Способ генерации импульсов нейтронов
Владельцы патента RU 2643523:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) (RU)
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. 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. Техническим результатом является повышение КПД нейтронного генератора на 50% за счет выделения большого количества нейтронов за счет накопления изотопов водорода в приповерхностном слое мишени, а также повышение стабильности потока нейтронов в импульсе. 1 ил.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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).
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:
а) обеспечение источника плазмы;
б) формирование ионного пучка путем вытягивания из источника плазмы; а также
в) в период генерации нейтронного импульса сканирование ионным пучком поперек мишени.
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.
Недостатками такого генератора являются невысокие выход нейтронов и стабильность работы генератора.
Стабильность работы нейтронных генераторов описывают таким параметром, как среднеквадратичное отклонение (СКО) (RU 2370001), которое вычисляют по формуле (1)
где Ni - выход нейтронов в импульсе,
Ncp - среднее значение выхода нейтронов в импульсе,
m - число включений генератора в секунду.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение нейтронов в импульсе и повышение стабильности выхода нейтронов в импульсе.
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.
Последовательность действий в заявляемом способе осуществляется следующим образом.
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.
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.
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.
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.
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).
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).
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/.
Для сохранения высокой концентрации растворенного водорода требуется эффективное охлаждение мишени. Обычно используется водяное охлаждение.
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.
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.
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.
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.
