Генератор быстрых нейтронов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Хильманович Анатолий Мартынович Гутько Владимир Иванович Хильманович Дмитрий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(56) Булыга С.Ф. и др. Нейтронный генератор НГ-12-1 - базовая установка для проведения исследований в Нейтронном центре Национальной академии наук Беларуси. - Мн., 1998. - С. 6-20.2273118 2, 2006.11169470 , 1999.1088088, 1967.(57) 1. Генератор быстрых нейтронов, содержащий ионопровод с заземленной средней частью, внутри которого установлены два источника дейтронов и два соответствующих им ускорителя дейтронов, установленные с возможностью создания встречных дейтронных пучков для рассеяния дейтронов друг на друге и выполненные в виде положительного высоковольтного электрода и делителя напряжения для создания ускоряющего электрического поля каждый, а также соленоид для отклонения дейтронов от стенки ионопровода,при этом указанные положительные электроды выполнены со сквозными отверстиями для возможности ввода в ионопровод вдоль его оси двух пучков электронов, не совпадающих по области расположения с пучками дейтронов. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что указанные положительные электроды связаны с одним высоковольтным источником напряжения посредством двух потенциаловводов. 10612 1 2008.06.30 Изобретение относится к нейтронной физике, в частности к технике создания источников быстрых нейтронов, и может быть использовано в атомной энергетике и материаловедении. В известных устройствах для получения быстрых нейтронов используются процессы радиоактивного распада ядер (спонтанное деление), ядерные реакции или сочетание радиоактивного распада и ядерной реакции. Основными характеристиками источников нейтронов являются поток нейтронов,плотность потока нейтронов, спектр нейтронов, возможность управления потоком нейтронов во времени. Известно устройство для получения нейтронов, основанное на спонтанном делении ядер, например 252 1. Недостатком такого устройства является наличие большого количества радиоактивного материала на рабочем месте как при создании, так и использовании источника нейтронов, создающего дозовую нагрузку, и, как следствие, небольшой поток нейтронов, а также невозможность управлять потоком нейтронов источника во времени. Известно также устройство для получения нейтронов, в котором используются ядерные реакции заряженных частиц (р-, -, -частиц и др.) или -квантов 1 с ядрами. Недостатком такого устройства в случае использования заряженных частиц является небольшой поток нейтронов из-за потерь энергии заряженных частиц на ионизацию при движении частиц в веществе нейтронообразующей мишени. В случае использования ядерной реакции -квантов с ядрами недостатком устройства для получения нейтронов является необходимость получения высоких потоков -квантов. Так как -кванты получают в результате радиационного торможения в веществе электронов высокой энергии, то требуется использовать высокопоточный ускоритель электронов. Следовательно, процесс получения нейтронов является двухступенчатым, в результате чего используемая техника - сложной и дорогостоящей. Известно также устройство для получения нейтронов, сочетающее радиоактивный распад ядер и ядерные реакции 1. Наиболее известные примеры устройств для получения нейтронов реализованы в (Ве)- и (Ве)-источниках. Недостатки таких устройств аналогичны недостаткам устройств для получения нейтронов в результате радиоактивного распада ядер (спонтанного деления). Кроме этого, в случае Р(Ве)-источника появляются потери, обусловленные прохождением -частиц через вещество, а в случае источника из-за малой вероятности взаимодействия -квантов с ядрамии возникает необходимость частых облученийнейтронами (из-за малого периода полураспада) для образования радиоактивных ядер , испускающих -кванты. Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является генератор нейтронов, образующихся в результате реакции (, ), 2 (прототип), включающий источник дейтронов, ускоритель дейтронов и дейтерийсодержащую мишень. Мишень представляет собой металлическую (чаще титановую) пленку с массовой плотностью 2 мг/см 2, напыленную на медную подложку. Титановая пленка мишени насыщена дейтерием или тритием. На один атом титана приходится 1,52 атома изотопа водорода. В генераторе нейтронов пучок дейтронов, ускоренных до энергии 150250 кэВ, падает на дейтерийсодержащую мишень. При токе пучка ускорителя 10 мА и ускоряющем напряжении 250 кВ генератор нейтронов в варианте (, )-кции испускает 31010 нейтрон/с. Недостатком устройства для получения нейтронов, основанного на использовании металлической мишени, содержащей облучаемое вещество (изотоп водорода - дейтерий),является небольшой поток нейтронов, так как основная часть энергии пучка дейтронов выделяется в виде тепла, а не используется для получения нейтронов в результате ядерной реакции. Так для приведенных выше параметров пучка на мишени в результате торможения дейтронов выделяется мощность 2,5 кВт. Очевидно, что при небольшом диаметре пятна пучка на мишени (1 см) и значительном энерговыделении требуется эффективный 2 10612 1 2008.06.30 теплоотвод. При достижении температуры 200 С начинается интенсивное выделение изотопа водорода из титановой пленки. В связи с этим в генераторах нейтронов предусмотрено охлаждение медной подложки мишени водой. Задачей настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего получение большего на несколько порядков величины потока быстрых нейтронов, образующихся в ядерных реакциях заряженных частиц или ядер, путем уменьшения потерь энергии за счет использования в качестве мишени полностью ионизированных атомов вещества (ядер), через которые проходят участвующие в ядерных реакциях частицы или ядра. Для решения поставленной задачи авторами был создан генератор быстрых нейтронов, включающий источник дейтронов, ускоритель дейтронов, состоящий из положительного высоковольтного электрода и делителя напряжения, мишень и ионопровод, в котором мишень представляет собой встречный пучок дейтронов, в ионопроводе образовано потенциально замкнутое пространство, создаваемое двумя положительными электродами, двумя делителями напряжения, заземленной средней частью ионопровода,соленоидом и двумя пучками электронов, причем положительные электроды, имеющие отверстие для прохождения электронов, и делители напряжения помещены внутрь ионопровода, а электронные пучки направлены вдоль оси ионопровода с торцовых сторон. Потенциал двух положительных электродов обеспечен одним высоковольтным источником посредством двух потенциаловводов. Сущность изобретения поясняется схемой общего вида генератора на фигуре, где 1 источник дейтронов, находящийся под высоким напряжением, 2 - пучок дейтронов, 3 источник дейтронов мишени, находящийся под высоким напряжением, 4 - пучок дейтронов мишени, 5 - ионопровод, 6 - источник высокого напряжения, 7 - потенциаловвод, 8 делитель напряжения, 9 - земляной электрод, 10 - земляная шина ионопровода, 11 - соленоид, 12 - пучок электронов, 13 - источник электронов, 14 - рабочий объем. Пучки дейтронов 2 и 4 создаются источниками дейтронов 1 и 3 и ускорителей. Ускорители дейтронов в виде положительных электродов источников дейтронов 1 и 3, находящихся в ионопроводе 5 и соединенных с источником высокого напряжения 6 с помощью потенциаловводов 7, делителей напряжения 8 и земляного электрода 9 обеспечивают ускорение дейтронов при движении от источников 1 и 3, находящихся под высоким потенциалом, и электродом 9 в середине ионопровода, заземленным с помощью шины 10. Соленоид 11 препятствует попаданию дейтронов на стенку ионопровода. Ввод в генератор нейтронов электронных пучков 12 компенсирует кулоновское поле положительно заряженных пучков дейтронов 2 и 4 и предотвращает движение дейтронов в радиальном направлении. Магнитное поле, создаваемое соленоидом 11, препятствует увеличению радиуса пучков дейтронов 2 и 4 и электронов 12. Рабочий объем 14 в потенциально замкнутом пространстве ионопровода 5, созданном двумя положительными электродами 1 и 3, двумя делителями напряжения 8, заземленным электродом 9, соленоидом 11 и двумя электронными пучками 12, служит для осуществления ядерной реакции с образованием быстрых нейтронов в результате многократного прохождения быстрыми нейтронами рабочий объем 14. Потенциал на положительные электроды 1 и 3 может подаваться от одного высоковольтного источника с помощью двух потенциаловводов 7. Генератор нейтронов работает следующим образом. Дейтроны испускаются источниками ионов 1 и приобретают радиальную составляющую скорости по отношению осис помощью первого электрода делителя напряжения 8. Далее они ускоряются электрическим полем, создаваемым с помощью других электродов делителя напряжения 8 и электрода 9, находящегося под нулевым потенциалом,вплоть до рабочего объема 14. Аналогично, в противоположном направлении ускоряются и движутся дейтроны, испускаемые источником ионов 3. Проходя рабочий объем 14,часть дейтронов пучка вступает в реакцию с дейтронами встречного пучка с испусканием 3 10612 1 2008.06.30 нейтронов. Дейтроны, которые не вступили в ядерную реакцию, пройдя рабочий объем 14, тормозятся встречным электрическим полем и достигают противоположный источник ионов, находящийся под высоким напряжением, имея нулевую вдоль осисоставляющую скорости. Далее, дейтроны ускоряются электрическим полем и движутся в обратном направлении. На дейтрон, находящийся на поверхности пучка, действует сила Лоренца и кулоновская сила, обусловленная зарядом пучка. При одновременном действии перпендикулярных друг к другу электрическихи магнитныхполей частица мигрирует в направлении, перпендикулярном обоим векторам и, в конечном итоге, описывает сложную кривую, оставаясь в пучке 3. Одновременно с положительно заряженными дейтронами в генератор нейтронов вводится равное количество отрицательно заряженных электронов (метод компенсированных ионных пучков 4). При этом общий заряд генератора нейтронов будет равен нулю. Для предотвращения рассеяния электронов на дейтронах пучки этих частиц разнесены в пространстве, как показано на фигуре. Для этого пучок дейтронов от одного источника ионов делится на 2 или более частей и направляется под небольшим углом 5 по отношению к оси . Устройство содержит две разнесенных в пространстве области, содержащие пучки электронов 12. Электроны ускоряются тем же электрическим полем, что и дейтроны. Электроны колеблются около точек ионопровода, равных - и , имеющих потенциалы . После выхода на рабочий режим использование дополнительной энергии на ускорение электронов в процессе работы не требуется, так как электроны не выводятся из пучков. Рассмотрим численный расчет характеристик предлагаемого генератора быстрых нейтронов. Каждый из двух источников создает пучок дейтронов токоми энергией частиц Е(скоростью ). Расстояние между двумя источниками обозначим как . Напряженность электрического поляпостоянна на всем путиускорения от источника, находящегося под высоковольтным потенциаломи заземленной средней частью ионопровода На дейтрон действует сила, направленная к центру системы (0)2(3)2 позволяет рассчитать время , за которое дейтрон дойдет до точки 0 2.Подставив численные значения (2,5 м,2,5105 ,3,3510-27 кг, е 1,610-19 Кл),получим 1,02210-6 с. Для прохождения дейтроном пути от точки высоковольтного электрода с- до второго высоковольтного электрода с точкой(фигура) и возврата в исходную точку необходимо время Т, равное-6 В нашем случае оно составляет 4,08810 с. За время 1 с дейтрон может совершитьколебаний 1(2,446105), вследствие чего плотность дейтронови плотность потокамногократно возрастут. Рассчитаем плотность дейтроновв одном из направлений, например вдоль положительного направления оси , как функцию времени. Для этого составим дифференциальное уравнение, учитывающее все процессы, происходящие в системе, представленной на фигуре. В рабочем объемеоколо точки 0 ускоренные дейтроны встречаются, в результате чего может произойти реакция 2 2 3(7) 112 с испусканием ядра гелия-3 и нейтрона, а также сопутствующая ей реакция 2 2 3(8) 111 с испусканием тритона и протона. Часть дейтронов в результате упругого рассеяния может изменить направление первоначального движения, оставаясь, в основном, в пучке. Испускание продуктов реакций (7) и (8) происходит сферически симметрично, они покинут пучок дейтронов и попадут, в основном, на заземленную часть стенки ионопровода. На основе баланса числа дейтроновможно рассчитать число дейтроновв единице рабочего объемаи определить поток нейтронов Ф. Изменение числа дейтронов в генераторе нейтронов связано с потоком дейтронов Ф, испускаемых источником, и выводом их из пучка в результате происходящих реакций с общим сечением где- относительная скорость, учитывающая встречное движение дейтронов. В соответствии с (10) результаты расчета числа дейтронов в единице объема в одном из направлений пучкапозволяют рассчитать поток нейтронов по формуле(11) Ф 2. Для реакции (7) при 250 кэВ относительная скорость дейтронов составляет 9,78108 см/с, а сечение -0,110-24 см 2. Для тока 10 мА поток нейтронов составит Ф 2,081016 нейтрон/с. В схеме, представленной на фигуре, дейтроны ускоряются под углом 5 по отношению к оси . Радиальная составляющая скорости для угла 5(12). составляет 4,89106 м/с 0,07850,384106 м/с. В магнитном поле с индукцией В частица с зарядом е движется по окружности радиуса.(13)Приняв значение радиуса 0,06 м, найдем значение магнитной индукции В и технические характеристики соленоида . 3,347 1027 кг 0,384 106 м / с 10612 1 2008.06.30 Индукция магнитного поля В длинного соленоида в вакууме рассчитывается по формуле 0.-7 В ф-ле (14) 012,5610 Гн/м - магнитная постоянная,- ток,- число витков на единицу длины соленоида. Значение магнитной индукции 1,3410-1 Тл можно достичь с помощью соленоида с произведением тока на число витков на 1 м 1,065105 Авиток/м. Для тока 10 А число витков на 1 м соленоида составляет 1,065104 виток/м, что выполнимо. Шаг винта, описываемый дейтроном при движении в магнитном поле, рассчитывается как 2(15)Для приведенных выше условий (1,3410-1 Тл,5) шаг винта составляет 2 3,347 1027 кг 4,89 106 м / с 0,990694,8 м , 1 19 1,34 10 Тл 1,602 10 Кл что соответствует выбранной длине ускорителя 25,0 м. Заявляемый генератор быстрых нейтронов позволяет избежать отрицательных моментов, присутствующих в прототипе, и, тем самым, увеличить поток нейтронов. Описанный генератор нейтронов позволяет повысить эффективность использования дейтронов пучка для получения нейтронов в 105 раз по сравнению с прототипом. Источники информации 1. Бекурц К., Виртц К. Нейтронная физика Пер. с англ. - М. Атомиздат, 1968. - С. 2936, 36-37, 37-43. 2. Булыга С.Ф., Гуло В.Г., Жук И.В. и др. Нейтронный генератор НГ-12-1 - базовая установка для проведения исследований в Нейтронном центре Национальной академии наук Беларуси. Препринт ИРФХП-21. - Мн., 1998. - С. 6-20. 3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. Изд. 4-е. - М. Гос. изд. физ.-мат. лит.,1962. - С. 73-74. 4. Габович М.Д. Компенсированные ионные пучки // Украинский физический журнал. 1979. - Т. 24. -2. - С. 257-273. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6