Генератор быстрых моноэнергетических нейтронов

Авторы патента:

Негодаев Михаил Александрович (RU)

Багуля Александр Васильевич (RU)

Далькаров Олег Дмитриевич (RU)

Ральченко Виктор Григорьевич (RU)

Русецкий Алексей Сергеевич (RU)

G21K1/00 - Устройства для управления излучением или частицами, например фокусировка или замедление (фильтры для излучений G21K 3/00)

Владельцы патента RU 2568305:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) (RU)

Заявленное изобретение относится к генераторам быстрых моноэнергетических нейтронов. В заявленном устройстве предусмотрено использование алмазной кристаллической структуры, поверхность которой облучается ускоренным до нескольких десятков кэВ пучком ионов дейтерия, в качестве мишеней-конвертеров. Техническим результатом является возможность повышения тока пучка ионов на мишень и как следствие возможность увеличения интенсивности потока нейтронов, что обеспечивает возможность применения заявленного устройства в различных областях, где используются быстрые моноэнергетические нейтроны, таких как каротаж нефтегазовых и урановых скважин, контроль технологических процессов промышленных производств, сертификация продукции, обнаружение и идентификация отравляющих и взрывчатых веществ, нейтронная терапия, нейтронная радиография и томография, обнаружение и контроль содержания ядерных материалов и научные исследования. 2 ил.

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для получения пучка быстрых моноэнергетических нейтронов.

Нейтронные генераторы и разрабатываемые на их основе аппаратурные комплексы выпускаются для таких областей применения, как:

- каротаж нефтегазовых и урановых скважин;

- контроль технологических процессов промышленных производств, сертификация продукции;

- обнаружение и идентификация отравляющих и взрывчатых веществ;

- нейтронная терапия;

- нейтронная радиография и томография;

- обнаружение и контроль содержания ядерных материалов;

- научные исследования.

В качестве прототипа нейтронного генератора выбран нейтронный генератор ускорительного типа [1,2], в таких нейтронных генераторах для получения потока нейтронов обычно используются ядерные реакции d(d,n)³He и t(d,n)⁴He. При бомбардировке ускоренными ионами дейтерия мишеней-конвертеров, которые содержат дейтерий или тритий, в результате ядерной реакции рождаются нейтроны. Такие нейтронные генераторы разнообразны по размерам и характеристикам. Некоторые из них размещаются на площади 50-100 м² и обладают мощностью - 10¹²-10¹³ нейтронов в 1 сек (энергию ионов можно варьировать от 10 до 10 эВ). Существуют и миниатюрные ускорительные трубки (диаметры 25-30 мм), испускающие 10⁷-10⁸ нейтронов в 1 сек, которые используются в нейтронном каротаже.

Нейтронный генератор, в котором энергия ускоренных ионов дейтерия невелика (намного меньше энергии образующихся в результате ядерных реакций нейтронов), может быть точечным моноэнергетическим источником нейтронов. Нейтроны вылетают из мишени практически изотропно.

Ускорители, используемые в таких нейтронных генераторах, обычно непрерывного действия. Чтобы получить импульсный пучок в ускорителях используют импульсные ионные источники или устройства отклонения и группировки пучка ионов.

Мишени-конвертеры нейтронных генераторов, позволяющих получить высокоинтенсивные потоки нейтронов, обычно твердотельные и представляют собой тонкие слои (до нескольких десятков мкм) титана, скандия или цинка, нанесенные на медную подложку. Эти металлы способны образовывать так называемые металлические гидриды. Так гидриды титана 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 и, в частности, изготовлять из них мишени-конвертеры.

Энергия, теряемая пучком заряженных частиц в мишени-конвертере, определяется током и энергией пучка ионов и может достигать больших величин (до десятков кВт на квадратный сантиметр). Такие мишени требуют эффективного охлаждения.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение класса материалов используемых для мишеней-конвертеров нейтронных генераторов. В качестве нового материала для аккумуляторов изотопов водорода и изготовления мишеней-конвертеров предлагается использовать поликристаллический CVD алмаз (химически осажденный из газовой фазы алмаз).

Структура поликристаллического CVD алмаза неоднородна и анизотропна (Рис. 1). Кристаллиты растут в виде колонн, ориентированных перпендикулярно поверхности, причем с увеличением толщины пленки «диаметр» колонн увеличивается. Размеры кристаллитов возрастают от ~1 мкм в сильно дефектном слое вблизи подложки до десятков и даже сотен микрометров на противоположной, более совершенной ростовой стороне.

При определенных условиях синтеза поликристаллические CVD алмазные пленки имеют черный цвет из-за многочисленных структурных дефектов в кристаллитах, таких как двойники и аморфизованные области размером порядка 1 нм [3]. В литературе для подобного материала принято обозначение black diamond.

Исследование возможности использования поликристаллического алмаза в качестве мишени-конвертера проводились на установке ГЕЛИС ФИАН. Установка ГЕЛИС представляет собой ускоритель ионов легких элементов с током до 40 мА и энергией до 50 кэВ [4].

Насыщение образцов CVD алмаза дейтерием проводилось путем электролиза, за время электролиза в образцы CVD алмаза входило до ~1020 атомов дейтерия.

Измерения по выходу нейтронов из поликристаллической алмазной мишени-конвертора показали более высокое значение по сравнению с дейтерированными металлическими мишенями из Ti и Pd при одинаковых значениях тока и энергии бомбардирующих ионов дейтерия.

Измерения потока нейтронов вдоль и поперек направления пучка ионов дейтерия при облучении мишени-конвертера из поликристаллического CVD алмаза выявило их сильное различие. На установке ГЕЛИС исследовалась зависимость выхода нейтронов из образца CVD-алмаза от угла между пучком дейтронов и нормалью к плоскости мишени (Рис.2). Видно, что наблюдается значительное уменьшение выхода нейтронов при повороте мишени относительно пучка дейтронов. При нормальном падении пучка дейтронов на мишень выход нейтронов примерно в 3 раза больше, чем при угле поворота мишени р=±45°. Сильная зависимость выхода нейтронов от угла β может свидетельствовать о наличии узких каналов в образце CVD-алмаза, в которых сконцентрировано основное количество дейтерия, попавшего туда в процессе электролиза. Больший выход нейтронов при β=0° может быть объяснен тем, что эффективный пробег ионов дейтерия в каналах значительно выше, чем в алмазе.

В поликристаллическом алмазе узкие каналы между кристаллитами образуются естественным путем в процессе его роста, однако современные технологии позволяют изготавливать наноразмерные каналы в алмазе искусственным образом. Использование в нейтронном генераторе ускорительного типа мишеней-конвертеров из поликристаллического или монокристаллического алмаза с предварительно изготовленными наноразмерными каналами позволит получить направленный поток нейтронов, даже при малых энергиях ионов дейтерия (меньше 50 кэВ).

Возможные применения

Таким образом, мишени-конверторы из поликристаллического или монокристаллического алмаза с предварительно изготовленными наноразмерными каналами могут быть использованы для получения направленного потока монохроматических нейтронов. Благодаря уникальным теплопроводным свойствам алмаза эти мишени-конверторы позволят повысить ток пучка ионов на мишень и тем самым увеличить интенсивность потока нейтронов, что актуально для сокращения времени при проведении работ с нейтронными генераторами, таких как:

- контроль технологических процессов промышленных производств, сертификация продукции;

- обнаружение и идентификация отравляющих и взрывчатых веществ;

- нейтронная терапия;

- нейтронная радиография и томография;

- обнаружение и контроль содержания ядерных материалов;

- научные исследования.

Литература

1. Власов Н.А. Нейтроны. 2 изд. М., 1971.

2. Кирьянов Г.И. Генераторы быстрых нейтронов. М., 1990.

3. В.Г. Ральченко, А.В. Савельев, А.Ф. Попович, И.И. Власов, С.В. Воронина, Е.Е. Ашкинази. Двухслойные теплоотводящие диэлектрические подложки алмаз-нитрид алюминия // Микроэлектроника, 2006, Т. 35, №4, с. 243-248.

4. М.А. Негодаев, А.В. Багуля. Электрофизическая установка ГЕЛИС. Препринт ФИАН №11. М., 1996.

Нейтронный генератор для получения быстрых нейтронов ускорительного типа, отличающийся тем, что в ускорителе ионов дейтерия в качестве мишени-конвертера используется аккумулятор изотопов водорода из поликристаллического или монокристаллического CVD алмаза, который позволяет получать направленный поток нейтронов даже при малых энергиях ускоренных ионов дейтерия.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения пучков ионов в диапазоне энергий, где используются известные ускоряющие структуры с трубками дрейфа на виде колебаний π.

Способ оптического захвата частицы в мягкой биологической ткани // 2550990

Изобретение относится к области изучения свойств частиц биологической ткани и предназначено для удерживания частиц или манипулирования ими путем создания оптической ловушки (лазерного пинцета).

Способ отклонения пучков заряженных частиц плоской кремниевой пластиной // 2550142

Изобретение относится к области ускорительной техники. Способ отклонения пучков заряженных частиц плоской кремниевой пластиной основан на использовании явления объемного отражения.

Способ транспортирования электронного пучка для целей передачи энергии на большое расстояние и устройство для его осуществления // 2546196

Изобретения относятся к средствам передачи энергии в форме пучка ускоренных электронов. В заявленном изобретении транспортирование пучка электронов осуществляют по имеющему изгибы вакуумированному каналу (1) с продольной осью (8) в виде гладкой линии и стенкой (4), изготовленной из материала, способного к электризации.

Способ осуществления столкновительных ядерных реакций на основе эффекта каналирования ядерных частиц и излучений в фазах внедрения и эндоэральных структурах // 2540853

Заявленное изобретение относится к способу осуществления ядерных реакций. Заявленный способ характеризуется тем, что каналируемые ядерные частицы, ионы или излучения при каналировании фокусируются в определенном месте канала в кристаллической решетке фазы внедрения, нанотрубках или за их пределами.

Ускоритель заряженных частиц // 2531808

Изобретение относится к системам получения заряженных частиц больших энергий и предназначено для применения в области ядерной физики и ядерных технологий. Ускоритель заряженных частиц содержит вакуумную камеру в форме участка кольцевой трубы, на торцах которого внутри находятся источник заряженных частиц и мишень.

Способ получения пучка моноэнергетических нейтронов, устройство для получения пучка моноэнергетических нейтронов и способ калибровки детектора темной материи с использованием пучка моноэнергетических нейтронов // 2515523

Изобретение относится к ядерным технологиям, в частности к получению моноэнергетических нейтронов с низкой энергией. Заявленный способ включает облучение пучком протонов с энергией, превышающей 1,920 МэВ, нейтроногенерирующей мишени, при этом пучок моноэнергетических нейтронов формируют из нейтронов, распространяющихся в направлении, обратном направлению распространения пучка протонов.

Криогенный дозатор шариков для холодного замедлителя нейтронов // 2496165

Изобретение относится к средствам дозирования сыпучего материала в виде твердых шариков, в частности шариков из замороженных ароматических углеводородов, и предназначено для подачи рабочего вещества (шариков) в пневматический тракт с холодным газом гелия для последующей доставки их в камеру холодного замедлителя быстрых нейтронов интенсивного источника (ядерного реактора или нейтронопроизводящей мишени ускорителя).

Шариковый холодный замедлитель нейтронов // 2492538

Изобретение относится к средствам обеспечения нужного спектра нейтронов в пучках исследовательских реакторов или нейтронно-производящих мишеней ускорителей. .

Способ перемещения непрозрачных микрообъектов // 2488905

Изобретение относится к области оптической микроскопии и оптической микроманипуляции. .

Нейтронный поляризационный рефлектометр // 2590922

Изобретение относится к средствам нейтронной рефлектометрии. Устройство содержит: монохроматор, фильтр, выделяющий определенную длину волны, формирователь монохроматического пучка, состоящий из зеркального поляризатора, зеркального дефлектора, коллимационную систему, спин-флиппер. При этом формирователь пучка выполнен в виде как минимум одного единого блока, в котором размещены как минимум четыре зеркальных канала. Каждый зеркальный канал состоит из двух жестко связанных зеркал, развернутых относительно друг друга под углом 2θb, причем отражающее покрытие двух каналов формирователя представляет собой структуру чередующихся нанослоев: магнитного и немагнитного. Для одного канала структура покрытия периодическая, для другого - апериодическая. Отражающее покрытие зеркал остальных двух каналов формирователя представляет собой структуру чередующихся нанослоев двух разных немагнитных материалов, причем для одного из этой пары зеркал структура покрытия - периодическая, а для другого из этой пары зеркал структура покрытия - апериодическая. Также в этот единый блок введен канал для юстировки указанных зеркальных каналов. Техническим результатом является повышение поляризации пучка, повышение точности измерения, возможность создания более компактного устройства. 10 ил.

Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов // 2619923

Изобретение относится к области формирования пучка нейтральных частиц, используемых при исследованиях, в области термоядерного синтеза, обработки материалов. Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов, содержащий источник ионов, ускоритель и нейтрализатор для того, чтобы формировать пучок нейтральных частиц приблизительно в 5 МВт с энергией приблизительно в 0,50-1,0 МэВ. Ионы, сформированные посредством источника ионов, предварительно ускоряются перед инжекцией в ускоритель высокой энергии посредством электростатического предускорителя на основе многоапертурной сетки, который используется для того, чтобы вытягивать пучки ионов из плазмы и ускорять до некоторой доли требуемой энергии пучка. Пучок из источника ионов проходит через пару отклоняющих магнитов, которые предоставляют возможность пучку смещаться по оси перед поступлением в ускоритель высокой энергии. После ускорения до полной энергии пучок поступает в нейтрализатор, в котором он частично преобразуется в пучок нейтральных частиц. Оставшиеся виды ионов разделяются посредством магнита и направляются в преобразователи электростатической энергии. Пучок нейтральных частиц проходит через запорный клапан и поступает в плазменную камеру. Технический результат - повышение производительности формирования пучка нейтральных частиц. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 18 ил., 1 табл.

Мультинаправленная фазоконтрастная рентгеновская визуализация // 2624513

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам рентгеновской фазоконтрастной визуализации. Система содержит источник рентгеновского излучения, схему детектирования и схему решеток. Схема детектирования содержит по меньшей мере восемь линейно-параллельных блоков, расположенных в первом направлении, продолжающихся линейно в перпендикулярном направлении. Источник рентгеновского излучения, схема детектирования и схема решеток выполнены с возможностью осуществления перемещения в отношении объекта в направлении сканирования, при этом направление сканирования параллельно первому направлению. Схема решеток содержит конструкцию фазовой решетки, установленную между источником и детектором, и конструкцию решетки анализатора, установленную между конструкцией фазовой решетки и схемой детектирования. Конструкции фазовой решетки и решетки анализатора имеют множество соответствующих линейных решеток. Первые части фазовых решеток и решеток анализатора имеют щели в первом направлении, вторые части фазовых решеток и решеток анализатора имеют щели во втором направлении, отличном от первого. При этом по меньшей мере четыре смежные линии линейных детекторных блоков связаны с первыми фазовыми решетками и решетками анализатора и по меньшей мере четыре смежные линии линейных детекторных блоков связаны со вторыми фазовыми решетками и решетками анализатора, и для осуществления перемещения решетки остаются зафиксированными относительно друг друга и относительно схемы детектирования. Способ осуществляется посредством системы. Машиночитаемый носитель хранит инструкции для управления системой посредством способа. Использование изобретений позволяет расширить арсенал технических средств для рентгеновской фазоконтрастной визуализации объекта. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 13 ил.

Формирователь пучка с опцией поляризатора для установки малоуглового рассеяния нейтронного пучка // 2624633

Изобретение относится к формирователю пучка с опцией поляризатора для установки малоуглового рассеяния нейтронного пучка. В заявленной установке предусмотрена компактная конструкция поляризатора за счет того, что пластины из слабопоглощающего нейтроны материала выполнены в виде ломаных асимметричных каналов, образующих стопку из "N" каналов. Технический результат - обеспечение компактности установки, упрощение ее эксплуатации как для исследования немагнитных, так и магнитных образцов, с высокой поляризацией пучка и высоким коэффициентом пропускания нейтронов основной спиновой компоненты, охватывает диапазон длин волн λ=4.5÷20 Å. 15 ил.