Оглавление
Список используемых сокращений Введение
Глава 1. Анализ возможных аспектов использования и получения импульсно- периодических нейтронных потоков с наносекуидной длительностью нейтронного импульса
1.1. Современные ядерные технологии, требующие использования ИНГ с длительностью нейтронного импульса ~(Н100) не
1.2. Возможные пути реализации импульсно- периодических генераторов нейтрошых вспышек с длительностью ~(1*Ч00) не Глава 2. Генерация коротких нейтронных импульсов в ИНГ на базе ВНТ (кназистационарный режим)
2.1. Оценка эьшссиониой способности источника дейтронов ВИТ
2.2. Рассмотрение процессов формирования и ускорения дейтронов в ВНТ с позиций теории квазистационарного биполярного вакуумного диода
2.3. Г енерация нейтронов в ВИТ в режиме коротких импульсов Глава 3. Особенности генерации в ВНТ нейтронных импульсов с длительностью меньшей или соизмеримой с временем пролета дейтрона в ускоряющем зазоре
3.1. Модель формирования и ускорения дейтронных потоков наносекуидной длительности в ВНТ
3.2. Результаты компьютерного эксперимента по генерации в ВНТ нейтронных импульсов наносекуидной длительности
Глава 4. Экспериментальное исследование действующих макетов генераторов коротких нейтронных импульсов
4.1. Генерация нейтронных импульсов длительностью —(10-100) не в ВНТ с использованием генераторов импульсного напряжения
4.2. Повышение эффективности генерации коротких нейтронных импульсов путем магнитной изоляции электронного компонента магнитным полем спиральной линии
4.3. Генерация нейтронных импульсов длительностью ~(10-100)нс в обращенных диодных системах с коллективным ускорением дейтронов
Заключение
Приложение. Применение схемы ионного триода для повышения эффективности 1-енерации нейтронных импульсов наносекуидной длительности в ВНТ Список литературы
Список используемых сокращений
В13- взрывчатое вещество ДМ- делящийся материал ИНГ- импульсный нейтронный генератор ВНТ- вакуумная нейтронная трубка ГИН- генератор импульсного напряжения PFNA- Pulsed Fast Neutron Analysis NRA- Neutron Resonance Attenuation;
NES- Neutron Elastic Scattering
API- Associated Particle Interrogation
ВДИД- вакуумно- дуговой источник дейтронов
ПФ- плазменный фокус
ЛИД- лазерный источник дейтронов
БЧЛ- Богуславский- Чайлд- Ленгмюр
ИТ- импульсный трансформатор
СДУ- система дифференциальных уравнений
ПК- персональный компьютер
CIC- clouds in cell
БПФ- быстрое преобразования Фурье
Введение
5
В настоящее время в прикладной ядерпой физике можно выделить ряд важных направлений, где требуются излучатели нейтронных импульсов малой длительности на базе малогабаритных ускорителей нуклидов водорода.
Первое направление возникло в связи с усилением борьбы с терроризмом и распространением наркотиков в восьмидесятых годах прошлого столетия с целью обнаружения взрывчатых веществ (ВВ), наркотиков и делящихся материалов (ДМ). Для решения этих задач было предложено несколько методик, требующих применения генераторов нейтронных импульсов с длительностью ~(1-Н00) НС.
Другое направление сформировалось при проведении исследований по термоядерному синтезу с инерциальным удержанием. В этом случае для тестирования регистрирующей аппаратуры требуются устройства, генерирующие нейтронные импульсы с длительностью ~(1-50) НС.
Такие импульсные нейтронные генераторы (ИНГ) представляют также значительный интерес в связи с разработкой методик нейтроннорадиометрического элементного анализа вещества, использующих время-пролетную спектрометрию рассеянных нейтронов, и изучением быстропротскающих процессов с применением нейтронной томографии.
Традиционные ИНГ на базе малогабаритных запаянных диодов-вакуумных нейтронных трубок (ВНТ) позволяют генерировать нейтронные импульсы с длительностью в несколько мкс. Реализация ианосскундных режимов генерации нейтронов составляет проблему, связанную с особенностями формирования коротких пакетов ускоренных дейтронов, бомбардирующих мишень ВНТ. Этот факт и определяет актуальность диссертационного исследования процессов генерации коротких нейтронных импульсов с помощью ВНТ и разработки соответствующих новых
6
технических решений в области малогабаритных ИНГ, работающих в таком режиме.
Целью диссертационного исследования являлось изучение физических процессов, протекающих в устройствах для генерации нейтронных импульсов малой длительности '-(1+100) ис с использованием ВНТ и разработка эффективных технических решений для реализации таких устройств.
Для достижения этой цели были выполнены следующие работы, результаты которых обладают признаками научной новизны:
1. Предложены дне схемы генерации коротких нейтронных импульсов в ВНТ с применением генераторов импульсных напряжений (ГИН) на базе высоковольтного импульсного трансформатора (ИТ) с разрядником-обострителем и ГИН Аркадьева- Маркса. Проведено их экспериментальное исследование. На реакции Т(сі,пУ'Не в первом случае был получен
6 7 #
нейтронный выход 10 н/имп при длительности 40нс, во втором 2.10 н/имл при длительности ~100 ПС.
2. Проведен компьютерный эксперимент по формирования дейтронных пакетов и генерации нейтронных импульсов с длительностью меньшей времени пролета дейтрона в диодной системе БИТ с использованием модифицированной под эту задачу программы и алгоритма, реализующих метод «крупных частиц». Установлено, что на формирование и ускорение дейтронного потока существенное влияние оказывает собственное кулоновское поле дейтронов соизмеримое с внешним ускоряющим полем, осуществляющее торможение дейтронов в области анода, расплывание потока дейтронов в поперечном направлении и его энергетического спектра. Показано слабое влияние кулоиовского поля эмиссионных электронов на процесс ускорения дейтронов и генерацию нейтронов.
3. Предложены три модели формирования импульсных дейтронных потоков в диодных системах малогабаритных ВНТ, одна из которых для ее упрощения использует представление об эквивалентной динамической
7
проводимости диодной системы. На их основе проведено компьютерное моделирование процессов формирования дейтрониьтх пакетов и генерации нейтронов в ВНТ при длительности нейтронной вспышки <300 НС, но существенно превышающей время пролета дейтрона в диодной системе. Для этих режимов установлено, что с ростом электронной эмиссии с катода уменьшается нейтронный выход и длительность нейтронного импульса.
4. Предложено оригинальное техническое решение ВИТ с двумя • нейтронообразующими мишенями на базе ионного триода для повышения
эффективности генерации коротких нейтронных импульсов, заявленное в Федеральную службу по интеллектуальной собственности на предмет выдачи патента РФ на изобретение.
5. Проведено экспериментальное исследование макетов генераторов коротких нейтронных импульсов с использованием бериллиевой и дейтерисвой мишеней на базе обращенного диода с коллективным ускорением дейтронов и линии Бзиомляйна. В проведенных экспериментах нейтронный выход достигал 106 и/имп.
Научная и практическая значимость диссертации состоит в том, что получена важная информация о физических процессах формирования коротких дейтронных пакетов в малогабаритных ускорительных трубках, позволяющая рассчитывать основные параметры генераторов наиосекундных нейтронных импульсов. Разработанные научно- технические основы таких ИНГ могут существенно сократить временные затраты на проектирование подобных приборов. Создание и производственное освоение генераторов указанного типа позволит существенно повысить эффективность аипаратурно- методических комплексов, применяемых при решении задач поиска и идентификации скрытых опасных предметов и веществ, нейтронного элементного анализа состава вещества, нейтронной томографии быстропротекающих процессов и тестирования аппаратуры, анализирующей короткие нейтронные вспышки.
На защиту выносятся следующие основные положения:
8
1. Результаты экспериментального исследования действующих макетов генераторов коротких нейтронных импульсов на базе ВИТ и ГИН, а также обращенных диодов.
2. Математические модели процессов формирования импульсных дейтронных потоков и генерации нейтронов в диодных системах малогабаритных ВНТ.
3. Результаты компьютерного эксперимента по моделированию процессов формирования дейтронных пакетов и генерации нейтронов в ВНТ при длительностях нейтронных импульсов лежащих в пределах от 1 до 300 не.
При этом личный вклад автора заключается в пыработкс целей и постановке задач исследований, проведении физического и компьютерного моделирования изучаемых процессов с использованием экспериментального оборудования НИЯУ МИФИ и ВИИИА им. H.JI. Духова, а также комплекса компьютерных программ, разработанных на кафедре ЭФУ НИЯУ МИФИ. Адаптации указанного оборудования и программ под решаемые задачи. Разработке и исследовании технических решений по генерации коротких нейтронных импульсов в ВНТ
Основные положения диссертации докладывались на 5-й Международной конференции по нейтронной радиографии, г. Берлин, 1996г; Международной конференции «Ядерная энергия в центральной Европе», г. Портороз, Словения, 1999г.; Межотраслевой научно- технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», Москва, 2003г.; Международной научно- технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», Москва, 2004г.; Международной конференции "Radiation Interaction with Material and its Use in Technologies 2006"; Международной конференции по электростатическим ускорителям и нано- технологиям, г. Обнинск, 2010 г.; Научных сессиях ЫИЯУ МИФИ, г. Москва, 2011- 2012г., 22-м
международном совещании по ускорителям заряженных частиц, г. Алушта, 2011.
9
По результатам диссертации опубликовано 17 печатных работ [В.1-В.7], [В.10-В.19] в том числе 7 статей в журналах с независимым рецензированием но списку ВАК [В.1-В.7], получено 2 патента РФ [В.20-В.21] и подана заявка на изобретение [В.22], часть материалов представлена в научно- техническом отчете [В.23].
Диссертация содержит 120 страниц, 56 рисунков, 1 таблицу и состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложения и библиографии включающей 94 наименования источников информации.
10
Глава 1. Анализ возможных аспектов использования и получения импульсно- периодических нейтронных потоков с наносскундной длительностью нейтронного импульса
1.1. Современные пдсриыс технологии, требующие использования ИНГ с длительностью нейтронного импульса ~(1ч-100) не
Но введении было отмечено несколько направлений в области ядерных технологий, требующих применения ИНГ с длительностью нейтронного импульса 1ч-100) не. Наиболее важным направлением представляется практическая реализация методов дистанционного нейтронного контроля различных объектов с целью обнаружения ВВ, наркотиков, химически опасных веществ и ДМ.
В конце восьмидесятых годов прошлого столетия в ряде аэропортов США [1.1] были проведены испытания систем обнаружения ВВ, разработанных компанией 8А1С с использованием нейтронного метода. После этого был проведен анализ возможностей нейтронных методов для обнаружения ВВ [1.2].
Рассмотрим нейтронные методы, которые можно использовать для обнаружения ВВ или наркотики в объекте контроля. Они основаны на анализе у- полей радиационного захвата и неупругого рассеяния, а также нейтронов, формируемых при взаимодействии нейтронного излучения ускорителей с веществом, составляющим объекты контроля.
Сложность задачи при обнаружении ВВ состоит в том, что основными элементами, его составляющими, являются азот, кислород, водород и углерод, которые входят в состав пищевых продуктов, текстильных изделий и полимеров. Однако ВВ обладают спецификой, позволяющей отличить их от веществ, близких к ним по элементному составу за счет относительно высокой концентрации ядер N и О на фоне низкой концентрации ядер С и Н [1.3]. Этот фактор используется при обнаружении и идентификации ВВ.
- Київ+380960830922