RU2054717C1

RU2054717C1 - Pulsed neutron generator

Info

Publication number: RU2054717C1
Application number: RU93036349A
Authority: RU
Inventors: Константин Иванович Козловский; Владимир Антонович Прорвич
Original assignee: Константин Иванович Козловский; Владимир Антонович Прорвич
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1993-07-14
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: neutron physics. SUBSTANCE: pulsed neutron generator has two plasma-forming targets inside sealed cylindrical case, on its axis, with plasma-forming surface facing each other. Magnetic coils coupled with discharge electrodes of high-voltage shaping line are coaxially mounted about target. Generator is provided with pulse laser, optical system for phasing out laser spots on targets and discharge electrode, as well as channels for laser beam input effective zone. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к нейтронной технике, к средствам формирования импульсных потоков нейтронов высокой плотности и может быть использовано в экспериментальной нейтронной физике, ядерной геофизике, при анализе материалов, в том числе нейтронно-активационном анализе, и в других областях ядерной техники и технологии. The invention relates to neutron technology, to means for generating pulsed fluxes of high density neutrons and can be used in experimental neutron physics, nuclear geophysics, in the analysis of materials, including neutron activation analysis, and in other areas of nuclear engineering and technology.

Развитие нейтронной техники сформировало ряд условий, обуславливающих потребительские параметры используемых на практике всевозможных источников (генераторов) нейтронов. Радиоизотопные так называемые Ро-Ве-источники по ряду причин не обладают современными потребительскими параметрами. Поэтому во всем мире в прикладных задачах нейтронной физики предпочтительно используют генераторы нейтронов, способные формировать импульсные потоки нейтронов с регулируемыми параметрами. Как правило, в генераторах нейтронов формируют ионный поток, содержащий ядра для бомбардировки нейтронообразующей мишени, так или иначе реализуя ядерные реакции типа Ве⁹(d,n)B¹⁰, T(d,n)He⁴, Д(d, n)He³.The development of neutron technology has formed a number of conditions that determine the consumer parameters of all kinds of neutron sources (generators) used in practice. Radioisotope so-called Po-Be sources for several reasons do not have modern consumer parameters. Therefore, all over the world, neutron generators capable of generating pulsed neutron fluxes with adjustable parameters are preferably used in applied problems of neutron physics. As a rule, an ion flux is formed in neutron generators containing nuclei for bombarding a neutron-forming target, one way or another realizing nuclear reactions such as Be ⁹ (d, n) B ¹⁰ , T (d, n) He ⁴ , D (d, n) He ³ .

Известны импульсные источники нейтронов, используемые для целей ядерной геофизики и активационного анализа, содержащие отпаянную нейтронную трубку, излучающую импульсные потоки нейтронов, блок питания ионного источника трубки, источник высоковольтного ускоряющего напряжения и блок синхронизации поджигающего импульса ионного источника нейтронной трубки и импульса ускоряющего напряжения [1]
Применяемые в трубке средства формирования ионного пучка, однако, не обеспечивают необходимых параметров импульсного потока нейтронов.Known pulsed neutron sources used for nuclear geophysics and activation analysis, containing a sealed neutron tube emitting pulsed neutron fluxes, a power supply of an ion source of a tube, a source of high voltage accelerating voltage and a synchronization block of an igniting pulse of an ion source of a neutron tube and an accelerating voltage pulse [1]
The means used for forming the ion beam used in the tube, however, do not provide the necessary parameters of the pulsed neutron flux.

Известен импульсный генератор нейтронов, содержащий ионоускоряющую электродную систему, расположенную в вакуумированном корпусе цилиндрической геометрии, две лазерные мишени, одна из которых выполнена плазмообразующей, причем первая предназначена для образования ионов, а вторая для образования нейтронов, установленные соответственно на аноде и катоде электродной системы, причем анод размещен на оси катода, в качестве которого служит корпус, а мишень на его внутренней поверхности образует цилиндрический слой, лазерный плазмообразователь с системой сканирования и фокусировки лазерного излучения на анодную мишень, импульсный разрядник, синхронизированный с лазерным плазмообразователем и включенный между источником высоковольтного напряжения и ионоускоряющей электродной системой, "антидинаторную" магнитную систему, создающую магнитное поле в зоне формирования ионного потока [2]
Использование лазерного плазмообразователя качественным образом позволило улучшить параметры импульсного потока нейтронов, в первую очередь за счет регулируемости степени плазмообразования с удобным фронтом ионного импульса. Причем один и тот же лазерный луч путем его раздвоения полупропускающей и полупреломляющей оптической системой легко может быть использован как для плазмообразования, так и в качестве поджигающего импульса ионного источника. В результате может быть получен импульс нейтронного потока малой длительности и высокой плотности. Известный генератор нейтронов принят в качестве прототипа.Known pulsed neutron generator containing an ion-accelerating electrode system located in a vacuum housing of cylindrical geometry, two laser targets, one of which is made plasma-forming, the first is for the formation of ions, and the second for the formation of neutrons, mounted respectively on the anode and cathode of the electrode system, and the anode is placed on the axis of the cathode, which serves as a housing, and the target on its inner surface forms a cylindrical layer, a laser plasma Tel with scanning system and focusing the laser beam on the anode target pulse discharger, synchronized with the laser plazmoobrazovatelem and connected between the high voltage source and the electrode system ionouskoryayuschey "antidinatornuyu" magnet system generating a magnetic field in the formation zone of the ion stream [2]
The use of a laser plasma former in a qualitative way has made it possible to improve the parameters of the pulsed neutron flux, primarily due to the adjustable degree of plasma formation with a convenient front of the ion pulse. Moreover, the same laser beam, by bifurcating it with a half-transmitting and half-refracting optical system, can easily be used both for plasma formation and as an igniting pulse of an ion source. As a result, a neutron flux pulse of short duration and high density can be obtained. The well-known neutron generator is adopted as a prototype.

Известные импульсные генераторы нейтронов имеют существенные недостатки, в частности недостаток, заключающийся в том, что сформированные импульсы нейтронного потока непрерывно сопровождается гамма-излучением за счет тормозного излучения ускоренных между анодом и катодом электронов. Присутствие интенсивного импульсного гамма-фона порождает нежелательные процессы, искажая результаты измерений во всех прикладных задачах применения нейтронных генераторов. Known pulsed neutron generators have significant drawbacks, in particular the drawback is that the generated pulses of the neutron flux are continuously accompanied by gamma radiation due to bremsstrahlung of electrons accelerated between the anode and cathode. The presence of an intense pulsed gamma background generates undesirable processes, distorting the measurement results in all applied problems of using neutron generators.

С другой стороны, наличие неподвижной мишени, бомбардируемой мощными импульсами ускоренных ионов, приводит к ее эродированию (разрушению). Это обстоятельство порождает ухудшение выходных параметров генераторов. Для восстановления потребительских параметров нейтронного генератора в этом случае требуется заменить мишень в герметизированном корпусе или использовать мозаику мишеней с системой перенацеливания нейтронообразующей мишени пучка ускоренных ионов поочередно на каждую мишень. При этом необходимо учесть, что из-за "расхода" материалов на плазмообразование плазмообразующая мишень также разрушается. Но степень разрушения неподвижной мишени из-за ее бомбардировки тяжелыми ионами гораздо выше таковой плазмообразующей мишени, "бомбардируемой" расчетными импульсами лазерного излучения. On the other hand, the presence of a motionless target bombarded by powerful pulses of accelerated ions leads to its erosion (destruction). This circumstance causes a deterioration in the output parameters of the generators. To restore the consumer parameters of the neutron generator in this case, it is necessary to replace the target in a sealed enclosure or use a mosaic of targets with a retargeting system of the neutron-forming target of the accelerated ion beam alternately for each target. It should be noted that due to the "consumption" of materials for plasma formation, the plasma forming target also collapses. But the degree of destruction of an immovable target due to its bombardment by heavy ions is much higher than that of a plasma-forming target, "bombarded" with calculated laser radiation pulses.

Для ускорения ионов до энергии нейтронообразования (например, порядка 100 кэВ) в известных импульсных генераторах нейтронов применяют источник высоковольтного ускоряющего напряжения. Механизм ионообразования и ускорения, как правило, сопровождается возникновением и ускорением электронного "облака" за счет прямых или вторичных электронов. Замедляясь на материалах конструкции нейтронного генератора или неподвижной мишени, электроды порождают тормозное излучение. Это излучение становится сопутствующим нейтронному излучению как гамма-фон со всеми нежелательными факторами. To accelerate ions to neutron generation energy (for example, of the order of 100 keV), a high-voltage accelerating voltage source is used in known pulsed neutron generators. The mechanism of ion formation and acceleration, as a rule, is accompanied by the appearance and acceleration of an electronic "cloud" due to direct or secondary electrons. Slowing down on the construction materials of a neutron generator or a fixed target, the electrodes generate bremsstrahlung. This radiation becomes concomitant with neutron radiation as a gamma background with all undesirable factors.

Цель предложения устранение перечисленных выше отрицательных факторов известных импульсных генераторов нейтронов. The purpose of the proposal is to eliminate the above negative factors of known pulsed neutron generators.

На чертеже представлена схема импульсного генератора нейтронов, где 1 корпус, 2 и 3 плазмообразующие мишени, 4 электромагнитные катушки, 5 высоковольтная формирующая линия магнитной системы, 6 и 7 разрядные электроды, 8 импульсный лазер, 9 и 10 оптические элементы раздвоения лучей, 11 и 13 линзы-диафрагмы, 14-16 системы сканирования, 17-19 оптические каналы вывода лучей в зоны плазмообразования и разрядных электродов, 20 и 21 плазменные "облака". The drawing shows a diagram of a pulsed neutron generator, where 1 housing, 2 and 3 plasma-forming targets, 4 electromagnetic coils, 5 high-voltage forming line of the magnetic system, 6 and 7 discharge electrodes, 8 pulsed laser, 9 and 10 optical elements for beam splitting, 11 and 13 diaphragm lenses, 14-16 scanning systems, 17-19 optical channels for outputting rays into the plasma formation zones and discharge electrodes, 20 and 21 plasma "clouds".

Обе лазерные плазмообразующие мишени 2 и 3 импульсного генератора закреплены внутри корпуса 1 соосно вдоль его оси симметрии. При этом плоские поверхности мишеней параллельны друг другу. Обе электромагнитные катушки 4 магнитной системы также расположены соосно внутри корпуса, причем расположены обе симметрично с охватом своими витками зоны мишеней 2 и 3. Импульсное питание катушек 4 обеспечивается за счет их симметричного подключения к питающей линии электрода 7. Электрод 7 с электродом 6, подключенным к высоковольтной формирующей линии 5, образуют разрядную зону для образования соответствующего питающего импульса магнитных катушек 4. Both laser plasma-forming targets 2 and 3 of the pulse generator are fixed inside the housing 1 coaxially along its axis of symmetry. In this case, the flat surfaces of the targets are parallel to each other. Both electromagnetic coils 4 of the magnetic system are also located coaxially inside the body, both symmetrically located with the target zones 2 and 3 covering their turns. Pulse power supply to the coils 4 is ensured by their symmetrical connection to the electrode supply line 7. Electrode 7 with electrode 6 connected to high-voltage forming line 5, form a discharge zone for the formation of the corresponding supply pulse of the magnetic coils 4.

Генератор содержит импульсный лазер 8. Лазерный импульс используется одновременно для плазмообразования на обеих мишенях 2 и 3 и разрядного "поджига" электродов 6 и 7 высоковольтной формирующей линии 5. Для обеспечения этих условий использованы оптические элементы 9 и 10. Каждый из этих элементов "раздваивает" падающий на них лазерный луч. При этом элемент 9 пропускает часть исходного лазерного луча на элемент 10 и преломляет другую часть луча на поверхность мишени 2, а элемент 10 пропускает часть уже "раздвоенного" и падающего на него луча в разрядный объем между электродами 6 и 7, а другую часть луча отражает (преломляет) на вторую мишень 3. С помощью линз-диафрагм 11-13 концентрируют на поверхностях мишеней 2 и 3, а также разрядного электрода лучевые пятна заданного диаметра, а с помощью систем 14-16 сканирования лазерные пятна перемещают по поверхности на участки воздействия. При этом использованы соответствующие оптические каналы 17-19 ввода лучей. The generator contains a pulsed laser 8. The laser pulse is used simultaneously for plasma formation on both targets 2 and 3 and discharge “ignition” of the electrodes 6 and 7 of the high-voltage forming line 5. To ensure these conditions, optical elements 9 and 10 are used. Each of these elements “bifurcates” a laser beam incident on them. In this case, element 9 passes part of the initial laser beam to element 10 and refracts another part of the beam to the surface of target 2, and element 10 passes part of the already bifurcated and incident beam into the discharge volume between electrodes 6 and 7, and reflects the other part of the beam (refracts) to the second target 3. Using lens diaphragms 11-13, the radiation spots of a given diameter are concentrated on the surfaces of targets 2 and 3, as well as the discharge electrode, and using laser scanning systems 14-16, the laser spots are moved across the surface to the affected areas. In this case, the corresponding optical channels 17-19 input rays.

Генератор работает следующим образом. The generator operates as follows.

В заданный момент времени включается импульсный лазер 8. Излучение лазера с помощью оптических систем и элементов фокусируется в виде лазерных пятен на поверхностях мишеней 2 и 3, а также разрядного электрода 7 (высоковольтная формирующая линия 5 должна к этому времени подготовить стартовые условия между разрядными электродами 6 и 7). Мощность исходного лазерного импульса может быть выбрана и распределена в лазерных пятнах на участках воздействия заданным образом, исходя из условий эксплуатации генератора. At a given point in time, the pulsed laser 8 is turned on. Laser radiation using optical systems and elements is focused in the form of laser spots on the surfaces of targets 2 and 3, as well as the discharge electrode 7 (the high-voltage forming line 5 should prepare the starting conditions between the discharge electrodes 6 by this time and 7). The power of the initial laser pulse can be selected and distributed in the laser spots in the exposure areas in a predetermined manner, based on the operating conditions of the generator.

Энергия, заключенная во вторичных лазерных импульсах, вызывает быстрое прогревание поверхности мишеней 2 и 3 и электрода 7, и струеобразно возникает высокотемпературное плазменное облако ядер мишени, причем для каждой мишени свое: 20 для мишени 2 и 21 для мишени 3. Одновременно лазерный разряд на электродах 6 и 7 создает мощный импульс питающего магнитные катушки 4 напряжения. The energy contained in the secondary laser pulses causes a rapid heating of the surface of targets 2 and 3 and electrode 7, and a high-temperature plasma cloud of target nuclei arises jet-like, with each target having its own: 20 for target 2 and 21 for target 3. Simultaneously, a laser discharge on electrodes 6 and 7 creates a powerful pulse supply voltage to the magnetic coil 4.

Первоначально плазменное облако от каждой мишени имеет вид эллипсоида, вытнянутого вдоль нормали к поверхности мишени 2 и 3. Материалы мишеней подбираются в соответствии с заданной реакцией нейтронообразования. Например, при реакции дейтерия Д на дейтерии Д или дейтерия Д на тритии Т мишени должны содержать соответственно Д (обе мишени) или Д одна мишень, а Т другая. Могут быть и другие комбинации. В результате плазмообразования на обеих мишенях в соответствующих плазменных облаках находятся ядра (ионы) элементов нейтронообразования. Initially, the plasma cloud from each target has the form of an ellipsoid, elongated along the normal to the surface of the target 2 and 3. Materials of the targets are selected in accordance with a given neutron formation reaction. For example, in the reaction of deuterium D to deuterium D or deuterium D to tritium T targets must contain respectively D (both targets) or D one target and T another. There may be other combinations. As a result of plasma formation on both targets in the corresponding plasma clouds are the nuclei (ions) of neutron formation elements.

Установлено, что при соответствующем подборе величины и конфигурации магнитного поля В в заявленной конструкции возникают условия трансформации плазменных облаков в сходящие встречные взаимно пронизывающие пучки. Причем в зоне взаимного вхождения ядра приобретают достаточную энергию для нейтрообразования. Из-за высокой плотности (за счет схождения) ядер в пучках и базиса столкновения (пути движения до столкновения) количество нейтронов в импульсе может достигать значительной величины и эта величина может быть оптимизирована соответствующим подбором электрофизических и геометрических параметров генератора. It has been established that with appropriate selection of the magnitude and configuration of magnetic field B in the claimed design, conditions arise for the transformation of plasma clouds into descending oncoming mutually penetrating beams. Moreover, in the zone of mutual entry of the nucleus acquire sufficient energy for neutron formation. Due to the high density (due to convergence) of the nuclei in the beams and the collision basis (the path to the collision), the number of neutrons in a pulse can reach a significant value and this value can be optimized by appropriate selection of the electrophysical and geometric parameters of the generator.

Также установлено, что в сходящихся пучках плазменных облаков не возникают условия образования тормозного излучения с энергией квантов ≈100 эВ, так как электроны имеют существенно меньшую энергию из-за малости массы по отношению к массе ионов при одинаковой скорости. It was also found that in converging beams of plasma clouds there are no conditions for the generation of bremsstrahlung with a quantum energy of ≈100 eV, since the electrons have a significantly lower energy due to the small mass with respect to the mass of ions at the same speed.

Генерация нейтронов на встречных пучках требует в 4 раза меньше энергии нейтронообразующих частиц, чем при бомбардировке неподвижной мишени. Для дейтронов эта энергия порядка 25 кэВ и 100 кэВ соответственно. The generation of neutrons in colliding beams requires 4 times less energy of neutron-forming particles than when bombarding a stationary target. For deuterons, this energy is of the order of 25 keV and 100 keV, respectively.

Нарастающее магнитное поле В, создающееся катушками 4 синхронно с плазмообразованием, обеспечивает компенси- рование газокинетического давления плазмы поперек поля в соответствии с условием

enV (1) где е разряд электрона;
n плотность плазмы;
V поперечная скорость плазмы.The growing magnetic field B generated by the coils 4 synchronously with plasma formation compensates for the gas kinetic pressure of the plasma across the field in accordance with the condition

enV (1) where e is the electron discharge;
n plasma density;
V is the transverse velocity of the plasma.

Условие (1) справедливо на расстояниях от оси менее 10d_o, где d_o диаметр лазерного пятна на мишенях. Магнитное поле В 5-10 Т. Вpемя нарастания поля τ_нар 10 нс подбирается исходя из времени разлета плазмы на расстояние 10d_o, где d_о 0,1-0,5 мм.Condition (1) is valid at distances from the axis of less than 10d _o , where d _{o is the} diameter of the laser spot on the targets. The magnetic field is 5–10 T. The field growth time τ _nar 10 ns is selected based on the time of plasma expansion by a distance of 10 d _o , where d _about 0.1-0.5 mm.

Магнитное поле В обеспечивает одновременно ускорение плазменного облака. В результате сжатия плазмы в поперечном направлении и ускорения в продольном возникают сходящиеcя и взаимно пронизывающие друг друга пучки. Magnetic field B simultaneously provides acceleration of the plasma cloud. As a result of compression of the plasma in the transverse direction and acceleration in the longitudinal, convergent and mutually penetrating beams arise.

Выход нейтронов N_n определяется соотношением
N_n N_пл ·σ·n· l, где σ сечение ядерной реакции;
n плотность частиц в плазменном пучке в момент встречи с встречным пучком;
l длина плазменного пучка (базис реакции);
N_пл число частиц в плазме.The neutron yield N _n is determined by the ratio
N _n N _pl · σ · n · l, where σ is the cross section of a nuclear reaction;
n the density of particles in the plasma beam at the moment of meeting with the oncoming beam;
l plasma beam length (reaction basis);
N _{pl the} number of particles in plasma.

Число частиц в плазме N_пл и плотность частиц в пучке n связаны между собой соотношением
n

Длина плазменного пучка l ≈ (20-40)d_o. Число частиц в плазме N_пл 10¹⁷-10¹⁸. Из приведенных расчетов следует, что число нейтронов в импульсе (выход нейтронов) может составить N_n 10⁹-10¹⁰ нейтр./имп.The number of particles in the plasma N _PL and the density of particles in the beam n are interconnected by the relation
n

The length of the plasma beam l ≈ (20-40) d _o . The number of particles in plasma N _pl 10 ¹⁷ -10 ¹⁸ . From the above calculations it follows that the number of neutrons in a pulse (neutron yield) can be N _n 10 ⁹ -10 ¹⁰ neutrons / imp.

Таким образом, благодаря формированию взаимно пронизывающих пучков плазмы генерация нейтронов происходит при меньших энергиях ионов в пучке, низком тормозном излучении, меньшем расходе мишени, высокой плотности частиц в зоне нейтронообразования и, как следствие, имеется возможность получить импульсы нейтронов с высокими потребительскими параметрами, в том числе получить импульсы нейтронов с высокой плотностью и практически без фонового гамма-излучения. Thus, due to the formation of mutually penetrating plasma beams, neutron generation occurs at lower ion energies in the beam, low bremsstrahlung, lower target consumption, high particle density in the neutron formation zone and, as a result, it is possible to obtain neutron pulses with high consumer parameters, including including obtaining neutron pulses with high density and virtually no background gamma radiation.

Claims

A PULSED NEUTRON GENERATOR, comprising a sealed cylindrical body, two targets installed in the body, one of which is made of a plasma-forming, pulsed laser located outside the body with optical focusing and scanning elements, a magnetic system, the body being provided with a channel for introducing laser beams into the area of the plasma-forming target, characterized in that the second target is also made plasma-forming, both targets are coaxially mounted in the housing along its axis of symmetry with the surfaces facing one another plasma formation, the magnetic system includes a high-voltage generating line, discharge electrodes forming a spark gap, two coaxial electromagnetic coils enclosing the targets symmetrically mounted in the housing, the high-voltage forming line connected to one of the spark gap electrodes, and the electromagnetic coils to the other electrode, the pulsed laser is equipped with additional optical elements of laser beam bifurcation, elements of bifurcation of one of the laser beams aimed at plasma-forming targets, and additional elements for focusing and scanning laser beams, while the casing is equipped with an additional channel for introducing laser beams into the zone of the second plasma-forming target, and the arrester is equipped with a channel for introducing laser beams into the discharge volume onto the surface of one of the discharge electrodes.