Способ генерации импульсов аннигиляционных гамма-квантов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к генерации потоков гамма-квантов и может быть применено в термоядерных исследованиях. Цель изобретения -увеличение плотности потока гамма-квантов и спектральной плотности излучения. Способ осуществляют посредством накопления позитрон-электронной плазмы в магнитной ловушке типа пробкотрон. Источником позитронов служит радиоактивный изотоп меди 2эСи с удельной активностью 1013 - 1014 распад/с.г. и периодом полураспада 12,88 ч, установленным в одной из пробочных горловин магнитной ловушки. Использованием в каждом цикле накопления позитрон-электронной плазмы нарастающего во времени магнитного поля достигается время удержания ее в пределах 1 - 10 с. Во второй горловине магнитной ловушки и соосно ей установлена дополнительная катушка, открывающая эту горловину и подключенная так, что направление ее магнитного поля противоположно направлению основного поля, пробочной катушки, а суммарная величина напряженностей этих полей равна или меньше квазистационарного поля в центре ловушки. После открытия ловушки поток позитрон-электронной плазмы направляют на конвертор. Изобретение позволяет получать импульсы аннигиляционных уквантов с энергией около 0,511 МэВ и плотностью потока мощности в пределах 1.0е - 109 Вт/см2. 2 с.п..ф-лы, 1 ил. NJ Ю СО сь ч| VI

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1723677 А1 (st)s Н 05 Н 1/00, 6 21 G 4/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4856232/25 (22) 09.07.90 (46) 30.03.92. Бюл. М 12 (71) Институт атомной энергии им. И.В.Курчатова (72) В.В.Горев (53) 621.039(088.8) (56) Ионас Д.Ж. Термоядерная энергия и пучки заряженных частиц. — УФН, 1981, т. 133, с. 159.

Кумахов M.À. Излучение каналированных частиц в кристаллах. — М.: Энергоиздат, 1986, с. 9 — 15.

Гольданский В,И. Химическая физика позитрона и позитрония. — М.: Наука, 1968, с. 121-123. (54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ

АННИГИЛЯЦИОН НЫХ ГАММА-КВАНТОВ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к генерации потоков гамма-квантов и может быть применено в термоядерных исследованиях. Цель изобретения -увеличение плотности потока гамма-квантов и спектральной плотности излучения, Способ осуществляют посредством накопления позитрон-электронной плазИзобретение относится к генерации потоков гамма-квантов, а также к термоядерным исследованиям. в частности к системам удержания горячей плазмы в виде прямых ловушек с магнитными зеркалами (пробкотроны).

Известен способ генерации мощных потоков -излучения с энергией квантов до нескольких мегаэлектронвольт, заключающийся атом, что электроны высоких энергий мы в магнитной ловушке типа пробкотрон.

Источником позитронов служит радиоактивный изотоп меди 29Сц с удельной ак64 тивностью 10 — 101" ра с и ад/с. г. и периодом полураспада 12,88 ч, установленным в одной из пробочных горловин магнитной ловушки. Использованием в каждом цикле накопления позитрон-электронной плазмы нарастающего во времени магнитного поля достигается время удержания ее в пределах 1 — 10 с. Во второй горловине магнитной ловушки и соосно ей установлена дополнительная катушка, открывающая эту горловину и подключенная так, что напразление ее магнитного поля противоположно направлению основного поля пробочной катушки, а суммарная величина напряженностей этих полей равна или меньше квазистационарного поля в центре ловушки. После открытия ловушки поток позитрон-электронной плазмы направля-:Я ют на конвертор. Изобретение позволяет получать импульсы аннигиляционных gквантов с энергией около 0,511 МэВ и плотностью потока мощности в пределах 1.0 з

10 Вт/см . 2 с.п..ф-лы, 1 ил. от сильноточного ускорителя электронов типа "Аврора" направляются на мишень и, взаимодействуя с ней, конвертируются в поток тормозного излучения мощностью до

10 Вт/см .

Недостатком способа является широкий спектр частот, в котором генерируются у-кванты, что приводит к низкой спектральной плотности излучения, а также необходимость создания сложной и энергоемкой установки.

1723 б77

Известен способ создания потоков уизлучения с высокой спектральной плотностью, заключающийся в использовании эффекта изучения высокоэнергетических электронов или позитронов при каналировании в кристаллах.

Недостатком способа является низкая плотность потока излучения и значительные размеры установки.

Известен способ генерации слабых потоков аннигиляционных р-квантов, заключающийся в том, что позитроны от изотопного источника (наиболее распространен Na ), не подвергаясь магнитному удержанию и накоплению, прямо направляются на образец, где аннигилируют с излучением g -квантов.

Недостатком указанных способа и устройства является низкая интенсивность излучения, ограничивающая область применимости способа исключительно диагностическими задачами, Цель изобретения — увеличение плотности потока аннигиляционных g-квантов и спектральной плотности излучения.

Для достижения указанной цели в способе, включающем получение потока позитронов от изотопного источника и направление этого потока нз исследуемый образец, являющийся при этом конвертором, в качестве изотопного источника используют радиоактивный изотоп, имеющий период полураспада (ivy), много больший времени удержания плазмы в ловушке, определяемый в пределах 1 — 10 с и обладающий наведенной Р -активностью 10

1014 расп./с.г., а испускаемые источником позитроны инжектируют в обьем ловушки, находящийся под воздействием магнитного поля пробочной конфигурации, удерживают и накапливают в ловушке релятивистскую электрон-поэитронную плазму до достиже10 12 -3 ния плотности в пределах 10 — 10 см и, включив встречное магнитное поле в зоне свободной горловины магнитной ловушки такое, что, результирующая от него и стационарного поля в зоне горловины совпадает с квазистационарным полем в центре ловушки Вдоп.квт. Йпробки + Вцеитр ловушки а время нарастания встречного магнитного поля, определяющее время открытия ловушкь|, принимается в интервале

L. — Готкр (Ху т

v где (— длина ловушки; ч — характерная скорость частиц плазмы, открывают ловушку и направляют сгусток позитрон-электронной плазмы на конвертор иэ материала, обеспечивающего максимальный выходу-квантов, при выполнении условий

Л+сЛ <(Л...

5 где Л+, Л вЂ” длины пробегов позитронов и -квантов в принятом материале;

Ь вЂ” толщина конвертора.

Изотопный источник позитронов, используемый в предлагаемом способе, изготав10 ливают из изотопа меди zgCU имеющего

64 период полураспада т1/2 = 12,88 ч, Для придания меди дСи удельной радиоактивности 10 — 10 распад./.с.r. ee облучают потоком тейловых нейтоонов плотностью б 10 4 — 5 10 5 см с в течение 30 — 50 ч. При этом массу изотопного источника принимают в пределах 1—

100 r.

В способе имеется возможность адиабатического сжатия облака релятивистской плазмы нарастающим во времени магнитным полем с целью дополнительного повышения ее устойчивости. При этом скорость нарастания Н определяется соотношением

dH где э

Нмакс(ПЛ) 2

dl

ГдЕ Нтекс (Г 1) — МаКСИМаЛЬНО дОСтИжИМОЕ значение магнитного поля в точке ri, t - время удержания плазмы в ловушке.

Предельная плотность релятивистской позитрон-электронной плазмы ппред, получаемой предлагаемым способом, составляет 101Π— 10 см . При этом справедливо соотношение

AТу- ппред V, где А — активность изотопного источника;

Ч вЂ” обьем магнитной ловушки.

Конвертор, представляющий собой фольгу иэ материала с малым коэффициентом отражения электронов и позитронов от поверхности, имеющую толщину Л больше длины пробега позитронов, но много мень45 ше длины пробега аннигиляционных уквантов

Л < Ь1с« Л)с г где позитроны аннигилируют.

Если плотность I+ потока позитронов

50 удовлетворяет условию

Оплав Ь P

I+ ппредч » + Г m Готк

КЗЛ

55 где 0плввл, — удельная теплота плавлеГ ния матери ла онвертора; р (г/смз) — его плотность;

m — масса покоя позитрона; у — релятивистский фактор, 1723677 то материал испаряется и представляет собой плотную, холодную, слабоионизованную плазму. ф

Ее температура определяется из условия

ТО» где о = 5,67 10 Вт см град — постоянная Стефана-Бол ьцмана.

Степень монохроматичности у- квантов определяется тогда из условия

10ymсг где h,v И вЂ” ширина спектральной линии и частота у-кванта соответственно.

R = 1,38 10 6 эргlград. — постоянная

Больцмана, Источник дает излучение в телесный угол 4 Л-стерадиан.

Для осуществления предлагаемого способа генерации аннигиляционных у— квантов можно использовать устройство, состоящее из источника позитронов в виде изотопного источника и конвертора, в котором источник позитронов выполнен в виде магнитной ловушки типа пробкотрон, включающей вакуумную камеру, магнитную систему удержания плазмы, с магнитным полем в центре в пределах 5 — 15 кГс и проСочным отношением от 3 до 5, систему создания вакуума и излучатель позитронов в виде экрана, изгртовленного из медной фольги толщиной 10 — 10 см, активированной потоком тейловых нейтронов до получения наведенной )3+ -активности в пределах 10 — 10 распад./с.г. установленного в зоне одной из пробочных горловин магнитной ловушки, перпендикулярно ее продольной оси, вторая пробочная горловина ловушки, кроме катушки основного пробочного магнитного поля, имеет дополнительную катушку, концентрично ей расположенную и создающую про. тивоположное по направлению магнитное поле такой величины, что сумма напряженностей этих магнитных полей в окрестности оси ловушки совпадает или меньше напряженности квазистационарного магнитного поля в центре ловушки. Для включения дополнительной катушки и поддержания длительности импульса тока через нее, определяющей длительность открытия лоL

ВУШКИ roTKP. В ПРЕДЕЛаХ вЂ” < toTKP «ХУ МОжч но использовать известное устройство. коммутации токов. При этом выбор толщины фольги медного источника связан с ус5

15 ловием отсутствия самопоглощения позитронов в источнике и соответственно при указанной активности 10 — 10 распад./с.г. условия его нерасплавления.

На чертеже схематически изображено устройство, с помощью которого можно осуществить предлагаемый способ.

Устройство содержит вакуумную камеру 1 магнитной ловушки, источник 2 позитронов, катушки 3 для создания пробочного магнитного поля, дополнительную катушку

4, источник 5 питания дополнительной катушки, конвертор 6, облако 7 релятивистской электрон-позитронной плазмы и магнитные силовые линии 8.

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью вакуумных агрегатов откачивают объем магнитной ловушки до

20 давления P = 10 торр, с помощью дистанционного механизма устанавливают изотопный источник 2 в зоне одной из пробочных горловин ловушки и, включив питание основных катушек 3 магнита, 25 осуществляют процесс накопления позитронов в стационарном или растущем во времени магнитном поле. После этого вкл ючают дополнительную катуш ку 4, которая открывает другую горловину ловушки, и

30 выпускают сгусток 7 электрон-позитронной плазмы на конвертор, где и генерируется импульс у-излучения.

Конкретная реализация предлагаемого изобретения осуществляется следующим

35 образом.

Из материала гдСи, облученного в ядерном реакторе в течение 30 — 50 ч, изго-. тавливают изотопный источник гдСа (имеющий период полураспада 12,88 ч) в

40 виде фольги толщиной не более длины пробега позитрона (- 10 см) При заданных размерах поверхности источника, равной 0,1 — 0,2 м, и при средней плотности г потока нейтронов на исходную заготовку, 45 равной 5 10 см с, получается изотоп с активностью 10 распад./с.r. Если характерное время удержания релятивистской электрон-позитронной плазмы около

1 — 10 с", в ловушке накапливается 10 — 10

50 позитронов.

Предельная плотность., при которой возможно длительное удеожание плазмы, составляет до 10 см, откуда объем плазмы 1,0 — 0,01 м ..

55 Конвертор изготавливают из легкого металла например алюминия. Его площадь должна быть не менее площади сечения дополнительной катушки, а толщина материала 10 г — 10 см.

1723677

Включение дополнительной катушки и вывод позитронов на конвертор осуществляется после достижения максимального зап ол нения ловуш ки позитрон ам и. При этом дополнительная катушка может обес- 5 печить открывание ловушки и истечение из нее плазмы за время х- 10 — 10 с.

-6 -5

Использование изобретения позволяет . создать технически простые, компактные источники монохроматического ) - 10 излучения с энергией квантов около

0,511 МэВ и плотностью потока мощности до10 — 10 Вт/см .

Формула изобретения 15

1. Способ генерации импульсов аннигиляционных гамма-квантов, включающий получение потока позитронов из изотопного источника и направление его на конвертор, преобразующий падающий поток 20 позитронов в аннигиляционное излучение. гамма-квантов, отличающийся тем, что, с целью увеличения плотности потока аннигиляционных гамма-квантов и спектральной плотности излучения, в качестве 25 позитронного источника используют Р радиоактивный изотоп с наведенной удельной активностью 10 з — 10 распад./с.r. и массой 1 — 100 г поток позитронов, имеющих характерную скорость ч, и электронов, испускаемых этим источником, направляют в магнитную ловушку пробочной конфигурации длиной L с пробочным отношением в пределах 3 — 5 и величиной магнитного поля в центре ловушки в пределах З5

5 — 15 кГс, нде накапливают позитроны в составе позитрон-электронной плазмы с плотностью 10 — 10- см и с временем гу удержания 1 — 10 с, затем открывают ловушку за время (/ч < z < Ty путем уменьшения величины магнитного поля в одной из горловин магнитной ловушки, а образовавшийся поток позитрон-электронной плазмы из открытой горловины ловушки направляют на конвертор, при этом материал источника позитронов выбирают из условия, что его период полураспада должен быть больше времени удержания позитрон-электронной плазмы в магнитной ловушке.

2, Устройство для генерации импульсов аннигиляционных гамма-квантов, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что используют источник позитронов в виде плоской фольги толщиной, меньше длины пробега в ней позитронов из.Я-активного изотопа меди рдСи и устанавливают его перпендикулярно и соосно с магнитным полем ловушки в одной из его горловин, вторую горловину ловушки открывают за время r= 10 6—

10 с с помощью соосной с ловушкой дополнительной магнитной катушки, установленной во второй горловине ловушки путем создания встречного основному удерживающему магнитному полю дополнительного магнитного поля, равного по величине разности величин магнитных полей в горловине и центре ловушки, а поток позитрон-электронной плазмы из этой горловины направляют на конвертор, выполненный в виде пластин из алюминия, или бериллия, или титана, толщиной

Лк в пределах k- < hk < it, где Я+, il —. длины пробегов позитронов и гамма-квантов в материале конвертора.

1723677

Составитель Г. Шергин

Редактор M. Кобылянская Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор О. Ципле

Заказ 1070 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101