RU132240U1 - PULSE NEUTRON GENERATOR - Google Patents

Abstract

Импульсный генератор нейтронов, содержащий источник высокого напряжения, а также находящиеся в рабочем объеме тяжелого водорода заземленный анод и соосно расположенный внутри анода полый катод в виде двух параллельных соосных дисков, соединенных между собой металлическими стержнями, расположенными перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси катода, отличающийся тем, что в него введен низковольтный источник постоянного напряжения 300<U<1000 В, соединенный с катодом через катушку с индуктивностью 0,1<L<10 мГн, а высоковольтный источник выполнен в виде генератора импульсных напряжений, соединенного с катодом через конденсатор с емкостью 0,1<С<10 нФ.A pulsed neutron generator containing a high voltage source, as well as a grounded anode located in the working volume of heavy hydrogen and a hollow cathode coaxially located inside the anode in the form of two parallel coaxial disks interconnected by metal rods located perpendicular to the surfaces of the disks and symmetrically relative to the cathode axis, characterized in that a low-voltage source of direct voltage 300 <U <1000 V is connected to it, connected to the cathode through a coil with an inductance of 0.1 <L <10 mH, and high volt source is designed as a pulse voltage generator connected to the cathode through a capacitor with a capacity of 0.1 <C <10 nF.

Description

Полезная модель относится к области техники ускорения ионов в электростатических полях, конкретно, к приборам для генерации нейтронов при ядерном взаимодействии нуклидов тяжелого водорода.The utility model relates to the field of ion acceleration in electrostatic fields, in particular, to devices for generating neutrons in the nuclear interaction of heavy hydrogen nuclides.

Известны нейтронные генераторы на основе ускорителей прямого действия [1], состоящие из анода с источником дейтронов и катода, содержащей тритий и (или) дейтерий, которые находятся в вакуумном корпусе. При приложении к этим электродам высокого напряжения от анод осуществляется ускорение дейтронов к катоду - твердой мишени, где в результате ядерных реакций синтеза образуется поток быстрых нейтронов. Недостатком такого нейтронного генератора является подверженность мишени воздействию ионного пучка, приводящего к разрушению реакционного слоя мишени, а также ее нагреву, и, как следствие, десорбции изотопов водорода в рабочий объем и обеднению реакционного слоя. Эти факторы ограничивают ресурс мишени, а если речь идет о запаянном приборе, то ограничивается ресурс изделия в целом.Known neutron generators based on direct-acting accelerators [1], consisting of an anode with a source of deuterons and a cathode containing tritium and (or) deuterium, which are in a vacuum housing. When high voltage is applied to these electrodes from the anode, deuterons are accelerated to the cathode, a solid target, where a stream of fast neutrons is formed as a result of nuclear fusion reactions. The disadvantage of such a neutron generator is the exposure of the target to the ion beam, which leads to the destruction of the reaction layer of the target, as well as its heating, and, as a result, desorption of hydrogen isotopes into the working volume and depletion of the reaction layer. These factors limit the resource of the target, and if we are talking about a sealed device, then the resource of the product as a whole is limited.

Этого недостатка лишен нейтронный генератор на основе ионного диода с потоком нуклидов тяжелого водорода, осциллирующим в электростатическом поле. К числу таких систем относятся низкотемпературные плазменные IEC (Inertial Electrostatic Confinement.) - диоды. Первые технические решения таких приборов были предложены в США [2].This drawback is deprived of a neutron generator based on an ion diode with a stream of heavy hydrogen nuclides oscillating in an electrostatic field. These systems include low-temperature plasma IEC (Inertial Electrostatic Confinement.) Diodes. The first technical solutions of such devices were proposed in the USA [2].

Среди них наиболее близким к предлагаемому техническому решению является IEC - диод, описанный в работе [3], который может быть взят за прототип. Устройство, описанное в прототипе, состоит из сферического металлического анода, служащего в качестве вакуумной камеры, и расположенного внутри анода полого катода, выполненного в виде сферы из металлических конструкций частично прозрачным.Among them, the closest to the proposed technical solution is IEC - a diode described in [3], which can be taken as a prototype. The device described in the prototype consists of a spherical metal anode, serving as a vacuum chamber, and located inside the anode of the hollow cathode, made in the form of a sphere of metal structures partially transparent.

Электроды соединены с источником высокого напряжения U~100 кВ. Рабочий объем диода заполняется дейтерием, давление которого может варьироваться в пределах ~(10^-2÷1) Па. При работе диода между анодом и катодом возникает плазма тлеющего разряда, из которой дейтроны ускоряются к катоду, могут многократно проходить через частично прозрачный катод, при этом могут сталкиваться как с дейтронами плазмы внутри анода и катода, так и там же со встречными дейтронами. В результате, в устройстве прототипа может происходить генерация нейтронов.The electrodes are connected to a high voltage source U ~ 100 kV. The working volume of the diode is filled with deuterium, the pressure of which can vary within ~ (10 ^-2 ÷ 1) Pa. During the operation of the diode, a glow discharge plasma arises between the anode and cathode, from which deuterons accelerate to the cathode, can repeatedly pass through a partially transparent cathode, and can collide with both plasma deuterons inside the anode and cathode, and also with counter deuterons. As a result, neutron generation may occur in the prototype device.

Недостатками указанного устройства являются: невозможность эффективной генерации нейтронов в режиме коротких импульсов (длительностью менее 50 мкс).The disadvantages of this device are: the inability to efficiently generate neutrons in the mode of short pulses (with a duration of less than 50 μs).

Техническим результатом предлагаемого устройства является создание условий для генерации нейтронов в режиме коротких импульсов с длительностью (0,1-10 мкс).The technical result of the proposed device is the creation of conditions for the generation of neutrons in the mode of short pulses with a duration of (0.1-10 μs).

Этот результат достигается тем, что в известном устройстве [3], содержащем источник высокого напряжения, в среде тяжелого водорода заземленный анод и соосно расположенный внутри анода полый катод в виде двух параллельных соосных дисков, соединенных между собой помощью металлических стержней, расположенных перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси катода, введен низковольтный источник постоянного напряжения 300<U<1000 В, соединенный с катодом через катушку с индуктивностью 0,1<L<10 мГн, а высоковольтный источник выполнен в виде генератора импульсных напряжений (ГИН), соединенного с катодом через конденсатор с емкостью 0,1<C<10 нФ. Подача низковольтного напряжения в указанном диапазоне напряжения осуществляет предионизацию газа в межэлектродном промежутке в постоянном (ждущем) режиме. Когда от ГИН поступает высоковольтный (более 100 кВ) импульс длительностью менее 10 мкс происходит без задержки на зажигание разряда в газе ускорение ионов внутрь полого катода и многократные их колебания перпендикулярно оси устройства. Тем самым предложенное устройство в отличие от прототипа может в принципе работать в режиме коротких импульсов менее 10 мкс.This result is achieved by the fact that in the known device [3], containing a high voltage source, in a heavy hydrogen medium, a grounded anode and a hollow cathode coaxially located inside the anode in the form of two parallel coaxial disks interconnected by metal rods located perpendicular to the surfaces of the disks and symmetrically with respect to the cathode axis, a low-voltage constant-voltage source 300 <U <1000 V is introduced, connected to the cathode through a coil with an inductance of 0.1 <L <10 mH, and a high-voltage source fln in the form of a pulse voltage generator (GIN), connected to the cathode through a capacitor with a capacitance of 0.1 <C <10 nF. The supply of low-voltage voltage in the specified voltage range carries out the preionization of the gas in the interelectrode gap in a constant (standby) mode. When a high-voltage (more than 100 kV) pulse with a duration of less than 10 μs is received from the GIN, the ions accelerate into the hollow cathode and repeatedly oscillate perpendicular to the device axis without delaying the ignition of the discharge in the gas. Thus, the proposed device, unlike the prototype, can, in principle, operate in the mode of short pulses of less than 10 μs.

Предлагаемое устройство поясняется фигурой 1, где представлена схема расположения электродов ионного диода для генерации нейтронов. 1- анод, 2-катодные диски, 3 - соединительные стержни показаны в разрезах вдоль и поперек оси диода, 4 - источник постоянного напряжения, 5 - генератор импульсных напряжений, L - катушка индуктивности, C - конденсатор.The proposed device is illustrated by figure 1, which shows the arrangement of the electrodes of the ion diode for neutron generation. 1 - anode, 2-cathode disks, 3 - connecting rods are shown in sections along and across the axis of the diode, 4 - a constant voltage source, 5 - a pulse voltage generator, L - inductor, C - capacitor.

Устройство работает следующим образом. Под действием высокого напряжения (~100 кВ) в межэлектродном пространстве загорается разряд с полым катодом [3], характеризуемый большой величиной катодного падения потенциала (порядка напряжения на диодном зазоре). Ионы тяжелого водорода, извлекаемые из прианодной плазмы (положительного плазменного столба разряда) ускоряются в области катодного падения потенциала до энергий достаточных для протекания ядерных реакций D(d,n)³He, T(d,n)⁴He или D(t,n)⁴He.The device operates as follows. Under the action of a high voltage (~ 100 kV), a discharge with a hollow cathode [3], characterized by a large value of the cathode potential drop (of the order of the voltage across the diode gap), lights up in the interelectrode space. Heavy hydrogen ions extracted from the anode plasma (positive plasma column of the discharge) are accelerated in the region of the cathodic potential drop to energies sufficient for nuclear reactions D (d, n) ³ He, T (d, n) ⁴ He or D (t, n ) ⁴ He.

Прозрачность катода подбирается так, чтобы отдельный нуклид водорода мог с большой вероятностью беспрепятственно пролетать через катодную полость, потеряв часть своей энергии на столкновениях в плазме. В результате происходит его захват в потенциальной яме между анодом и катодом (см. фигуру 1), где он начинает осциллировать. Таким образом, в радиальном направлении, формируются два встречных потока дейтронов, которые взаимодействуют с плазмой в области, охватываемой катодом и между собой.The transparency of the cathode is selected so that a single hydrogen nuclide could very likely pass unhindered through the cathode cavity, losing some of its energy in collisions in the plasma. As a result, it is captured in a potential well between the anode and cathode (see figure 1), where it begins to oscillate. Thus, in the radial direction, two opposing deuteron fluxes are formed, which interact with the plasma in the region covered by the cathode and among themselves.

В процессе осцилляций дейтроны тормозятся в катодной плазме в результате ионно-электронных столкновений. Замедленные дейтроны в результате перезарядки выбывают из осциллирующего ансамбля, образуя термализованные дейтроны в катодной полости. Эти дейтроны диффундируют в вертикальном направлении к внутренним поверхностям катодных дисков, рекомбинируя в процессе диффузии.In the process of oscillations, deuterons are decelerated in the cathode plasma as a result of ion-electron collisions. Slow deuterons as a result of reloading are eliminated from the oscillating ensemble, forming thermalized deuterons in the cathode cavity. These deuterons diffuse in the vertical direction to the inner surfaces of the cathode disks, recombining during diffusion.

Дейтроны, попадающие на поверхность катода, образуют потоки электронов ионно-электронной эмиссии. Часть этих электронов, вылетающих с внутренних поверхностей катода, способствует росту концентрации плазмы внутри катода за счет дополнительной ионизации электронным ударом (эффект полого катода [3]).Deuterons incident on the surface of the cathode form electron currents of ion-electron emission. Some of these electrons emitted from the inner surfaces of the cathode contribute to an increase in the plasma concentration inside the cathode due to additional ionization by electron impact (hollow cathode effect [3]).

В процессе установления квазистационарного режима разряда число быстрых дейтронов, пересекающих катодную полость, увеличивается до тех пор, пока их эмиссионный ток из плазмы положительного столба не компенсируется их уходом за счет прямого попадания на катод и перезарядки.In the process of establishing a quasistationary discharge regime, the number of fast deuterons crossing the cathode cavity increases until their emission current from the plasma of the positive column is compensated by their departure due to direct contact with the cathode and recharging.

Нейтроны образуются по двум каналам: «пучок-плазма», соответствующем взаимодействию быстрых осциллирующих дейтронов с дейтронами плазмы, находящейся в центральной области, и «пучок-пучок», соответствующем взаимодействию осциллирующих дейтронов между собой. Экспериментальные результаты свидетельствуют, что при давлении дейтерия ~(10^-2÷10^-1) Па основная доля ядерных событий (актов генерации нейтронов) приходится на канал «пучок-пучок», а при давлении ~(10^-1÷1) Па - на канал «пучок-плазма».Neutrons are formed through two channels: a “beam-plasma" corresponding to the interaction of fast oscillating deuterons with plasma deuterons located in the central region, and a "beam-beam" corresponding to the interaction of oscillating deuterons with each other. Experimental results indicate that at a deuterium pressure of ~ (10 ^-2 ÷ 10 ^-1 ) Pa, the main share of nuclear events (neutron generation events) falls on the beam-beam channel, and at a pressure of ~ (10 ^-1 ÷ 1) Pa - to the beam-plasma channel.

Рассмотрим пример конкретной реализации устройства в малогабаритном варианте диода с чистым дейтериевым заполнением соответствующем следующей геометрии: N=4; r_A=5.10^-2 м; r_K=4.10^-2 м; r_C=2.10^-2 м; Н=3.10^-2 м и параметров p=1; 0.5; 0.3; 0.1 Па.м/эВ.Consider an example of a specific implementation of the device in a small-sized version of the diode with pure deuterium filling corresponding to the following geometry: N = 4; r _A = 5.10 ^-2 m; r _K = 4.10 ^-2 m; r _C = 2.10 ^-2 m; N = 3.10 ^-2 m and parameters p = 1; 0.5; 0.3; 0.1 Pa.m / eV.

Результаты компьютерного расчета с использованием формулы (2) для указанных геометрических и термодинамических условий представлены на фигуре 2.The results of a computer calculation using formula (2) for the indicated geometric and thermodynamic conditions are presented in figure 2.

Оценки показывают, что при переходе на дейтерий- тритиевое заполнение рабочего объема диода нейтронный поток может в той же геометрии достигать значений ~10⁹ н/с.Estimates show that when switching to deuterium-tritium filling of the working volume of the diode, the neutron flux in the same geometry can reach ~ 10 ⁹ n / s.

Разработка и внедрение предлагаемого устройства для исследования нефтегазовых и рудных скважин позволит увеличить ресурс скважинных генераторов нейтронов, применяемых для импульсного нейтронного каротажа.The development and implementation of the proposed device for the study of oil and gas and ore wells will increase the resource of downhole neutron generators used for pulsed neutron logging.

Источники информацииInformation sources

1. Богданович Б.Ю., Нестерович А.В., Шиканов А.Е., Ворогушин м.Ф., Свистунов Ю.А. Дистанционный радиационный контроль с линейными ускорителями заряженных частиц. Т.1. Линейные ускорители для генерации тормозного излучения и нейтронов. М., Энергоатомиздат, 2009, 272 с.1. Bogdanovich B.Yu., Nesterovich A.V., Shikanov A.E., Vorogushin M.F., Svistunov Yu.A. Remote radiation control with linear accelerators of charged particles. T.1. Linear accelerators for generating bremsstrahlung and neutrons. M., Energoatomizdat, 2009, 272 p.

2. Mliey G.H., Sved J. Appl. Radiat. Isot. V.48, №10-12, 1997, p.1557-1561.2. Mliey G. H., Sved J. Appl. Radiat. Isot. V.48, No. 10-12, 1997, p. 1557-1561.

3. Замятнин В.Ю., Козловский К.И., Самарин А.В., Цыбин А.С., Хасая Д.Р., Шиканов А.Е. Ионный диод для генерации нейтронов. Патент РФ на изобретение №2461151 от 10.09.2012 г.3. Zamyatnin V.Yu., Kozlovsky K.I., Samarin A.V., Tsybin A.S., Khasaya D.R., Shikanov A.E. Ion diode for neutron generation. RF patent for the invention No. 2461151 of 09/10/2012.

4. Москалев Б. Н. Разряд с полым катодом, М., Наука. 1967.4. Moskalev B. N. Discharge with a hollow cathode, M., Science. 1967.

Claims (1)

Импульсный генератор нейтронов, содержащий источник высокого напряжения, а также находящиеся в рабочем объеме тяжелого водорода заземленный анод и соосно расположенный внутри анода полый катод в виде двух параллельных соосных дисков, соединенных между собой металлическими стержнями, расположенными перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси катода, отличающийся тем, что в него введен низковольтный источник постоянного напряжения 300<U<1000 В, соединенный с катодом через катушку с индуктивностью 0,1<L<10 мГн, а высоковольтный источник выполнен в виде генератора импульсных напряжений, соединенного с катодом через конденсатор с емкостью 0,1<С<10 нФ.

A pulsed neutron generator containing a high voltage source, as well as a grounded anode located in the working volume of heavy hydrogen and a hollow cathode coaxially located inside the anode in the form of two parallel coaxial disks interconnected by metal rods located perpendicular to the surfaces of the disks and symmetrically with respect to the cathode axis, characterized in that a low-voltage source of direct voltage 300 <U <1000 V is connected to it, connected to the cathode through a coil with an inductance of 0.1 <L <10 mH, and high volt source is designed as a pulse voltage generator connected to the cathode through a capacitor with a capacity of 0.1 <C <10 nF.

Images