RU168025U1 - PULSE NEUTRON GENERATOR - Google Patents

Abstract

Предполагаемая полезная модель относится к области нейтронной техники, конкретно, к устройствам для генерации нейтронов при взаимодействии ускоренных нуклидов водорода с твердыми мишенями.Сущность полезной модели заключается в том, что в известном импульсном генераторе нейтронов, содержащем источник высокого напряжения, зарядную линию, камеру с катодом, анодом и цилиндрической дрейфовой трубой, высоковольтным и оптическим вводами, лазер с фокусирующим устройством, цилиндрическая дрейфовая труба камеры с катодом и анодом дополнительно содержит нейтронообразующую мишень на ее внутренней поверхности, катод имеет коническую выемку на пересечении с фокальной плоскостью фокусирующего устройства, причем угол α раствора конической выемки лежит в пределах углов 30°<α<60°, при этом фокальная плоскость фокусирующего устройства лазера расположена на сечении конической выемки, параллельном основанию и лежащей на расстоянии l от основания конической выемки, удовлетворяющему условию: 0,3h<l<0,7h, где h высота конической выемки.Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение эффективности генерации нейтронов и повышение выхода нейтронов в импульсе до величин более чем 10нейтр./имп.The proposed utility model relates to the field of neutron technology, specifically, to devices for generating neutrons in the interaction of accelerated hydrogen nuclides with solid targets. The essence of the utility model is that in a known pulsed neutron generator containing a high voltage source, a charging line, a chamber with a cathode , an anode and a cylindrical drift tube, high-voltage and optical inputs, a laser with a focusing device, a cylindrical drift tube of a chamber with a cathode and anode but contains a neutron-forming target on its inner surface, the cathode has a conical recess at the intersection with the focal plane of the focusing device, and the angle α of the conical recess solution lies within the angles of 30 ° <α <60 °, while the focal plane of the laser focusing device is located on the conical section a recess parallel to the base and lying at a distance l from the base of the conical recess, satisfying the condition: 0.3h <l <0.7h, where h is the height of the conical recess. The technical result of the proposed device is Xia increase the efficiency of generation of neutrons and neutron yield increase per pulse to a value more than 10neytr. / pulse.

Description

Предполагаемая полезная модель относится к области нейтронной техники, конкретно, к устройствам для генерации нейтронов при взаимодействии ускоренных нуклидов водорода с твердыми мишенями.The proposed utility model relates to the field of neutron technology, specifically, to devices for generating neutrons in the interaction of accelerated hydrogen nuclides with solid targets.

Известны нейтронные генераторы по схеме коллективного ускорения ионов в так называемом диоде Люса с изолированным анодом [1]. В диоде Люса собственно диодная область представлена катодом, который обычно имеет форму стержня с заостренным концом, и составным анодом, имеющим в центре аксиально-симметричное отверстие. Анод в центральной части имеет диэлектрическую вставку, выполненную из материалов, в состав которых входит ускоряемый сорт ионов. Анод помещается в металлическую заземленную конструкцию через которую осуществляется отвод обратного тока. Область дрейфа располагается непосредственно за диодной областью и представляет собой цилиндрическую вакуумированную камеру длиной около метра. Ускорение ионов происходит преимущественно в области дрейфа. Анодная плазма приводит к уменьшению электронного пространственного заряда и пинчеванию электронного пучка по направлению к осевому анодному отверстию.Known neutron generators according to the collective ion acceleration scheme in the so-called Luce diode with an isolated anode [1]. In the Luce diode, the diode region itself is represented by a cathode, which usually has the shape of a rod with a pointed end, and a composite anode with an axially symmetrical hole in the center. The anode in the central part has a dielectric insert made of materials that include an accelerated grade of ions. The anode is placed in a grounded metal structure through which the reverse current is removed. The drift region is located directly behind the diode region and is a cylindrical evacuated chamber about a meter long. The acceleration of ions occurs mainly in the drift region. Anode plasma leads to a decrease in the electron space charge and pinching of the electron beam towards the axial anode hole.

Однако, ресурс диэлектрической вставки не превышает 10³-10⁴ импульсов и резко уменьшается при увеличении тока электронного пучка, который необходим для высокой эффективности ускорения ионов.However, the dielectric insert life does not exceed 10 ³ -10 ⁴ pulses and decreases sharply with increasing electron beam current, which is necessary for high ion acceleration efficiency.

Этого недостатка лишено техническое решение, описанное в работе [2], взятое за прототип. Устройство содержит источник высокого напряжения, зарядную линию, камеру с катодом, анодом и цилиндрической дрейфовой трубой, высоковольтным и оптическим вводами, лазер с фокусирующим устройством. Генерация нейтронов осуществляется в результате бомбардировки дейтронами титана-дейтериевых, углеродных и бериллиевых мишеней за счет возможности ускорения дейтронов до энергий ≥300 кэВ. При этом ускорение дейтронов осуществляется в процессе инжекции импульсного потока электронов в цилиндрическую рабочую вакуумную камеру (дрейфовую трубу), где при электростатическом запирании электронного потока формируется потенциальная яма. Синхронно с этим процессом в области потенциальной ямы с помощью импульсного лазера создается плазменное облако, содержащее нейтральные атомы дейтерия. Они ионизуются электронным ударом.This drawback lacks the technical solution described in [2], taken as a prototype. The device comprises a high voltage source, a charging line, a chamber with a cathode, anode and a cylindrical drift tube, high-voltage and optical inputs, a laser with a focusing device. Neutrons are generated as a result of deuteron bombardment of titanium-deuterium, carbon and beryllium targets due to the possibility of acceleration of deuterons to energies ≥300 keV. In this case, deuterons are accelerated during the injection of a pulsed electron flow into a cylindrical working vacuum chamber (drift tube), where a potential well is formed during the electrostatic blocking of the electron beam. Synchronously with this process, a plasma cloud containing neutral deuterium atoms is created in the potential well region using a pulsed laser. They are ionized by electron impact.

Для формирования потенциальной ямы необходимо, чтобы электронный ток превышал некоторое критическое значение, определяемое отношением радиусов трубы дрейфа и электронного пучка χ=R/a, относительной полной энергией электронов γ, а также электронной n_e концентрации и ионной концентрации n_i(t), зависящей от времени [3]:For the formation of a potential well, it is necessary that the electron current exceed a certain critical value, determined by the ratio of the radii of the drift tube and the electron beam χ = R / a , the relative total electron energy γ, as well as the electron n _e concentration and ion concentration n _i (t), which depends from time [3]:

где I_A≈17 кА - ток Альвена. В результате компенсации объемного заряда электронов образуемыми ионами потенциальная яма приходит в движение и ионы, захваченные в ее объеме, начинают ускоряться к нейтронообразующей мишени до энергий порядка глубины потенциальной ямы [4]:where I _A ≈17 kA is the Alfven current. As a result of the compensation of the space charge of electrons by the generated ions, the potential well begins to move and the ions trapped in its volume begin to accelerate to the neutron-forming target to energies of the order of the depth of the potential well [4]:

Однако, основным недостатком данного устройства является низкая эффективность генерации нейтронов с выходом не более 10⁶ нейтрон/импульс.However, the main disadvantage of this device is the low efficiency of neutron generation with an output of not more than 10 ⁶ neutrons / pulse.

Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение эффективности генерации нейтронов и повышение выхода нейтронов в импульсе до величин более чем 10⁷ нейтр./имп.The technical result of the proposed device is to increase the efficiency of neutron generation and increase the neutron yield in the pulse to values of more than 10 ⁷ neutrons / imp

Этот результат достигается тем, что в устройстве, содержащем источник высокого напряжения, зарядную линию, камеру с катодом, анодом и цилиндрической дрейфовой трубой, высоковольтным и оптическим вводами, лазер с фокусирующим устройством, цилиндрическая дрейфовая труба камеры с катодом и анодом дополнительно содержит нейтронообразующую мишень на ее внутренней поверхности, катод имеет коническую выемку на пересечении с фокальной плоскостью фокусирующего устройства, причем угол α раствора конической выемки лежит в пределах углов 30°<α<60°, при этом фокальная плоскость фокусирующего устройства лазера расположена на сечении конической выемки, параллельном основанию и лежащей на расстоянии l от основания конической выемки, удовлетворяющему условию 0,3h<h<0,7h, где h высота конической выемки.This result is achieved in that in a device containing a high voltage source, a charging line, a chamber with a cathode, anode and a cylindrical drift tube, high voltage and optical inputs, a laser with a focusing device, a cylindrical drift tube of a chamber with a cathode and anode additionally contains a neutron-forming target on of its inner surface, the cathode has a conical recess at the intersection with the focal plane of the focusing device, and the angle α of the conical recess solution lies within the angles of 30 ° <α <60 ° while the focal plane of the laser focusing device is located on the cross section of the conical recess, parallel to the base and lying at a distance l from the base of the conical recess, satisfying the condition 0.3h <h <0.7h, where h is the height of the conical recess.

Соотношение предельных значений угла α раствора конической выемки: 30°<α<60° определяется исходя из оптимальности столкновения сгустков лазерной плазмы, образующихся на стенках конической выемки. При углах α<30° резко спадает выход лазерной плазмы из конической выемки. При углах α>60° резко спадает эффективность степени ионизации плазмы, исходящей из конической выемки из-за отсутствия эффективного столкновения плазменных сгустков, образующихся на боковых поверхностях конической выемки [5].The ratio of the limiting values of the angle α of the solution of the conical recess: 30 ° <α <60 ° is determined based on the optimality of the collision of the laser plasma clots formed on the walls of the conical recess. At angles α <30 °, the output of the laser plasma from the conical recess sharply decreases. At angles α> 60 °, the efficiency of the degree of ionization of the plasma emanating from the conical recess sharply decreases due to the absence of an effective collision of plasma clumps formed on the side surfaces of the conical recess [5].

Верхний и нижний пределы неравенства: 0,3h<l<0,7h определяются исходя из условия, что к выходу из конической выемки плазменные сгустки завершат столкновение с ростом температуры электронной компоненты, что увеличивает степень ионизации результирующей плазменного потока [5].The upper and lower limits of the inequality: 0.3h <l <0.7h are determined on the basis of the condition that, upon exiting the conical recess, the plasma clots will complete a collision with an increase in the temperature of the electronic component, which increases the degree of ionization of the resulting plasma flow [5].

Предлагаемое устройство поясняется фиг. 1 и 2, где представлены схемы расположения основных элементов импульсного генератора нейтронов: 1 - источник высокого напряжения, 2 - зарядная линия, 3 - диэлектрический высоковольтный ввод в камеру, 4 - катод, 5 - коническая выемка, 6 - анод, 7 - цилиндрическая дрейфовая труба, 8 - нейтронообразующая мишень, 9 - оптический ввод, 10 - фокусирующее устройство, 11 - лазер, 12 - фокальная плоскость фокусирующего устройства.The proposed device is illustrated in FIG. 1 and 2, where the layout diagrams of the main elements of a pulsed neutron generator are presented: 1 - high voltage source, 2 - charging line, 3 - high-voltage dielectric input into the chamber, 4 - cathode, 5 - conical recess, 6 - anode, 7 - cylindrical drift tube, 8 — neutron-forming target, 9 — optical input, 10 — focusing device, 11 — laser, 12 — focal plane of the focusing device.

Устройство работает следующим образом. Объем дрейфовой трубы 7 откачивается до давления остаточного вакуума ниже 10^-4 торр. Согласно схеме, представленной на фиг. 1, нарастающий отрицательный потенциал от источника импульсного напряжения 1 через зарядную линию 2 подается на катод 4. При определенном заданном напряжении на разряднике запускается лазер 11, работающий в режиме модулированной добротности. Излучение лазера проходит через фокусирующее устройство 10, оптический ввод 9 и фокусируется на коническую выемку 5, расположенную в катоде 4.The device operates as follows. The volume of the drift pipe 7 is pumped out to a residual vacuum pressure below 10 ^-4 torr. According to the circuit shown in FIG. 1, the growing negative potential from the source of the pulse voltage 1 is fed through the charging line 2 to the cathode 4. At a certain specified voltage on the spark gap, a laser 11 operating in the modulated Q factor mode is launched. Laser radiation passes through a focusing device 10, an optical input 9 and focuses on a conical recess 5 located in the cathode 4.

Плазма, образуемая под действием лазерного импульса распространяется вдоль центральной оси цилиндрической дрейфовой трубы 7 со скоростью переднего фронта V_пл ~ 3×10⁵ м/с. с Характерные размеры дрейфовой трубы составляют 10-20 см в диаметре, размеры катода 4 и анода 6 пропорциональны размерам цилиндрической дрейфовой трубы 7 согласно фиг. 1. При этом, как показывают оценки, для используемых геометрий ускоряющей системы и энергии лазерного импульса время задержки срабатывания разрядника формирующей линии относительно лазерного импульса должно лежать в пределах от 100 до 150 нс. Коническая выемка 5 способствует формированию кумулятивной плазменной струи, которая компенсирует объемный заряд электронного пучка в цилиндрической дрейфовой трубе.The plasma formed under the action of a laser pulse propagates along the central axis of the cylindrical drift tube 7 with a leading front velocity _Vpl ~ 3 × 10 ⁵ m / s. c The characteristic dimensions of the drift tube are 10-20 cm in diameter, the dimensions of the cathode 4 and the anode 6 are proportional to the dimensions of the cylindrical drift tube 7 according to FIG. 1. Moreover, as estimates show, for the used geometries of the accelerating system and the laser pulse energy, the response delay time of the generating line arrester relative to the laser pulse should be in the range from 100 to 150 ns. Conical recess 5 contributes to the formation of a cumulative plasma jet, which compensates for the space charge of the electron beam in a cylindrical drift tube.

Предложенное техническое решение позволяет увеличить эффективность генерации нейтронов и повысить выход нейтронов в импульсе до величин более чем 10 нейтр./имп. Это особенно важно с точки зрения возможного применения ускорителя в качестве генератора нейтронов для элементного анализа горных пород в полевых условиях, нейтронного каротажа нефтяных и газовых скважин, а также работ досмотра и обнаружения опасных веществ.The proposed technical solution allows to increase the efficiency of neutron generation and increase the neutron yield in a pulse to values of more than 10 neutrons / imp. This is especially important from the point of view of the possible use of the accelerator as a neutron generator for elemental analysis of rocks in the field, neutron logging of oil and gas wells, as well as screening and detection of hazardous substances.

Источники информацииInformation sources

1. Дубинов А.Е., Корнилова И.Ю., Селемир В.Д. Коллективное ускорение ионов в системах с виртуальным катодом. Успехи физических наук, т. 172, №11, 2002, с. 1225-1246.1. Dubinov A.E., Kornilova I.Yu., Selemir V.D. Collective ion acceleration in systems with a virtual cathode. Advances in Physical Sciences, vol. 172, No. 11, 2002, p. 1225-1246.

2. Козловский К.И., Рыжков В.И., Цыбин А.С, Шиканов А.Е. Экспериментальное исследование макета генератора нейтронов на базе диода с коллективным ускорением дейтронов импульсным электронным потоком. Атомная энергия, т. 113, в. 2, 2012, с. 120-122.2. Kozlovsky K.I., Ryzhkov V.I., Tsybin A.S., Shikanov A.E. An experimental study of a prototype of a neutron generator based on a diode with collective deuteron acceleration by a pulsed electron beam. Atomic energy, t. 113, c. 2, 2012, p. 120-122.

3. Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. М., Мир, 1984, 432 с.3. Miller R. Introduction to the physics of high-current beams of charged particles. M., World, 1984, 432 p.

4. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. М., Атомиздат, 1977, 278 с.4. Didenko A.N., Grigoryev V.P., Usov Yu.P. Powerful electron beams and their application. M., Atomizdat, 1977, 278 pp.

5. Козловский К.И., Козырев Ю.П., Цыбин А.С, Быковский Ю.А. Влияние столкновения потоков лазерной плазмы в конусных мишенях на ее параметры на поздних стадиях разлета. Квантовая электроника, т. 5, вып. 2, 1978, с. 337-343.5. Kozlovsky K.I., Kozyrev Yu.P., Tsybin A.S., Bykovsky Yu.A. The effect of the collision of laser plasma flows in cone targets on its parameters in the late stages of expansion. Quantum Electronics, vol. 5, no. 2, 1978, p. 337-343.

Claims (1)

Импульсный генератор нейтронов, содержащий источник высокого напряжения, зарядную линию, камеру с катодом, анодом и цилиндрической дрейфовой трубой, высоковольтным и оптическим вводами, лазер с фокусирующим устройством, отличающийся тем, что цилиндрическая дрейфовая труба камеры с катодом и анодом дополнительно содержит нейтронообразующую мишень на ее внутренней поверхности, катод имеет коническую выемку на пересечении с фокальной плоскостью фокусирующего устройства, причем угол α раствора конической выемки лежит в пределах углов 30°<α<60°, при этом фокальная плоскость фокусирующего устройства лазера расположена на сечении конической выемки, параллельном основанию, и лежит на расстоянии l от основания конической выемки, удовлетворяющем условию 0,3h<l<0,7h, где h высота конической выемки.A pulsed neutron generator containing a high voltage source, a charging line, a chamber with a cathode, anode and a cylindrical drift tube, a high-voltage and optical inputs, a laser with a focusing device, characterized in that the cylindrical drift tube of the chamber with the cathode and anode additionally contains a neutron-forming target on it the inner surface, the cathode has a conical recess at the intersection with the focal plane of the focusing device, and the angle α of the conical recess solution lies within the angles 30 <Α <60 °, wherein the focal plane of the focusing of the laser device is located on the conical section of the recess parallel to the base, and lies at a distance l from the bottom of the conical recess, satisfying the condition 0,3h <l <0,7h, wherein the height h of the conical recess.

Images