RU160364U1 - Ионный магнитный диод для генерации нейтронов - Google Patents

Abstract

Ионный магнитный диод для генерации нейтронов, содержащий цилиндрический анод и соосно-расположенные с анодом по обе стороны от него катоды, соединенные с источником высокого напряжения и находящиеся в рабочем объеме газоразрядной камеры, заполненной тяжелыми изотопами водорода, катоды выполнены в виде двух параллельных соосных дисков, отличающийся тем, что катоды и анод закреплены в газоразрядной камере с помощью креплений, катоды имеют электрическую связь, расположенную за пределами газоразрядной камеры, в качестве катодов и анода использованы постоянные магниты, создающие суммарное магнитное поле индукцией В, силовые линии магнитного поля в точках их пересечения с центральной плоскостью газоразрядной камеры направлены вдоль центральной оси газоразрядной камеры, перпендикулярно линиям электрического поля, лежащим на центральной плоскости, центральная плоскость газоразрядной камеры расположена между катодами, параллельно их плоским поверхностям и делит анод на две равные части по его высоте, центральная ось газоразрядной камеры является осью соосно-расположенных катодов, индукция магнитного поля выбирается из следующего соотношения:где В - индукция магнитного поля;q, m, v- заряд, масса и скорость электрона;q, mv- заряд, масса и скорость иона рабочего газа;d- диаметр анода;h - расстояние между анодом и катодом.

Description

Полезная модель относится к плазменной технике, к устройствам для генерации нейтронов и может быть использовано для проведения ядерно-физических исследований, в досмотровых системах, при калибровках детекторов ионизирующих излучений и т.п.

Известен прибор инерциального электростатического удержания (Inertial Electrostatic Confinement или IEC), описанный в работе [1], который состоит из сферического металлического анода, используемого одновременно в качестве вакуумной камеры, внутрь анода помещен сетчатый частично прозрачный катод, имеющий сферическую форму, расположенный концентрично аноду. Электроды соединены с источником высокого напряжения порядка 100 кВ. Межэлектродный объем заполняется дейтерием (тяжелым водородом), давление которого варьируется в пределах (10^-2÷1) Па. При включении источника напряжения между анодом и катодом образуется плазма, ионы которой ускоряются к центру системы, где они могут вступать в ядерные реакции ²D+²D=³Не+n, в результате чего происходит генерация нейтронов.

Недостатками указанного устройства являются конструктивная сложность изготовления катода с хорошей степенью прозрачности, перегрев катода при высоких вкладываемых мощностях и отклонение электрического поля от сферической геометрии из-за наличия электрического ввода, связывающего катод с источником высокого напряжения.

В качестве прототипа по наибольшему количеству совпадающих конструктивных признаков принят ионный диод для генерации нейтронов [2], содержащий анод и соосно-расположенный внутри анода полый, частично-прозрачный катод, соединенные с источником высокого напряжения и находящиеся в рабочем объеме, заполненном тяжелым водородом, катод выполнен в виде двух параллельных соосных дисков радиуса r_К, соединенных между собой с помощью N≥4 металлических тонких стержней длиной h, расположенных перпендикулярно к поверхностям дисков и симметрично относительно оси диода на расстоянии r_С от нее, а анод представляет собой цилиндр радиуса r_А и высотой Н, при этом должны выполняться следующие неравенства:

где Н - высота цилиндра анода,

h - расстояние между катодными дисками,

r_К - радиус дисков катода,

r_А - радиус цилиндра анода,

r_С - радиус, на котором располагаются стержни.

Недостатком прототипа является наличие большой электронной составляющей разрядного тока при развитии разряда в данной системе электродов, создающей большую нагрузку на источник электропитания, что приводит к небольшой эффективности генерации нейтронного излучения.

Техническим результатом предлагаемого устройства является уменьшение электронной составляющей разрядного тока при развитии разряда в данной системе электродов, что приводит к уменьшению нагрузки на источник питания и увеличению эффективности генерации нейтронного излучения.

Технический результат достигается тем, что ионный магнитный диод для генерации нейтронов, содержащий цилиндрический анод и соосно-расположенные с анодом по обе стороны от него катоды, соединенные с источником высокого напряжения и находящиеся в рабочем объеме газоразрядной камеры, заполненной тяжелыми изотопами водорода, катоды выполнены в виде двух параллельных соосных дисков катоды и анод закреплены в газоразрядной камере с помощью креплений, катоды имеют электрическую связь, расположенную за пределами газоразрядной камеры, в качестве катодов и анода, использованы постоянные магниты, создающие суммарное магнитное поле индукцией В, силовые линии магнитного поля в точках их пересечения с центральной плоскостью газоразрядной камеры, направлены вдоль центральной оси газоразрядной камеры, перпендикулярно линиям электрического поля, лежащим на центральной плоскости, центральная плоскость газоразрядной камеры расположена между катодами, параллельно их плоским поверхностям и делит анод на две равные части по его высоте, центральная ось газоразрядной камеры является осью соосно-расположенных катодов, индукция магнитного поля выбирается из следующего соотношения:

где В - индукция магнитного поля;

q_e, m_е, v_e - заряд, масса и скорость электрона;

q_i, m_i, v_i - заряд, масса и скорость иона рабочего газа;

d_анода - диаметр анода;

h - расстояние между анодом и катодом.

Схема ионного магнитного диода для генерации нейтронов приведена на чертеже, принятые обозначения:

1 - газоразрядная камера, 2 - цилиндрический анод, 3 - катоды, 4 - электрическая связь между катодами, 5 - силовые линии магнитного поля, 6 - линии электрического поля, 7 - центральная ось газоразрядной камеры, 8 - крепления электродов к газоразрядной камере, А-А - центральная плоскость газоразрядной камеры.

Ионный магнитный диод для генерации нейтронов содержит газоразрядную камеру 1, имеющую центральную ось 7 и центральную плоскость А-А, внутри газоразрядной камеры с помощью креплений 8 закреплена система электродов 2 и 3. В центре камеры располагаются катоды 3, выполненные в виде двух соосных и расположенных друг напротив друга плоских магнитных дисков одинакового диаметра, имеющих электрическую связь 4, проходящую за пределами газоразрядной камеры. Анод 2 представляет собой полый цилиндр, также выполненный в виде магнита, имеющий внутренний диаметр больше диаметров катодных дисков. Силовые линии 5 магнитного поля проходят перпендикулярно центральной плоскости А-А газоразрядной камеры 1 и перпендикулярны линиям 6 электрического поля, лежащим на плоскости А-А.

Работа устройства обеспечивается при заземлении анода 2 и подаче высокого (100 кВ) импульсного или постоянного напряжения отрицательной полярности с источника высоковольтного питания (на чертеже не показан) на катоды 3.

Устройство работает следующим образом:

Газоразрядная камера 1 с закрепленными (креплениями 8) внутри нее электродами 2 и 3 заполняется тяжелыми изотопами водорода, при подаче высокого напряжения (100 кВ) с источника высоковольтного питания на катоды 3, посредством электрической связи 4 и заземлении анода 2, происходит зажигание объемного пространственного разряда и образование ионов тяжелых изотопов водорода и электронов в центральной плоскости устройства А-А, при этом в центре устройства возникает область с повышенной концентрацией плазмы, где происходит генерация нейтронов. Роль электродов 2 и 3 выполняют постоянные магниты, при этом силовые линии магнитного поля 5 ориентированы вдоль центральной оси камеры 7 (перпендикулярно линиям 6 приложенного электрического поля). Индукция магнитного поля, выбирается, такой, чтобы ларморовский радиус ускоренных ионов был больше диаметра анода 2, а ларморовский радиус ускоренных электронов - меньше половины расстояния между катодами 3 и анодом 2. Обозначив диаметр анода 2, как d_анода, диаметр катодов 3, как d_катода, а. расстояние между катодами 3 и анодом 2:

и используя формулу:

для определения ларморовского радиуса, получаем ограничения, накладываемые на значение индукции магнитного поля в межэлектродном промежутке:

где: q_e, m_е, v_e - заряд, масса и скорость электрона; q_i, m_i, v_i - заряд, масса и скорость иона рабочего газа; d_анода, d_катода - диаметры анода и катода; В - индукция магнитного поля.

В исследованной авторами системе электродов с характерными размерами: d_анода=0.1 м, d_катода=0.05 м, при использовании дейтерия в качестве рабочего газа, значение индукции магнитного поля в межэлектродном промежутке составляло 0.3 Тл. Это удовлетворяет условию (5), в соответствии с которым необходимые значения индукции магнитного поля в межэлектродном промежутке должны лежать в области 0.1÷0.6 Тл.

Такая конфигурация магнитного поля не оказывает существенного влияния на траектории движения ионов, но сильно изменяет траектории движения электронов. Электроны начинают вращаться вокруг линий 5 магнитного поля не доходя до анода 2, тем самым уменьшается электронная компонента разрядного тока и уменьшается нагрузка на источник питания, что приводит к увеличению эффективности генерации нейтронного излучения.

Из приведенного чертежа и характерных размеров системы электродов использованных в расчете следует, что соотношения (1), приведенные в описании к прототипу, не выполняются. Однако существуют ограничения, накладываемые на размеры катодов 3, анода 2 и их взаимного расположения. Расстояние между катодами 3 и анодом 2, должно быть больше половины диаметра катодов и должно обеспечивать отсутствие электрических пробоев между катодами 3 и анодом 2 при заданном давлении рабочего газа. Расстояние между катодами 3 должно быть не больше половины диаметра катодов 3, но не меньше высоты анода 2.

Список источников:

1) G.H. Miley A portable neutron / tunable X-ray source based on inertial electrostatic confinement // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 422 (1999) 16-20

2) Пат. 2461151 Российская Федерация МПК Н05Н 5/00 Ионный диод для генерации нейтронов / В.Ю. Замятнин, К.И. Козловский, А.В. Самарин, А.С. Цыбин, Д.Р. Хасая, А.Е. Шиканов, заявитель и патентообладатель НИЯУ МИФИ - №2461151; заявл. 25.01.2011; опубл. 10.09.2012, Бюл. №25 - С. 8: ил. 2.

Claims (1)

1. Ионный магнитный диод для генерации нейтронов, содержащий цилиндрический анод и соосно-расположенные с анодом по обе стороны от него катоды, соединенные с источником высокого напряжения и находящиеся в рабочем объеме газоразрядной камеры, заполненной тяжелыми изотопами водорода, катоды выполнены в виде двух параллельных соосных дисков, отличающийся тем, что катоды и анод закреплены в газоразрядной камере с помощью креплений, катоды имеют электрическую связь, расположенную за пределами газоразрядной камеры, в качестве катодов и анода использованы постоянные магниты, создающие суммарное магнитное поле индукцией В, силовые линии магнитного поля в точках их пересечения с центральной плоскостью газоразрядной камеры направлены вдоль центральной оси газоразрядной камеры, перпендикулярно линиям электрического поля, лежащим на центральной плоскости, центральная плоскость газоразрядной камеры расположена между катодами, параллельно их плоским поверхностям и делит анод на две равные части по его высоте, центральная ось газоразрядной камеры является осью соосно-расположенных катодов, индукция магнитного поля выбирается из следующего соотношения:

   

   где В - индукция магнитного поля;

   q_e, m_е, v_e - заряд, масса и скорость электрона;

   q_i, m_i v_i - заряд, масса и скорость иона рабочего газа;

   d_анода - диаметр анода;

   h - расстояние между анодом и катодом.

   

Images