Индукционный ускоритель дейтронов - нейтронный генератор

Авторы патента:

H05H15 - Способы или устройства для ускорения заряженных частиц, не предусмотренные в предыдущих рубриках

Владельцы патента RU 2366124:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова" (RU)

Изобретение относится к линейным индукционным ускорителям заряженных частиц и может быть использовано для ускорения интенсивных пучков легких ионов как в фундаментальных, так и в прикладных задачах. Индукционный ускоритель дейтронов - нейтронный генератор содержит ускоряющую секцию из последовательности идентичных индукторов и ускорительную трубку с вакуумной откачкой и концентратором напряжения. Один конец трубки укреплен на торцевом фланце корпуса, а на втором укреплен катод электронной пушки. Анод пушки снабжен центральным пролетным отверстием и укреплен на противоположном фланце корпуса соосно индукторам. В ускоритель дополнительно введены кольцевой источник трубчатого пучка дейтронов и кольцевая нейтронообразующая мишень. Интегратор напряжения выполнен из двух алюминиевых коаксиальных труб. Одни торцы труб вакуумно-плотно укреплены с обеспечением электрического контакта на торцевой крышке корпуса, а противоположные свободные торцы аналогично укреплены с кольцевой мишенью. Полость между трубами связана патрубками с размещенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени. Секция рекуперации содержит корпус, водоохлаждаемый коллектор электронного пучка и последовательность индукторов. Изобретение позволяет увеличить ускоряемые токи и повысить КПД устройства. 4 ил.

Изобретение относится к области технической физики, в частности к линейным индукционным ускорителям заряженных частиц, и может быть использовано для ускорения интенсивных пучков легких ионов как в фундаментальных, так и в прикладных задачах, например для генерации нейтронных потоков при терапии онкологических заболеваний.

Известен индкуционный ускоритель ЛИУ 5/5000, содержащий последовательность соосных идентичных индукторов, укомплектованных ферромагнитными сердечниками, внутри которых размещена ускорительная трубка и фокусирующие катушки; генератор импульсного напряжения, питающий индукторы, генератор импульсного напряжения, питающий катушки /Ю.П.Вахрушин "Линейные индукционные ускорители". Докторская диссертация НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, Ленинград, 1977/ /1/. Однако ускорять в ЛИУ 5/5000 ионные токи с интенсивностью, достаточной для промышленного использования - невозможно.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство, описанное в /1/ на страницах 221-224, которое и выбрано за прототип. Индукционный ускоритель - прототип содержит ускоряющую секцию, состоящую из идентичных размещенных соосно индукторов с сердечниками из ферромагнитного материала, в которых размещена ускоряющая трубка. В ней укреплена металлическая труба. Один из торцев ее заземлен, а на противоположном - укреплен катод электронной пушки.

Анод пушки снабжен отверстием для пролета ускоренного пучка и укреплен на заземленном корпусе ускорителя с обеспечением электрического контакта. В сослав ускорителя входят также генераторы импульсов ускоряющего напряжения, элетрически связванные фидерами с питаемыми индукторами.

Однако в прототипе невозможно ускорять высокоинтенсивные ионные токи. Указанное обстоятельство не позволяет получить достаточно высокого для промышленного применения КПД устройства.

Техническая сущность изобретения состоит в том, что одновременно с трубчатым ионным пучком навстречу ему ускоряется электронный пучок, который находится внутри ионного. При этом достигается компенсация зарядов ионного пучка, что позволяет ускорять большие токи по сравнению с прототипом. Энергия, затрачиваемая на ускорение электронного пучка, преобразуется обратно в энергию электромагнитных колебаний в дополнительно установленной секции рекуперации и возвращается в ускоряющую секцию, чем повышаемся КПД устройства до уровня электронных индукционных ускорителей, использующихся в промышленности.

Технический результат достигается тем, что дополнительно введены кольцевой источник трубчатого пучка дейтронов, укрепленный вокруг анода; кольцевая нейтронообразующая мишень, укрепленная вокруг катода, снабженная катушками размещенными аксиально-симметрично, так что их оси расположены в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя, источники электропитания катушек, интегратор напряжения выполнен из двух алюминиевых коаксиальных труб, одни торцы которых вакуумно-плотно укреплены, с обеспечением электрического контакта на торцевой крышке корпуса, а противоположные свободные торцы труб аналогично укреплены с кольцевой мишенью, и полость между трубами связана патрубками с размещенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени, содержащей резервуар с раствором борной кислоты, теплообменник и насос, объединенные трубопроводом; секция рекуперации содержит цилиндрический металлический заземленный корпус, который граничит с корпусом ускоряющей секции общим торцевым фланцем с анодом в нем, водоохлаждаемый коллектор электронного пучка, укрепленный на противоположном торцевом фланце, последовательность индукторов, идентичных индукторам ускоряющей секции, связанных с ними электрическими фидерами.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображена схема предлагаемого ускорителя дейтронов - нейтронного генератора. На фиг.2 изображено сечение нейтронообразующей мишени плоскостью, перпендикулярной оси ускорителя.

На фиг.3 изображено сечение источника трубчатого пучка дейтронов плоскостью, перпендикулярной оси ускорителя, а на фиг.4 - сечение одной из двенадцати сборок источника дейтронов.

Индукционный ускоритель - нейтронный генератор состоит из ускоряющей секции, индукторы которой содержат сердечники, изготовленные из ферромагнитного материала - 1, внутри которых проходит вакуумированная ускорительная трубка - 2, в которой размещены две коаксиальные алюминиевые трубы: наружная - 3 и внутренняя - 4. Своими торцами трубы укреплены на корпусе ускорителя герметично, с обеспечением электрического контакта. На противоположных торцах труб герметично укреплена кольцевая нейтронообразующая мишень - 5, которая размещена вокруг катода электронной пушки - 6 с обеспечением электрического контакта с ним. Катод снабжен подогревателем - 7. Полость - 8 между трубами сообщается посредством патрубков - 9 с расположенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени 10, которая содержит резервуар с раствором борной кислоты, теплообменник, насос и обеспечивает циркуляцию в полости между трубами 3 и 4 охлаждающего мишень - 5 раствора борной кислоты 11. Мишень - 5 снабжена магнитными катушками 12 (фиг.2), размещенными аксиально-симметрично.

Оси катушек расположены в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя. Катушки создают магнитное поле параллельное плоскости мишени и перпендикулярное оси ускорителя. Анод пушки - 13 снабжен центральным отверстием - 14, через которое проходит ускоренный пучок - 15 в секцию рекуперации. Секция рекуперации содержит индукторы, в каждом из которых размещен ферромагнитный сердечник - 16 и катушка магнитной фокусировки - 17. Индукторы-рекуператоры снабжены фидерами - 18, связывающими их с ускоряющими индукторами. На выходе секции рекуперации размещен водоохлаждаемый коллектор электронного пучка - 19. В Вокруг анода - 13 размещен, с обеспечением электрического контакта, источник трубчатого пучка дейтронов - 20, содержащий двенадцать идентичных, размещенных аксиально-симметрично сборок искровых источников - 21. Каждая сборка состоит из шести искровых источников - 22, электропитание к которым подводится по высоковольтным кабелям - 23, снабженным ферритовыми шайбами - 24, от импульсного высоковольтного источника напряжения, не показанного на чертежах. В торце керамического изолятора - 26 выполнены отверстия - 27, стенки которых 28 образуют искровой зазор между торцами источников - 22 и заземленным корпусом - 32 сборки 21. Ускоритель снабжен генераторами импульсов ускоряющего напряжения - 29, связанными с индукторами ускоряющей секции кабелями - 30. Импульсные электрогенераторы - 31 питают катушки магнитной фокусировки - 17, размещенные в каждом индукторе-рекуператоре.

Индукционный ускоритель дейтронов - источник нейтронов работает следующим образом. Импульсы высокого напряжения от генератора - 29 поступают на индукторы ускоряющей секции по высоковольтному кабелю - 30. В ферромагнитных сердечниках - 1, размещенных в индукторах, возникают импульсные магнитные потоки, индуцирующие на свободном конце катодной трубы - 3 суммарный высоковольтный потенциал отрицательной полярности относительно ее заземленного торца, под воздействием которого электроны из катода электронной пушки - 6, подогретого нагревателем - 7, ускоряются к аноду 13, укрепленному на заземленном корпусе ускорителя. /Внутрь полости между трубами - 3 и - 4 электромагнитное поле не проникает, затухая в стенке трубы - 3./ Ускоренный электронный пучок - 15 через пролетное отверстие в аноде поступает в секцию рекуперации, составленную из индукторов, в каждом из которых размещен ферромагнитный сердечник - 16, в котором под воздействием импульсного тока пучка наводится импульсный магнитный поток, индуцирующий напряжение на индукторе-рекуператоре.

В результате взаимодействия электронного пучка с тормозящим электрическим полем, им же созданным, происходит рекуперация - кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию электромагнитного поля, часть которой возвращается по фидеру - 18 в ускоряющую секцию, где вместе с полем, созданным генератором - 29, расходуется на ускорение заряженных частиц. Фокусировка электронов в рекуператоре осуществляется продольной компонентой магнитного поля, создаваемого катушками - 17, питающимися электрическим током, вырабатываемым импульсным генератором - 31. Оставшаяся после рекуперации кинематическая энергия электронного пучка поглощается в коллекторе - 19. Одновременно с электронным пучком навстречу ему ускоряется трубчатый пучок дейтронов. Электронный пучок ускоряется внутри ионного пучка. Дейтроны образуются в источнике - 20, содержащем двенадцать идентичных сборок - 21, в состав каждой из которых входит по шесть идентичных искровых источников - 22. Импульс высоковольтного напряжения от источника, не показанного на чертежах, поступает по кабелям - 23 на источники - 22. Искровые зазоры, образованные торцами источников 22 и корпусом сборки - 32 вдоль стенок - 28 отверстий - 27, выполненных в торце керамического изолятора - пробиваются. На торцах источников - 22 образуются "катодные пятна" и из катода, изготовленного из дейтерида, циркония, десорбируется дейтерий. Ферритовые шайбы - 24 задерживают на время их намагничивания начальную стадию разряда, обеспечивая участие в нем всех источников - 22, независимо от того, на каком из них разряд начался раньше. /Поскольку напряжение, приложенное к источникам, на которых разряд еще не начался, остается в течение времени до магнитного насыщения материала шайб достаточным для пробоя искрового зазора./ Ускоренный пучок дейтронов бомбардирует нейтронообразующую мишень - 5 и вызывает нейтронный поток, который по трубе - 4 поступает к потребителю. Нейтроны, попавшие в полость между трубами - 3 и 4, поглощаются в растворе борной кислоты, не участвуя в активации ускоряющей секции.

Индукционный ускоритель дейтронов - нейтронный генератор, содержащий ускоряющую секцию, состоящую из последовательности идентичных индукторов, размещенных в заземленном металлическом циллиндрическом корпусе, ускорительную трубку, расположенную на оси индукторов, снабженную средствами вакуумной откачки, содержащую коаксиально размещенную металлическую трубу - концентратор напряжения, один конец которой укреплен на торцевом фланце корпуса, а на втором, незакрепленном конце, укреплен катод электронной пушки, анод пушки, снабженный центральным пролетным отверстием, укреплен на противоположном фланце корпуса, соосно индукторам, отличающийся тем, что дополнительно введены кольцевой источник трубчатого пучка дейтронов, укрепленный вокруг анода; кольцевая нейтронообразующая мишень, укрепленная вокруг катода, снабженная катушками размещенными аксиально-симметрично, так что их оси расположены в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя, источники электропитания катушек; интегратор напряжения выполнен из двух алюминиевых коаксиальных труб, одни торцы которых вакуумноплотно укреплены, с обеспечением электрического контакта на торцевой крышке корпуса, а противоположные свободные торцы труб аналогично укреплены с кольцевой мишенью, и полость между трубами связана патрубками с размещенной снаружи ускорителя системой охлаждения мишени, содержащей резервуар с раствором борной кислоты, теплообменник и насос, объединенные трубопроводом; секция рекуперации содержит цилиндрический металлический заземленный корпус, который граничит с корпусом ускоряющей секции общим торцевым фланцем с анодом в нем, водоохлаждаемый коллектор электронного пучка, укрепленный на противоположном торцевом фланце, последовательность индукторов идентичных индукторам ускоряющей секции, связанных с ними электрическими фидерами.

Изобретение относится к сильноточной электронике. .

Ионный диод с внешней магнитной изоляцией // 2288553

Изобретение относится к области ускорительной техники. .

Устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса (варианты) // 2278725

Способ беспроволочной передачи электрической энергии и устройство для его осуществления // 2241313

Изобретение относится к беспроволочной передачи электрической энергии в атмосфере (воздухе) на большие расстояния на основе инициирования электрических разрядов с помощью лазерного излучения, в котором для формирования плазменного канала вместо использования длиннофокусных оптических систем формируют относительно короткофокусную оптическую систему совместным многократно повторяющимся силовым воздействием на окружающую атмосферу интенсивным лазерным излучением и передаваемым зарядом электронов, предварительно ускоренных до релятивистских или близких к ним энергий.

Способ разделения стабильных изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонанса и устройство для его осуществления // 2217223

Изобретение относится к области разделения стабильных изотопов в плазме методом ионного циклотронного резонанса (ИЦР), а также к устройствам для его реализации. .

Способ ускорения ионов // 2201658

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения многозарядных ионов. .

Способ ускорения ионов // 2193830

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к способам ускорения ионов. .

Способ лазерного ускорения электронов и устройство для его осуществления // 2167504

Изобретение относится к области ускорения заряженных частиц, а также к области лазерной физики и может быть использовано для разработки ускорителей заряженных частиц принципиально нового типа.

Способ создания беспроволочного соленоида // 2097867

Изобретение относится к физике и может найти применение не только для научных исследований, но и для решения важных технических задач, связанных с получением протяженных однородных электромагнитных полей.

Рельсотрон // 2094934

Устройство для генерации импульсных пучков быстрых электронов в воздушном промежутке атмосферного давления // 2376731

Изобретение относится к области сильноточной электроники и может быть использовано для генерации импульсных пучков быстрых электронов (электронов с энергиями от нескольких десятков кэВ до нескольких сотен кэВ) с большой плотностью (до нескольких десятков А/см2) в газонаполненных промежутках атмосферного давления

Устройства для ускорения частиц и способы ускорения частиц // 2447627

Способ ускорения ионов и устройство для его осуществления // 2449514

Изобретение относится к ядерной и лазерной физике и может быть использовано как инструмент исследования и как технологическое средство ускорения частиц в физическом эксперименте для решения задач в физике и технике прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза

Способ ускорения макрочастиц // 2456782

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для решения научных и прикладных задач

Способ изменения направления движения пучка ускоренных заряженных частиц, устройство для осуществления этого способа, источник электромагнитного излучения, линейный и циклический ускорители заряженных частиц, коллайдер и средство для получения магнитного поля, создаваемого током ускоренных заряженных частиц // 2462009

Способ ускорения макрочастиц // 2510603

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для решения научных и прикладных задач. Ускорение макрочастиц в данном способе осуществляют полем бегущего по спиральной структуре электрического импульса. Мощность подводят к спиральному волноводу и отводят от него по коаксиальным кабелям через согласователи волновых сопротивлений. Замедление электромагнитной волны осуществляется как за счет геометрических свойств самой спиральной структуры, так и за счет заполнения средой, имеющей большую диэлектрическую проницаемость ε (вода, титанат бария), области, расположенной между спиралью и экраном. Ускоряемые макрочастицы имеют цилиндрическую форму с диаметром цилиндра dsh=2 mm, длиной конусной части lcone=13 mm и общей длиной l=300 mm. Предварительное ускорение цилиндров до скорости Vin=1 km/s осуществляют газодинамическим методом. Макрочастицы облучают пучком электронов из электронного ускорителя. Синхронно с инжектированной макрочастицей на спиральный волновод подают импульс, которым макрочастицы ускоряют в продольном направлении. Технический результат заключается в увеличении темпа набора энергии макрочастицами и создании условий для проникновения макрочастиц сквозь атмосферу без фатальной потери скорости при горизонтально расположенном ускорителе. 1 ил., 6 табл.

Электромагнитное устройство для метания диэлектрических макротел // 2518162

Изобретение относится к области сильноточной импульсной электротехники. Технический результат - повышение эффективности использования электрической энергии, запасенной в индуктивном накопителе блока электропитания. Электромагнитное устройство для метания диэлектрических макротел содержит блок электропитания, блок пассивной временной нагрузки (БПВН) и N метательно-рекуперативных модулей (МРМ), при этом первый и второй выходные выводы блока электропитания соединены соответственно с первым и вторым входными выводами БПВН, а также с первым и вторым входными выводами каждого МРМ. Первый выходной вывод каждого МРМ соединен с третьим входным выводом БПВН, второй выходной вывод n-го МРМ соединен с третьим входным выводом (n+1)-го МРМ, где n=1, 2, …, (N-1), N≥2, а второй выходной вывод N-го МРМ соединен с третьим входным выводом первого МРМ. Каждый МРМ включает рельсовый электромагнитный ускоритель (РЭУ), дополнительно снабженный рекуперативным индуктивным преобразователем с основной и дополнительной обмотками, а также датчиком положения метаемого тела; два рекуператора, два полупроводниковых ключа, два насыщающихся дросселя, накопительный конденсатор, диод и три ключа. Первый вывод первого насыщающегося дросселя является первым входным выводом МРМ. Второй вывод первого насыщающегося дросселя соединен с первым электродом РЭУ, второй электрод которого соединен с плюсовым выводом первого полупроводникового ключа и плюсовым выводом диода, минусовой вывод которого является вторым входным выводом МРМ и соединен со вторым выводом накопительного конденсатора, первыми выводами обмоток рекуперативного индуктивного преобразователя и вторыми выводами обоих рекуператоров. Минусовой вывод первого полупроводникового ключа является третьим входным выводом МРМ и соединен с первым выводом накопительного конденсатора и первым выводом первого ключа, второй вывод которого является первым выходным выводом МРМ. Первый вывод основной обмотки соединен с первым выводом второго насыщающегося дросселя и первым выводом второго ключа, второй вывод которого соединен с первым выводом первого рекуператора. Второй вывод второго насыщающегося дросселя соединен с минусовым выводом второго полупроводникового ключа, плюсовой вывод которого является вторым выходным выводом МРМ, а второй вывод дополнительной обмотки через третий ключ соединен с первым выводом второго рекуператора. 5 ил.

Способ ускорения макрочастиц // 2523439

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для решения научных и прикладных задач. Ускорение макрочастиц в данном способе осуществляют градиентом поля бегущего по спиральной структуре электрического импульса. Способ ускорения макрочастиц заключается в том, что их предварительно электрически заряжают, предварительно ускоряют газодинамическим способом до скорости, соответствующей скорости инжекции в спиральный волновод, и окончательно ускоряют полем бегущего по виткам спирального волновода импульса напряжения. В качестве макрочастиц используют плоский конденсатор, который ускоряют полем бегущего по виткам импульса напряжения, при этом ускорение плоского конденсатора ведут в диэлектрическом канале, предотвращая его разворот на 180 градусов и его отклонение от оси ускорения. Технический результат - увеличение темпа ускорения. 1 ил., 1 табл.

Способ инициирования ядерной реакции синтеза и устройство для его осуществления // 2534507

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано как инструмент исследования и как технологическое средство ускорения частиц в физическом эксперименте. В заявленном способе инициирования ядерной реакции синтеза предусмотрено использование двух мишеней, выбор в качестве материала первой мишени дейтерированного полиэтилена (CD2)n толщиной l1 в диапазоне 1 мкм÷10 мкм, генерация при этом ионов дейтерия с тыльной стороны ионизируемого материала первой мишени под воздействием на фронтальную поверхность этой мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности и сверхкороткой длительности с энергией в диапазоне 10 Дж÷500 Дж и с контрастом в диапазоне 108÷1010. При этом обеспечивают ускорение ионов дейтерия по направлению ко второй мишени для воздействия ускоренными ионами дейтерия на ее поверхностный слой. В качестве второй мишени используют титановую мишень, фронтальную поверхность которой предварительно активируют ионами гелия 3He. Вторую мишень располагают в вакууме на расстоянии 10 мм÷50 мм от первой мишени и ускоряют движущиеся к ее поверхности ионы дейтерия до энергии, достаточной для осуществления реакции D+3Не→4He+р+18,3 МэВ с получением α-частиц (4Не) и протонов р. Использование изобретения при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями позволяет снизить специальные требования по радиационной безопасности при разработке устройства для инициирования ядерных реакций синтеза. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ генерации пучков быстрых электронов в газонаполненном промежутке и устройство для его реализации (варианты) // 2581618

Изобретение относится к области сильноточной электроники. Технический результат - повышение плотности и величины тока пучка быстрых электронов. Способ генерации сильноточных плотных пучков быстрых электронов в газонаполненном диоде включает генерацию убегающих электронов в области с пониженной концентрацией газа, создаваемой искрой или излучением лазера, и их последующие ускорение в газе при нормальных условиях импульсным электрическим полем и вывод сформированного электронного пучка сквозь анод ускорительного промежутка. Для уменьшения расходимости, увеличения плотности и величины тока пучка вокруг зоны с пониженной концентрацией молекул газа создается электрический потенциал, препятствующий уходу электронов из этой зоны. Это обеспечивает больший пробег электронов в разреженной зоне с пониженной концентрацией газа, а значит, большее количество электронов захватывается в режиме непрерывного ускорения, они набирают большую энергию, а при выходе из зоны испытывают меньшее рассеяние. Устройство для реализации способа представляет газонаполненный диод, на катод которого подается потенциал от основного высоковольтного генератора, а через заземленный анод выводится электронный пучок. Катод окружен диэлектрической трубкой с высотой h над поверхностью катода, при этом 0<h<A, где A - расстояние между краем трубки и анодом, при котором происходит искровой разряд. У края диэлектрической трубки, обращенного к аноду, установлен дополнительный электрод, который совместно с катодом образуют дополнительный межэлектродный промежуток, к которому подключен дополнительный высоковольтный импульсный генератор для нагрева газа в диэлектрической трубке посредством образования искрового канала в ней. Под действием импульса напряжения от дополнительного высоковольтного генератора между катодом и вспомогательным электродом возникает искра, которая нагревает газ в диэлектрической трубке, давление в ней поднимается, и часть газа покидает пространство диэлектрической трубки. После выравнивания давления внутри диэлектрической трубки и снаружи от нее, восстановления электрической прочности, но не позже времени релаксации температуры, на промежуток катод-анод подается импульс напряжения от основного генератора. Эмитируемые с катода электроны попадают в разреженную зону и набирают между столкновениями энергии больше, чем теряют. Часть электронов оседает на стенках диэлектрической трубки, создавая электрический потенциал, препятствующий их дальнейшему оседанию. Расходимость и уход пучков быстрых электронов из разреженной (горячей) зоны диэлектрической трубки ограничивается отрицательным потенциалом. Поскольку длина диэлектрической трубки регулируется, то пробег электронов в разреженной области может быть больше, количество электронов, захваченных в режим непрерывного ускорения, увеличивается, а расходимость уменьшается. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.