик устройства геометрия полого ускоряющего электрода 3 и полых торцевых электродов 2 выбирается такой, чтобы размеры полостей в них были достаточны для беспрепятственного прохождения ионов из источника 5 ионов Пенинга и обеспечения их колебательного движения. Полый ускоряющий 3 и полые торцевые электроды 2 не должны контактировать с цилиндрическими изоляционными корпусами 1 за исключением мест их герметичных соединений, размер зазоров между поверхностями цилиндрических изоляционных корпусов 1, полого ускоряющего 3 и полых торцевых 2 электродов выбираются достаточными для обеспечения электропрочности, обычно не менее 5 мм. Габаритные размеры (внешний диаметр) полых торцевых электродов 2, полого ускоряющего электрода 3 и цилиндрических изоляционных корпусов 1 могут отличаться. Например, в использованной авторами конструкции отличие составляло примерно 5 мм. Трубка имела габаритные размеры Ø45×260мм, диаметры цилиндрических изоляционных корпусов 1 составляли Ø43 мм, диаметры полых торцевых электродов 2 составляли Ø40 мм, диаметр полого ускоряющего электрода 3 составлял Ø45 мм. Обычно требования к размерам нейтронной трубки определяются технологическим процессом ее изготовления или параметрами системы, в которой используется нейтронная трубка. Опираясь на опыт применения нейтронных трубок, делается заключение, что наиболее востребованными будут трубки диаметром от Ø20 до Ø150 мм и длиной от 100 до 1000 мм.

В конструкции устройства используется источник 5 ионов Пенинга стандартной конструкции, аксиальное магнитное поле в котором создается кольцевым постоянным магнитом 6, при этом, допускается использование источников 5 ионов Пенинга различных конфигураций, любой из известных конструкций. Например, в использованной авторами конструкции габаритные размеры источника 5 ионов Пенинга составляли Ø20×40мм, а использованный кольцевой постоянный магнит 6 имел диаметр Ø30мм.

Хранилище 7 рабочего газа является отдельным конструктивным элементом и располагается в произвольном месте внутри источника 5 ионов Пенинга, обычно хранилище 7 рабочего газа отделяют от области горения газового разряда (как это показано на чертеже).

В отличие от твердотельной мишени, которая изнашивается в процессе работы при взаимодействии с пучками ускоренных ионов, генерация нейтронов в данном устройстве осуществляется при взаимодействии колеблющихся ионов с газоплазменной мишенью, возникающей при работе устройства, а именно, с ядрами заполняющего объем устройства рабочего газа или со встречно колеблющимися ионами. Свойства газоплазменной мишени поддерживаются на необходимом уровне параметрами разряда и практически не меняются во времени. Отсутствие твердой мишени приводит к отсутствию изнашиваемого элемента в конструкции нейтронной трубки (к отсутствию износа нейтронобразующей мишени), это положительно сказывается на ресурсе работы устройства.

Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно: увеличение ресурса работы нейтронной трубки. Что достигается за счет отсутствия износа нейтронобразующей мишени путем исключения из конструкции трубки твердотельной мишени и осуществления реакций ядерного синтеза с использованием газоплазменной мишени.

Claims (1)

1. Газонаполненная нейтронная трубка с инерциальным удержанием ионов, содержащая первый цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу первый полый торцевой электрод со сквозным отверстием, источник ионов Пенинга, герметично присоединенный к первому полому торцевому электроду с противоположной стороны от первого цилиндрического корпуса, кольцевой постоянный магнит, установленный на источник ионов Пенинга соосно с ним и вплотную к первому полому торцевому электроду, хранилище рабочего газа, расположенное внутри источника ионов Пенинга, также содержащая второй цилиндрический изоляционный корпус, выполненный из диэлектрического материала, герметично присоединенный к его торцу второй полый торцевой электрод, отличающаяся тем, что дополнительно содержит полый ускоряющий электрод, герметично присоединенный к торцам цилиндрических изоляционных корпусов с противоположных сторон относительно полых торцевых электродов; цилиндрические изоляционные корпуса имеют одинаковую геометрию, полые торцевые электроды имеют одинаковую геометрию за исключением того, что на оси первого полого торцевого электрода сделано сквозное отверстие; цилиндрические изоляционные корпуса, полый ускоряющий и полые торцевые электроды, отверстие, источник ионов Пенинга и кольцевой постоянный магнит расположены соосно; цилиндрические изоляционные корпуса и полые торцевые электроды расположены симметрично относительно полого ускоряющего электрода; полый ускоряющий и полые торцевые электроды являются фигурами вращения вокруг центральной оси газонаполненной нейтронной трубки и имеют полости вблизи оси; полый ускоряющий электрод симметричен относительно его центра.

Images