RU2643523C1 - Method of generating neutron pulses - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention can be used in accelerator technology or in geophysical instrumentation, for example, in pulsed neutron generators for the national economy when exploring wells using pulsed neutron logging. The accelerating system, delivering ions of heavy hydrogen isotopes to the target, alternately accelerates these ions to low energies, at which hydrogen isotopes accumulate in the near-surface layer of the target, then accelerates ions of heavy hydrogen isotopes to high energies sufficient for performing synthesis reactions on the target surface.

EFFECT: increasing the efficiency of the neutron generator due to the allocation of a large number of neutrons due to the accumulation of hydrogen isotopes in the near-surface layer of the target, increasing the stability of the neutron flux in the pulse.

1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к способам генерации импульсных потоков быстрых нейтронов, в частности к способам, используемым в отпаянных ускорительных трубках, и может быть использовано в ускорительной технике или в геофизическом приборостроении, например в импульсных генераторах нейтронов народно-хозяйственного назначения при исследовании скважин методами импульсного нейтронного каротажа.The present invention relates to methods for generating pulsed fast neutron fluxes, in particular to methods used in sealed accelerator tubes, and can be used in accelerator technology or in geophysical instrumentation, for example, in pulsed neutron generators for economic purposes in well research using pulsed neutron logging methods .

Из предшествующего уровня техники известен способ генерирования импульсного потока частиц высокой энергии и источник частиц для осуществления такого способа (патент РФ №2496284, опубликован 20.10.2013). Этот способ содержит следующие этапы: образование плазмы на первом электроде и перенос указанной плазмы по направлению ко второму электроду в вакуумной камере, подача короткого импульса высокого напряжения между первым и вторым электродами в период, соответствующий нахождению плазмы в области пространства между этими электродами, причем в указанный переходный период пространство между первым и вторым электродами имеет высокую плотность ионов и электронов вблизи первого электрода и намного ниже плотность ионов и электронов вблизи второго электрода, при этом короткий импульс высокого напряжения подают для того, чтобы ускорить указанные ионы или электроны по направлению к указанному второму электроду, благодаря чему преодолевается связанный с пространственным зарядом предел тока обычного вакуумного диода и генерируются частицы высокой энергии на втором электроде.The prior art method for generating a pulsed flow of high energy particles and a particle source for implementing this method (RF patent No. 2496284, published on 10/20/2013). This method includes the following steps: the formation of plasma on the first electrode and the transfer of the specified plasma towards the second electrode in the vacuum chamber, applying a short high voltage pulse between the first and second electrodes in the period corresponding to the plasma in the region of space between these electrodes, and in the specified transition period, the space between the first and second electrodes has a high density of ions and electrons near the first electrode and is much lower than the density of ions and electrons near w cerned electrode, while a short pulse of high voltage fed to accelerate said ions or electrons towards said second electrode, whereby connected to overcome the space charge limit of a conventional vacuum diode current and high energy particles generated at the second electrode.

Общими признаками аналога, совпадающими с предлагаемым изобретением, являются образование ионной плазмы (в заявляемом способе - обеспечение источника плазмы) и перенос указанной плазмы по направлению ко второму электроду (в заявляемом способе - мишени) путем подачи импульса ускоряющего напряжения и далее генерирование потока частиц высокой энергии (в заявляемом способе - нейтронов) на втором электроде.The common features of the analogue that coincide with the invention are the formation of ionic plasma (in the inventive method, providing a plasma source) and the transfer of this plasma towards the second electrode (in the inventive method, the target) by applying an accelerating voltage pulse and then generating a stream of high-energy particles (in the inventive method - neutrons) on the second electrode.

Недостатком рассматриваемого способа генерирования импульсного потока частиц высокой энергии является небольшой выход нейтронов в импульсе, при этом КПД (определяемый отношением энергии полученных нейтронов к энергии, потребляемой устройством) не превышает 10^-3.The disadvantage of this method of generating a pulsed flux of high energy particles is a small neutron yield per pulse, while the efficiency (determined by the ratio of the energy of the obtained neutrons to the energy consumed by the device) does not exceed 10 ^-3 .

Для повышения выхода нейтронов можно увеличивать ионный ток, как это делают в аналоге, но при этом растет температура мишени; концентрация же в мишени тяжелых изотопов водорода, близкая к максимальной, возможна только при сравнительно низких температурах (для титана в качестве материала мишени ≈200°С), поэтому мишень приходится охлаждать. Под тяжелыми изотопами водорода понимают дейтерий и тритий, под ионами тяжелых изотопов водорода, соответственно - ядра (ионы) дейтерия и трития.To increase the neutron yield, the ion current can be increased, as is done in the analogue, but the target temperature rises; the concentration of heavy hydrogen isotopes in the target, close to the maximum, is possible only at relatively low temperatures (for titanium, the target material is ≈200 ° C); therefore, the target has to be cooled. Heavy hydrogen isotopes mean deuterium and tritium, heavy hydrogen isotopes ions, respectively, deuterium and tritium nuclei (ions).

Известен также способ получения нейтронов (патент РФ №2287196, опубликован 10.11.2006), в котором бомбардируют составную мишень, обладающую высоким коэффициентом диффузии изотопов водорода, ускоренными потоками ионов дейтерия или трития поочередно при непрерывном измерении уровня нейтронного потока. При этом в процессе бомбардировки составной мишени, в рабочем режиме генерации, ионами дейтерия при уменьшении нейтронного потока ниже минимального уровня отключают подачу дейтерия в источник ионов, подают в него тритий и облучают мишень ионами трития при ускоряющем напряжении, равном 0,5+0,05 от уровня напряжения ускорения ионов дейтерия в рабочем режиме регенерации.There is also known a method for producing neutrons (RF patent No. 2287196, published 10.11.2006), in which they bombard a composite target having a high diffusion coefficient of hydrogen isotopes, accelerated fluxes of deuterium or tritium ions alternately during continuous measurement of the neutron flux level. At the same time, during the bombardment of the composite target, in the operating mode of generation, by deuterium ions, when the neutron flux is lower than the minimum level, the deuterium supply to the ion source is turned off, tritium is fed into it and the target is irradiated with tritium ions at an accelerating voltage of 0.5 + 0.05 from the voltage level of acceleration of deuterium ions in the operating mode of regeneration.

У этого способа общим с предлагаемым изобретением является осуществление ядерной реакции синтеза при взаимодействии потока частиц, ускоренных до высоких энергий, с материалом неподвижной мишени (в заявляемом способе - осуществление реакций дейтерий-дейтерий, тритий-тритий), и обеспечение поочередно процессов генерации (в заявляемом способе - при ускорении ионов до больших энергий) и регенерации материала поверхности мишени (в заявляемом способе это происходит при попадании на мишень ионов, ускоренных до малых энергий).This method has in common with the invention the implementation of a nuclear fusion reaction by the interaction of a stream of particles accelerated to high energies with a stationary target material (in the inventive method, the implementation of deuterium-deuterium, tritium-tritium reactions), and providing alternating generation processes (in the claimed the method - when accelerating ions to high energies) and regenerating the material of the target surface (in the present method, this occurs when ions accelerated to low energies hit the target).

К недостаткам аналога надо отнести громоздкую технологию изготовления мишени, сложность реализации ускоряющего ионы режима при небольшом выигрыше в выходе нейтронов, и соответственно небольшом выигрыше в КПД. При токе источника 1 мкА и ускоряющем напряжении 200 кВ выход нейтронов вакуумной нейтронной трубки составляет не более 108 в секунду, что соответствует КПД не более 10^-3 (http://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_generator, This page was last modified on 20 November 2014).The disadvantages of the analogue include the cumbersome technology for manufacturing the target, the difficulty of implementing the ion-accelerating regime with a small gain in neutron yield, and, accordingly, a small gain in efficiency. At a source current of 1 μA and an accelerating voltage of 200 kV, the neutron yield of a vacuum neutron tube is not more than 108 per second, which corresponds to an efficiency of not more than 10 ^-3 (http://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_generator, This page was last modified on November 20, 2014).

Прототипом предлагаемого изобретения является импульсный генератор нейтронов и гамма-излучения с длительностью импульса 5 нс и менее (патент US 20100025573 А1, 4.02.2010), позволяющий генерировать наносекундные импульсы нейтронов способом, включающим следующие стадии:The prototype of the invention is a pulsed neutron and gamma radiation generator with a pulse duration of 5 ns or less (patent US 20100025573 A1, 02/02/2010), which allows to generate nanosecond neutron pulses by a method that includes the following stages:

а) обеспечение источника плазмы;a) providing a plasma source;

б) формирование ионного пучка путем вытягивания из источника плазмы; а такжеb) the formation of an ion beam by drawing from a plasma source; as well as

в) в период генерации нейтронного импульса сканирование ионным пучком поперек мишени.c) during the generation of a neutron pulse, scanning by an ion beam across the target.

Общими признаками прототипа, совпадающими с предлагаемым техническим решением, являются: возможность генерировать наносекундные импульсы нейтронов, обеспечение источника плазмы, а также формирование ионного пучка путем вытягивания из источника плазмы.Common features of the prototype that coincide with the proposed technical solution are: the ability to generate nanosecond neutron pulses, providing a plasma source, as well as the formation of an ion beam by pulling from a plasma source.

Недостатками такого генератора являются невысокие выход нейтронов и стабильность работы генератора.The disadvantages of this generator are the low neutron yield and the stability of the generator.

Стабильность работы нейтронных генераторов описывают таким параметром, как среднеквадратичное отклонение (СКО) (RU 2370001), которое вычисляют по формуле (1)The stability of neutron generators is described by a parameter such as standard deviation (RMS) (RU 2370001), which is calculated by the formula (1)

где N_i - выход нейтронов в импульсе,where N _i is the neutron yield in a pulse,

N_cp - среднее значение выхода нейтронов в импульсе,N _cp - average neutron output value in the pulse,

m - число включений генератора в секунду.m is the number of generator starts per second.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение нейтронов в импульсе и повышение стабильности выхода нейтронов в импульсе.The technical result, the solution of which the invention is directed, is to increase the neutrons in the pulse and increase the stability of the neutron yield in the pulse.

Технический результат в предлагаемом способе генерации импульсов нейтронов достигается тем, что ускорительная система, доставляющая ионы тяжелых изотопов водорода к мишени, поочередно ускоряет эти ионы до малых энергий, при которых происходит накопление изотопов водорода в приповерхностном слое мишени, затем ускоряет ионы тяжелых изотопов водорода до больших энергий, достаточных для осуществления реакций синтеза на поверхности мишени.The technical result in the proposed method for generating neutron pulses is achieved by the fact that the accelerator system that delivers heavy hydrogen isotopes ions to the target, alternately accelerates these ions to low energies, at which hydrogen isotopes accumulate in the surface layer of the target, then accelerates heavy hydrogen isotopes ions to large energies sufficient to carry out synthesis reactions on the target surface.

Последовательность действий в заявляемом способе осуществляется следующим образом.The sequence of actions in the claimed method is as follows.

На выходе из источника плазмы формируют ионный пучок тяжелых изотопов водорода, на которые воздействует потенциал U ускорительной системы, подаваемый на источник плазмы относительно мишени. Под действием ускоряющего потенциала ионы приобретают энергию, соответствующую этому потенциалу Е=e⋅U. Ускорительная система работает в импульсном режиме в два этапа. На первом этапе подают ускоряющий потенциал относительно мишени 10-20 кВ, при этом ионы достигают мишени с малыми энергиями, недостаточными для реализации реакции синтеза; происходит накопление тяжелых изотопов водорода в приповерхностном слое мишени. Небольшая энергия ионного пучка, состоящего из малоэнергетичных ионов, препятствует чрезмерному разогреву мишени на этом этапе. На втором этапе работы подают ускоряющий потенциал относительно мишени 150-200 кВ, при этом ионы ускоряются до больших энергий, достаточных, чтобы в результате бомбардировки мишени, содержащей изотопы водорода, реализовались реакции термоядерного синтеза дейтерий-дейтерий или тритий-тритий.At the exit from the plasma source, an ion beam of heavy hydrogen isotopes is formed, which are affected by the potential U of the accelerator system supplied to the plasma source relative to the target. Under the action of the accelerating potential, the ions acquire energy corresponding to this potential E = e⋅U. The accelerator system operates in a pulsed mode in two stages. At the first stage, an accelerating potential relative to the target of 10-20 kV is supplied, while the ions reach the target with low energies, insufficient for the implementation of the synthesis reaction; heavy hydrogen isotopes accumulate in the surface layer of the target. The low energy of the ion beam, consisting of low-energy ions, prevents the target from being overheated at this stage. At the second stage of the work, an accelerating potential relative to the target of 150-200 kV is supplied, while the ions are accelerated to high energies sufficient so that as a result of the bombardment of the target containing hydrogen isotopes, fusion reactions of deuterium-deuterium or tritium-tritium are realized.

Примером устройства, в котором осуществляется этот способ, является вакуумная нейтронная трубка (Бирюков В.Н., Гатько Л.Е. «Вакуумная нейтронная трубка», патент RU 159831 U1), в которой плазма создается двумя источниками ионов; при этом образованные первым источником ионы дейтерия ускоряются до больших энергий, достаточных для протекания реакции синтеза с выделением нейтронов, а образованные вторым источником ионы дейтерия при попадании на мишень имеют малую энергию, недостаточную для протекания ядерной реакции синтеза, что приводит к накоплению изотопов водорода в приповерхностном слое мишени.An example of the device in which this method is implemented is a vacuum neutron tube (Biryukov V.N., Gatko L.E. “Vacuum neutron tube”, patent RU 159831 U1), in which the plasma is generated by two ion sources; in this case, deuterium ions formed by the first source are accelerated to high energies sufficient for the synthesis reaction to occur with neutrons, and when deuterium ions formed by the second source, when hit on the target, they have low energy, insufficient for the nuclear fusion reaction to occur, which leads to the accumulation of hydrogen isotopes in the surface target layer.

В рассматриваемом нейтронном генераторе используется реакция синтеза d(d,n)³Не, при этом ускоряются ионы дейтерия (d) по направлению к дейтериевой мишени. Теоретически возможная реакция t(t,2n)⁴He недостаточно изучена ввиду сложности осуществления.In the neutron generator under consideration, the synthesis reaction d (d, n) ³ He is used, while deuterium (d) ions are accelerated towards the deuterium target. The theoretically possible reaction t (t, 2n) ⁴ He is not well understood due to the complexity of the implementation.

В результате реакций будут образовываться моноэнергетические нейтроны с энергией 2,45 МэВ в случае дейтериевой мишени, на которую налетает пучок ионов дейтерия (2), или с энергией 11,3 МэВ в случае тритиевой мишени, на которую налетает пучок ионов трития (3). В предлагаемом способе в реакции (2) на первом этапе энергия ускоренных дейтронов составляет 20-50 кэВ, на втором этапе энергия ускоренных дейтронов 1-1,5 МэВ.As a result of reactions, monoenergetic neutrons with an energy of 2.45 MeV will be formed in the case of a deuterium target onto which a beam of deuterium ions strikes (2), or with an energy of 11.3 MeV in the case of a tritium target against which a beam of tritium ions flies (3). In the proposed method, in reaction (2) in the first stage, the energy of accelerated deuterons is 20-50 keV, and in the second stage, the energy of accelerated deuterons is 1-1.5 MeV.

Реакция (3), несмотря на недостаточную изученность, является весьма перспективной. Она имеет максимальное сечение реакции 0,1 б при энергии налетающей частицы около 1 МэВ (http://profbeckman.narod.ru/YadFiz.files/L21.pdf).Reaction (3), despite insufficient knowledge, is very promising. It has a maximum reaction cross section of 0.1 b at an incident particle energy of about 1 MeV (http://profbeckman.narod.ru/YadFiz.files/L21.pdf).

Понятие «сечение реакции» характеризует вероятность того, что два ядра вступят во взаимодействие, и измеряется в барнах (б), 1 б=10^-24 см². Сечение реакции дейтерия с дейтерием d(d,n)³Не достигает максимальной величины (σ≈0,1 б), когда взаимодействующие частицы имеют энергию относительного сближения в интервале 1-4 МэВ; при энергии 20-50 кэВ сечение становится в 100 раз меньше /nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/neutr_gen/index.htm/. Таким образом, на стадии накопления изотопов в приповерхностном слое мишени предпочтительная энергия ионов дейтерия, попадающих на мишень, составляет 20-50 кэВ, а на стадии осуществления реакции синтеза предпочтительна энергия налетающих на мишень ионов 1-4 МэВ (для дейтериевой мишени).The concept of "reaction cross section" characterizes the probability that two nuclei will enter into interaction, and is measured in barn (b), 1 b = 10 ^-24 cm ² . The cross section for the reaction of deuterium with deuterium d (d, n) ³ does not reach its maximum value (σ≈0.1 b) when the interacting particles have an energy of relative proximity in the range of 1–4 MeV; at an energy of 20–50 keV, the cross section becomes 100 times smaller /nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/neutr_gen/index.htm/. Thus, at the stage of isotope accumulation in the surface layer of the target, the preferred energy of deuterium ions incident on the target is 20-50 keV, and at the stage of the synthesis reaction, the energy of 1-4 MeV ions incident on the target is preferred (for a deuterium target).

Мишени нейтронных генераторов, позволяющих получить высокоинтенсивные потоки нейтронов, представляют собой тонкие слои титана или скандия, нанесенные на медную подложку. Эти металлы способны образовывать так называемые металлические гидриды. Так, гидриды тантала, титана, ниобия или скандия способны удерживать до двух атомов изотопов водорода на один атом металла. Это свойство металлических гидридов позволяет использовать их в качестве аккумуляторов изотопов водорода. Энергия, теряемая пучком заряженных частиц в мишени, может достигать больших величин (до десятков кВт на квадратный сантиметр). Эта энергия идет на нагрев мишени. На чертеже приведены зависимости растворимостей водорода в тантале и ниобии в зависимости от температуры этих металлов (Сонгина О.А. «Редкие металлы». Наука, 1964, с. 569). Очевидно, что растворимость водорода высока в обоих металлах при комнатной температуре, но уже при 400°С падает на 20% для ниобия и втрое для тантала. Равновесные растворимости водорода и дейтерия несколько различаются, но скорость растворения дейтерия меньше, особенно при 500°С /http://chem21.info/article/382056/.The targets of neutron generators, allowing to obtain high-intensity neutron fluxes, are thin layers of titanium or scandium deposited on a copper substrate. These metals are capable of forming the so-called metallic hydrides. So, the hydrides of tantalum, titanium, niobium or scandium are capable of holding up to two atoms of hydrogen isotopes per metal atom. This property of metal hydrides allows their use as accumulators of hydrogen isotopes. The energy lost by the beam of charged particles in the target can reach large values (up to tens of kW per square centimeter). This energy is used to heat the target. The drawing shows the dependences of the solubilities of hydrogen in tantalum and niobium depending on the temperature of these metals (Songina OA "Rare metals". Nauka, 1964, p. 569). Obviously, the solubility of hydrogen is high in both metals at room temperature, but already at 400 ° C it drops by 20% for niobium and three times for tantalum. The equilibrium solubilities of hydrogen and deuterium are somewhat different, but the rate of dissolution of deuterium is lower, especially at 500 ° C / http://hm21.info/article/382056/.

Для сохранения высокой концентрации растворенного водорода требуется эффективное охлаждение мишени. Обычно используется водяное охлаждение.To maintain a high concentration of dissolved hydrogen, effective target cooling is required. Water cooling is commonly used.

Внедрение в приповерхностный слой мишени ионов на первом этапе импульсного режима многократно повышает поверхностную концентрацию требуемых для реакции синтеза изотопов водорода, что обеспечивает условия для реакции синтеза с выделением большого количества нейтронов на втором этапе.The introduction of ions into the surface layer of the target at the first stage of the pulsed mode greatly increases the surface concentration of the hydrogen isotopes required for the synthesis reaction, which provides conditions for the synthesis reaction with the release of a large number of neutrons in the second stage.

В случае высокой емкости источника плазмы материал мишени может изготовляться из чистого металла, а его гидратация будет осуществляться в процессе работы после сборки, откачки и геттерирования, как это происходит в генераторах с самовосстанавливающимися мишенями (self-replenishing targets), что существенно увеличивает технологичность всей конструкции.In the case of a high capacity of the plasma source, the target material can be made of pure metal, and its hydration will be carried out during operation after assembly, pumping and gettering, as happens in generators with self-replenishing targets, which significantly increases the manufacturability of the entire structure .

Накопление изотопов водорода в приповерхностном слое мишени позволит повысить КПД нейтронного генератора в полтора раза за счет выделения большого количества нейтронов. В результате того, что значительная часть ионов, внедряемых в мишень, имеет низкую энергию, недостаточную для разогрева мишени, обеспечивается высокая стабильность потока нейтронов в импульсе.The accumulation of hydrogen isotopes in the surface layer of the target will increase the efficiency of the neutron generator by one and a half times due to the release of a large number of neutrons. As a result of the fact that a significant part of the ions introduced into the target has low energy, insufficient to heat the target, high stability of the neutron flux in the pulse is ensured.

Claims (1)

Способ генерации импульсов нейтронов, включающий обеспечение источника плазмы и формирование ионного пучка путем вытягивания его из источника плазмы, отличающийся тем, что посредством ускорительной системы, доставляющей ионы тяжелых изотопов водорода к мишени, поочередно ускоряют эти ионы до малых энергий, при которых происходит накопление изотопов водорода в приповерхностном слое мишени, затем ускоряют ионы тяжелых изотопов водорода до больших энергий, достаточных для осуществления реакций синтеза на поверхности мишени.A method for generating neutron pulses, which includes providing a plasma source and forming an ion beam by pulling it from a plasma source, characterized in that by means of an accelerator system delivering heavy hydrogen isotopes ions to the target, these ions are sequentially accelerated to low energies at which hydrogen isotopes accumulate in the surface layer of the target, then ions of heavy hydrogen isotopes are accelerated to high energies sufficient for the implementation of synthesis reactions on the target surface.

Images