Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов

Исследован нестационарный процесс формирования и ускорения дейтронных импульсов тока к нейтронно-образующей мишени в вакуумных ускорительных трубках для генерации нейтронов. Исследование проводилось на численной модели с использованием релятивистского электромагнитного PIC-кода. Полученные данные по...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автори:	Диденко, А.Н., Ращиков, В.И., Рыжков, В.И., Шиканов, А.Е.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2012
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Сильноточные импульсные ускорители
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108894
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов / А.Н. Диденко, В.И. Ращиков, В.И. Рыжков, А.Е. Шиканов // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 129-132. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-108894
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1088942016-11-17T03:04:05Z Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов Диденко, А.Н. Ращиков, В.И. Рыжков, В.И. Шиканов, А.Е. Сильноточные импульсные ускорители Исследован нестационарный процесс формирования и ускорения дейтронных импульсов тока к нейтронно-образующей мишени в вакуумных ускорительных трубках для генерации нейтронов. Исследование проводилось на численной модели с использованием релятивистского электромагнитного PIC-кода. Полученные данные по расчету полей и динамики в коротко-импульсных малогабаритных диодных системах позволяют сделать расчет мгновенного нейтронного потока, излучаемого вакуумной ускорительной трубкой. Nonsteady process of deuteron pulse formation and acceleration to neutron produced target at vacuum acceleration tubes is investigated. Deuterons are emitted from vacuum arc discharge or laser deuteron sources. This generation mechanism has been studied by numerical simulations using a relativistic electromagnetic PIC code. The results obtained shows essential dependence of deuteron plasma emission, forming and accelerating processes in diode from the final deuteron current. Neutron flow calculation can be done based on short pulse dynamic investigation. Досліджено нестаціонарний процес формування та прискорення дейтронних імпульсів струму до нейтроно-утворюючої мішені в вакуумних прискорювальних трубках для генерації нейтронів. Дослідження проводилося на чисельній моделі з використанням релятивістського електромагнітного PIC-коду. Отримані дані по розрахунку полів і динаміки в коротко-імпульсних малогабаритних діодних системах дозволяють зробити розрахунок миттєвого нейтронного потоку, випромінюваного вакуумною прискорювальною трубкою. 2012 Article Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов / А.Н. Диденко, В.И. Ращиков, В.И. Рыжков, А.Е. Шиканов // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 129-132. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108894 537.5 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Сильноточные импульсные ускорители Сильноточные импульсные ускорители
spellingShingle	Сильноточные импульсные ускорители Сильноточные импульсные ускорители Диденко, А.Н. Ращиков, В.И. Рыжков, В.И. Шиканов, А.Е. Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов Вопросы атомной науки и техники
description	Исследован нестационарный процесс формирования и ускорения дейтронных импульсов тока к нейтронно-образующей мишени в вакуумных ускорительных трубках для генерации нейтронов. Исследование проводилось на численной модели с использованием релятивистского электромагнитного PIC-кода. Полученные данные по расчету полей и динамики в коротко-импульсных малогабаритных диодных системах позволяют сделать расчет мгновенного нейтронного потока, излучаемого вакуумной ускорительной трубкой.
format	Article
author	Диденко, А.Н. Ращиков, В.И. Рыжков, В.И. Шиканов, А.Е.
author_facet	Диденко, А.Н. Ращиков, В.И. Рыжков, В.И. Шиканов, А.Е.
author_sort	Диденко, А.Н.
title	Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов
title_short	Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов
title_full	Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов
title_fullStr	Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов
title_full_unstemmed	Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов
title_sort	генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Сильноточные импульсные ускорители
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108894
citation_txt	Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов / А.Н. Диденко, В.И. Ращиков, В.И. Рыжков, А.Е. Шиканов // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 129-132. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT didenkoan generaciânanosekundnyhnejtronnyhimpulʹsovvdiodnyhuskoritelʹnyhtrubkahsvakuumnodugovymiilazernymiistočnikamidejtronov AT raŝikovvi generaciânanosekundnyhnejtronnyhimpulʹsovvdiodnyhuskoritelʹnyhtrubkahsvakuumnodugovymiilazernymiistočnikamidejtronov AT ryžkovvi generaciânanosekundnyhnejtronnyhimpulʹsovvdiodnyhuskoritelʹnyhtrubkahsvakuumnodugovymiilazernymiistočnikamidejtronov AT šikanovae generaciânanosekundnyhnejtronnyhimpulʹsovvdiodnyhuskoritelʹnyhtrubkahsvakuumnodugovymiilazernymiistočnikamidejtronov
first_indexed	2025-07-07T22:15:08Z
last_indexed	2025-07-07T22:15:08Z
_version_	1837028093557997568
fulltext	ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 129 СИЛЬНОТОЧНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ УСКОРИТЕЛИ УДК 537.5 ГЕНЕРАЦИЯ НАНОСЕКУНДНЫХ НЕЙТРОННЫХ ИМПУЛЬСОВ В ДИОДНЫХ УСКОРИТЕЛЬНЫХ ТРУБКАХ С ВАКУУМНО- ДУГОВЫМИ И ЛАЗЕРНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ДЕЙТРОНОВ А.Н. Диденко1, В.И. Ращиков1, В.И. Рыжков2, А.Е. Шиканов1 1Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия; 2Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, Москва, Россия E-mail: virashchikov@mephi.ru Исследован нестационарный процесс формирования и ускорения дейтронных импульсов тока к нейтрон- но-образующей мишени в вакуумных ускорительных трубках для генерации нейтронов. Исследование про- водилось на численной модели с использованием релятивистского электромагнитного PIC-кода. Получен- ные данные по расчету полей и динамики в коротко-импульсных малогабаритных диодных системах позво- ляют сделать расчет мгновенного нейтронного потока, излучаемого вакуумной ускорительной трубкой. Вакуумная ускорительная трубка для генерации нейтронов (ВНТ) представляет собой ионный диод, в котором осуществляется ускорение дейтронов, образующихся в вакуумно-дуговых или лазерных ионных источниках, к нейтронно-образующей ми- шени, содержащей дейтерий или тритий в окклюди- рованном состоянии. В ВНТ, работающих в квази- стационаром режиме, когда пролетное время дей- трона в диодном зазоре τпр существенно больше длительности импульса ускоряющего напряжения τ, формирование и ускорение дейтронного пакета осуществляется в соответствии с моделью Богуслав- ского-Чайлда-Ленгмюра [1]. Пролетное время дейтрона в квазиплоском диоде можно оценить с помощью следующего интеграль- ного соотношения: 2 0 0 2( ) пр t d Mdt dsU s e τ =∫ ∫ , где е − элементарный электрический заряд; М − мас- са протона; d − ширина ускоряющего зазора; U(t) − зависимость ускоряющего напряжения от времени. Если форма ускоряющего импульса близка к прямоугольной, то указанная формула упрощается и имеет место следующая приближенная оценка: 0 2пр Md eU τ ≈ , где U0 − амплитуда ускоряющего импульса. Соот- ветствующие вычисления показывают, что в мало- габаритных ускорительных трубках (УТ) для гене- рации нейтронов пролетное время дейтрона в уско- ряющем зазоре может изменяться в пределах от 2 до 10 нс. Если длительность ускоряющего импульса меньше или порядка пролетного времени, то про- цесс формирования и ускорения дейтронных паке- тов становится нестационарным и не может быть описан в рамках квазистационарной модели. Компьютерный анализ формирования и ускоре- ния дейтронных пакетов в нестационарном режиме проводился для диодного промежутка, схематично изображённого на Рис.1. d U=100кВ n К A Рис.1. Схема ускорения дейтронов в диоде с последующей генерацией нейтронов Для определенности будем полагать, что на ди- одный промежуток с шириной ~0,01 м подаётся прямоугольный импульс U ~ 100 кВ длительностью ~10 нс. Из образованной на аноде плазмы внешним электрическим полем вытягиваются дейтроны, ко- торые движутся к катоду под действием внешнего и собственного электрических полей. Мишенью явля- ется катод, на который попадают ускоренные полем дейтроны. В результате взаимодействия с мишенью образуется поток нейтронов. Исследование проводилось путём численного моделирования с использованием 2,5-мерного реля- тивистского электромагнитного PIC-(particle-in-cel) кода СУМА (Система Уравнений Максвелла) [2]. Код представляет собой 2,5-мерную нестацио- нарную модель, позволяющую описывать самосо- гласованным образом динамику заряженных частиц в прямоугольной, цилиндрической и полярной сис- темах координат. Система уравнений математической модели со- стоит из уравнений Максвелла, уравнения среды и уравнения движения. На каждом шаге решения в текущий момент времени t сначала выполняется вычисление плотностей заряда и тока, входящих в уравнения Максвелла. Раздача заряда и токов в узлы пространственной сетки и их сглаживание выполня- ется путем взвешивания площадей частицы (облака) и ячейки сетки. Поступление новых частиц на шаге моделирования Δt в рассматриваемую область реа- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 130 лизовано в виде механизмов инжекции, эмиссии, либо вторичной эмиссии с соответствующими зако- нами распределения. После этого численно решают- ся уравнения Максвелла, и осуществляется коррек- ция полученного решения на предмет соответствия уравнению Пуассона. Коррекция выполняется путем решения уравнения Пуассона для разности распре- деления плотностей заряда, полученных из дивер- гентного уравнения Максвелла, и реальным распре- делением зарядов ρ. * 0 ( ) с ρ ρ ε − − ΔΦ = , где * div ρ ε =E . Скорректированное выражение для поля имеет следующий вид: grad( )c c= − ΦE E . Уравнение Пуассона решается с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье по од- ной координате и прогонки (алгоритм Томаса) по второй. Для областей со сложной геометрией, а также при наличии электродов внутри области, ис- пользуется метод матрицы ёмкости, связывающий потенциал и заряд в необходимых узлах. На границе области могут задаваться следующие краевые условия: − металлическая поверхность; − условия периодичности; − условия симметрии; − условия прохождения волны. Поскольку в результате решения уравнений Максвелла поле находится в узлах пространствен- ной сетки, для численного интегрирования уравне- ний движения необходимо вычисление поля в про- межуточных точках, где располагаются частицы. Для этого используется интерполирование и сгла- живание сеточных функций. Интегрируя уравнения движения, находим рас- пределение частиц в фазовом пространстве в мо- мент времени tt Δ+ и т.д. При интегрировании применен релятивистский вариант метода с переша- гиванием и использованием временного сдвига про- странственной координаты и импульса. В модели в процессе расчетов контролируется баланс энергии в исследуемой области 0WP P t∑ ∂ + + = ∂ . C этой целью на сетке вычисляются интегралы следующего вида: 1 ( ) 2 V W dV= +∫ HB ED , дающий величину запасенной в области энергии; V P dV= ∫ jE , позволяющий оценить преобразование мощности в системе; [ ]P d∑ = ∫ EH S, вычисляющий поток через заданную поверхность. В рассматриваемом нами случае высокочастот- ными полями можно пренебречь, а собственное поле будет находиться из решения уравнения Пуассона. На Рис.2 представлено распределение заряда Q в диодной области (плоскость R-Z) в момент времени t = 10 нс. Видно, что область заполняется не равно- мерно. Это объясняется тем фактом, что по мере заполнения диода собственное кулоновское поле дейтронов, находящихся внутри диода, растет, при- чём, на аноде появляется сильное продольное, тор- мозящее дейтроны, поле (Рис.3). Максимальная ве- личина этого поля при Iэ= 1 А составляет величину около 2⋅106 В/м, что сравнимо с внешним полем. Это приводит к ограничению тока, выходящего с анода и долетающего до катода. Рис.2. Распределение заряда в диоде По окончании поданного на диод импульса эмиссия прекращается, и оставшиеся дейтроны по- кидают диодное пространство. Собственное куло- новское поле пучка в диоде постепенно убывает. Рис.3. Зависимости от времени напряженности продольного электрического поля пучка в области анода По мере движения к катоду однородность пучка нарушается, а радиус его растет, что также объясня- ется влиянием собственного кулоновского поля. Собственное поле пучка оказывается по порядку величины сравнимым с внешним полем, что и при- водит к его расплыванию в продольном и попереч- ном направлениях. Выходной энергетический спектр дейтронов представлен на Рис.4. По вертикальной оси отложен заряд дейтронов в кулонах, по горизонтальной − их энергия в электронвольтах. Видно расширение спек- тра, вызванное полем пространственного заряда. На Рис.5 представлена зависимость потока ней- тронов от эмиссионного тока источника дейтронов, рассчитанная для фиксированной амплитуды и дли- тельности импульса напряжения на ускоряющем зазоре. Длина диодного промежутка: 0,01 м (нижняя кривая), 0,0075 м (средняя кривая) и 0,005 м (верх- няя кривая). ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 131 а б Рис.4. Энергетический спектр ускоренных дейтронов на мишени: ток эмиссии 1 А (а), ток эмиссии 15 А (б) Рис.5. Зависимость мгновенного нейтронного потока от эмиссионного тока при разной длине ускоряющего зазора Анализ полученных зависимостей говорит о су- щественном влиянии эмиссионного тока на процесс извлечения дейтронов из плазмы источника дейтро- нов и процессы формирования и ускорения дей- тронного потока в диодном зазоре. Интересно отметить наличие максимума у зави- симости тока ускоренных дейтронов от эмиссионно- го тока в области значений ~10 А. Этот максимум связан с фактором частичного запирания дейтрон- ного тока собственным объемным зарядом, причем, чем длиннее промежуток, тем больше накопленный в нем пространственный заряд, и тем при меньших токах эмиссии наступает запирание. На Рис.6 представлены зависимости потока дей- тронов от длительности импульса напряжения на ускоряющем зазоре, рассчитанные для разных вели- чин эмиссионного тока источника дейтронов. Ам- плитуда импульса напряжения, поданного на уско- ряющий зазор, остается при этом неизменной. t, нс Рис.6. Зависимость мгновенного нейтронного потока от длительности импульса напряжения на ускоряющем зазоре. Кривая 1 − I= 0,5 A; кривая 2 − I=1 A; кривая 3 − I= 5 A; кривая 4 − I=10 A; кривая 5 − I=15 A; кривая 6 − I= 20 A При токе 10 А и длительностях импульса больше 20 нс происходит запирание диода объемным заря- дом. При больших токах запирание происходит раньше. Полученные данные по расчету полей и динами- ки в короткоимпульсных малогабаритных диодных системах позволяют сделать расчет мгновенного нейтронного потока, излучаемого ВНТ, используя следующую формулу [1]: , )( )( )( 1 i i ji ii j j WF W WWq e snΦ σ τ ∑∑ < + −= где s − коэффициент стехиометрии мишени УТ по тритию; n − концентрация ядер металлоносителя мишени; iq − заряд группы дейтронов, соответст- вующий энергии iW (МэВ) (эти числа получаются из энергетического спектра, построенного на Рис.4), 27 2 2 2 1.72exp( ) 5.8 10( ) ( ) i i i i p WΓW W Γ W W σ − − ⋅ = + − − микросечение ядерной реакции T(d,n)4He (м2); 0.096pW = МэВ − резонансное значение энергии дейтрона, Г=0,174 МэВ − ширина резонанса ядерной реакции, 1.275 1.275 1 1( ) ( )i H i i A i i H WnZF W W N W Z W β αα γ γ + = + + + − тор- мозные потери дейтрона в мишени (МэВ/м) [3]; Z − заряд ядер мишени; NA − число Авогадро. Расчет проводился для титановой мишени, на- сыщенной тритием, с коэффициентом стехиометрии s = 1 (α = 28,07; β = 0,110; γ = 0,038; αH = 80; γH = 0,028) для высоковольтного импульса с ампли- тудой 100 кВ и длительностью 10 нс. Расчет дал значение мгновенного потока нейтронов в полный телесный угол на уровне 1011 нейтр./с. Результаты, приведенные в статье, получены в процессе выполнения государственного контракта № П-248 Федеральной целевой программы «Науч- но-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 132 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Б.Ю. Богданович, А.В. Нестерович, А.Е. Шиканов, М.Ф. Ворогушин, Ю.А. Свистунов. Дистанцион- ный радиационный контроль с линейными уско- рителями заряженных частиц // Линейные уско- рители для генерации тормозного излучения и нейтронов. М.: «Энергоатомиздат». 2009, т.1, с.272-276. 2. В.И. Ращиков. Расчет электромагнитных полей в структурах сложной геометрии // Вопросы атом- ной науки и техники. Серия «Ядерно-физические исследования» (18). 1990, в.10, c.50-53. 3. А.В. Нестерович, А.Е. Шиканов. Функции тор- можения нуклидов водорода в мишенях резо- нансных ускорителей для генерации нейтронов // Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010, Аннотации докладов, т.1, Ядерная физика и энергетика, М., 2010, с.167. Статья поступила в редакцию 23.09.2011 г. NANOSECOND NEUTRON PULSE GENERATION IN DIODE ACCELERATION TUBES WITH VACUUM ARC DISCHARGE AND LASER DEUTERON SOURCES A.N. Didenko, V.I. Rashchikov, V.I. Rishkov, A.E. Shikanov Nonsteady process of deuteron pulse formation and acceleration to neutron produced target at vacuum accelera- tion tubes is investigated. Deuterons are emitted from vacuum arc discharge or laser deuteron sources. This genera- tion mechanism has been studied by numerical simulations using a relativistic electromagnetic PIC code. The results obtained shows essential dependence of deuteron plasma emission, forming and accelerating processes in diode from the final deuteron current. Neutron flow calculation can be done based on short pulse dynamic investigation. ГЕНЕРАЦІЯ НАНОСЕКУНДНИХ НЕЙТРОННИХ ІМПУЛЬСІВ У ДІОДНИХ ПРИСКОРЮВАЛЬНИХ ТРУБКАХ З ВАКУУМНО-ДУГОВИМИ І ЛАЗЕРНИМИ ДЖЕРЕЛАМИ ДЕЙТРОНІВ А.Н. Діденко, В.І.Ращіков, В.І. Рижков, О.Є. Шиканов Досліджено нестаціонарний процес формування та прискорення дейтронних імпульсів струму до нейт- роно-утворюючої мішені в вакуумних прискорювальних трубках для генерації нейтронів. Дослідження про- водилося на чисельній моделі з використанням релятивістського електромагнітного PIC-коду. Отримані дані по розрахунку полів і динаміки в коротко-імпульсних малогабаритних діодних системах дозволяють зроби- ти розрахунок миттєвого нейтронного потоку, випромінюваного вакуумною прискорювальною трубкою.

Генерация наносекундных нейтронных импульсов в диодных ускорительных трубках с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов

Репозитарії

Схожі ресурси