Разработка физических основ сверхвысокой зарядки пылевых частиц плазменно-пучковым методом для создания малогабаритного источника нейтронов без сопутствующего рентгеновского излучения.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-12-10458

НазваниеРазработка физических основ сверхвысокой зарядки пылевых частиц плазменно-пучковым методом для создания малогабаритного источника нейтронов без сопутствующего рентгеновского излучения.

Руководитель Акишев Юрий Семенович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" , г Москва

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-502 - Физика низкотемпературной плазмы

Ключевые слова методы противодействия терроризму, нейтронная терапия онкологических заболеваний, генератор нейтронов, электронный пучок, неравновесная низкотемпературная плазма, пылевая плазма, математическое моделирование

Код ГРНТИ29.27.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Нейтроны широко и успешно используются в различных областях науки и практики: медицина (нейтронная компьютерная томография, спектроскопия гамма квантов при активации биоматериала нейтронами; диагностика и лечение нераковых заболеваний; диагностика раковых заболеваний на ранних стадиях и их лечение), микробиология (рассевания нейтронов для изучения структуры и поведения белков, ферментов и клеточных мембран), фармацевтика (получение радиофармпрепаратов), материаловедение (неразрушающий контроль), пищевая промышленность, нефтяная и газовая промышленность (C/O каротаж), защита от терроризма (обнаружение взрывчатых и наркотических веществ). Перечисленное лишь малая часть от того, что делается с использованием нейтронов. Большую роль в широком распространении нейтронных методов сыграло изобретение малогабаритных нейтронных генераторов в форме трубок. Нейтронная трубка - это миниатюрный линейный ускоритель ионов, на одном конце которого находится источник ионов D+, на другом - мишень. Генерация нейтронов происходит в результате реакции (d,n) при бомбардировке мишени ионами, ускоренными до энергии 80-100кэВ. Получаемые при этом нейтроны имеют энергию 2,45 МэВ для реакции D(d, n)He3 и 14,1 МэВ для реакции T(d, n)He4. Современные нейтронные трубки в зависимости от назначения способны обеспечить до 109 и более нейтронов в секунду. К сожалению, использование ионов с указанной выше энергией приводит к нежелательным последствиям, отражающимся на ресурсе и стабильности рабочих характеристик нейтронных трубок, а также к нежелательным эффектам при использовании этих трубок. Так, разрушение ионами реакционного слоя мишени ограничивает ее ресурс, который (в случае запаянного прибора) определяет ресурс изделия в целом. В конкретных конструкциях не удается избежать попадания части быстрых ионов на поверхности фокусирующего и ускоряющего электродов, что приводит к их распылению. В результате на диэлектрических стенках трубки образуется проводящий слой, провоцирующий электрические утечки и, в конечном счете, электрический пробой по внутренней поверхности трубки, после чего нейтронная трубка полностью выходит из строя. Кроме того, быстрые ионы D+ в области энергий порядка 100 кэВ имеют большой коэффициент кинетического выбивания электронов с поверхности твердого тела (γ≈3), что приводит не только к нежелательному и заметному увеличению тока трубки за счет образования вторичных электронов, но, что более существенно, вторичные электроны ускоряются до такого же высокого напряжения и, тормозясь на материалах конструкции нейтронного генератора, порождают интенсивное и жесткое рентгеновское излучение. Это излучение постоянно сопутствует нейтронному излучению как гамма-фон со всеми вытекающими из этого обстоятельства нежелательными факторами, например, оно искажает результаты измерений во всех прикладных задачах применения нейтронных генераторов. Кроме того, био-опасное жесткое рентгеновское излучение, сопутствующее нейтронному, может быть неприемлемым или даже вредным фактором при использовании нейтронов в медицине, например, для нейтронной терапии. С учетом сказанного, разработка научных принципов для создания малогабаритных нейтронных генераторов нового поколения, которые не имеют указанных выше проблем и не формируют сопутствующее рентгеновское излучение, является весьма важной и актуальной задачей для современной науки и практики. В данном проекте предполагается выполнить фундаментальные исследования нового способа генерации нейтронов, основанного на сверхвысокой зарядке мелких частиц набором сходящихся высоковольтных и сильноточных пучков электронов (в нашем случае речь идет о 16 пучках с энергией до 20 - 25 кэВ и плотностью тока в каждом пучке не менее 1 А/см2 на расстоянии около 10 см от источника электронов). Предложенный способ в литературе не описан. Пучки создаются внутри полусферической камеры в атмосфере дейтерия при давлениях Р=0.1-1.0 Торр, что на один-два порядка превышает давление газа в традиционных газонаполненных нейтронных трубках. В области схождения пучков (в центре камеры) находится облако стационарно левитирующих мелких частиц, каждая из которых является мишенью, содержащей тритий. Столкновение высоковольтных электронов с частицами обеспечивает их быструю сверхвысокую зарядку до потенциальной энергии, практически равной кинетической энергии налетающих электронов. На всем пути до облака мелких частиц высоковольтные электроны создают плазму, которая гарантирует отсутствие взаимного электростатического отталкивания электронов пучка и, тем самым, сохранение высокой плотности тока в пучке. Вокруг заряжаемых частиц также формируется плазма, содержащая D+ ионы. При этом размер дебаевского слоя вокруг каждой частицы не превышает длины свободного пробега ионов, так что положительные ионы D+, ускоряемые в сильном поле отрицательно заряженных частиц, способны приобрести кинетическую энергию вплоть до энергии электронного пучка. Этой энергии (20 - 25 кэВ) достаточно, чтобы эффективно осуществить ядерные реакции, указанные выше. Скорость процесса зарядки частиц высоковольтными электронами превышает скорость их разрядки ионами, поэтому длительность генерации нейтронов будет определяться, главным образом, длительностью электронного пучка. Преимущество и новизна предлагаемого метода генерации нейтронов по сравнению с обычными газонаполненными нейтронными трубками состоит в том, что в нем не используются ионные пучки высоких энергий (~ 100 кэВ) и, тем самым, устраняются все отмеченные выше проблемы, обусловленные такими пучками. В предлагаемом методе используются ионы плазмы, созданной вокруг частиц, а набор кинетической энергии ионов происходит в тонких слоях, окружающих отрицательно заряженные частицы мишени. При этом возможно существенно увеличить плотности потока энергичных ионов, падающих на мишень, за счет увеличения плотности плазмы, а также увеличить эффективную площадь всей мишени за счет использования большого количества мелких сферических частиц. Кроме того, рентгеновские фотоны с энергией <25 кэВ эффективно поглощаются стенками камеры, поэтому сопутствующее рентгеновское излучение на выходе нейтронного источника отсутствует. Для формирования интенсивных высоковольтных электронных пучков будет использован импульсный аномальный тлеющий разряд низкого давления. В предварительных исследованиях установлено, что такой разряд способен обеспечить генерацию импульсно-периодического пучка электронов с энергией до 25 кэВ, плотностью тока до 10 А/см2 на выходе из зоны разряда и около 1 А/см2 на расстоянии 10 см от зоны разряда. Длительность пучка может варьироваться в диапазоне 0.1 - 1.0 мкс с частотой повторения до 10Е3 Гц. Оценки показывают, что заметного нагрева частиц под действием электронов и ионов не происходит. Выполненные расчеты для импульсно-периодического режима подтвердили возможность получения нейтронов с выходом более 10Е9 /с в случае использования 16 пучков с указанными параметрами и левитирующего облака из 10000 сферических мишеней с радиусом 250 микрон каждая.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Акишев Ю.С., Каральник В.Б., Медведев М.А., Петряков А.В., Трушкин Н.И., Шафиков А.Г. 25 keV electron beam formation based on a triply electrode system of the obstructed glow discharge in H2 and D2 Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2017)

2. Акишев Ю.С., Медведев М.А., Напартович А.П., Петряков А.В., Трушкин Н.И., Шафиков А.Г. Особенности зондовых измерений в диффузной плазме в плотных газах с сильным электрическим полем Физика плазмы (год публикации - 2017)

3. Акишев Ю.С., Каральник В.Б., Петряков А.В., Старостин А.Н., Трушкин Н.И., Филиппов А.В. Выход нейтронов при соударении быстрых ионов дейтерия с сильно заряженными пылевыми частицами, насыщенными тритием ЖЭТФ (год публикации - 2017)

4. Акишев Ю.С., Каральник В.Б., Медведев М.А., Петряков А.В., Трушкин Н.И., Шафиков А.Г. The probe measurements of the electron density in deuterium plasma created by the electron beam of moderate energy Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2017)

Публикации

1. Акишев Ю.С., Балакирев А.А., Каральник В.Б., Медведев М.А., Петряков А.В., Трушкин Н.И., Шафиков А.Г. Development of a constriction of the overvoltage discharge in a deuterium at the forming a high current beam of the running-away electrons XIII International conference AMPL-2017 Pulsed lasers and laser applications Abstracts, с. 12 (год публикации - 2017)

2. Акишев Ю.С., Каральник В.Б., Медведев М.А., Петряков А.В., Трушкин Н.И., Шафиков А.Г. Difference in shape and width of Dα lines in the overvoltage and abnormal glow regimes of open discharge in narrow gap Journal of Physics: Conference Series, 927, 012024 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/927/1/012024

3. Акишев Ю.С., Каральник В.Б., Медведев М.А., Петряков А.В., Трушкин Н.И., Шафиков А.Г. 25 keV electron beam formation based on a threeelectrode system of the obstructed glow discharge in H2 and D2 Journal of Physics: Conference Series, 830, 012015 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/830/1/012015

4. Акишев Ю.С., Балакирев А.А., Каральник В.Б., Медведев М.А., Петряков А.В., Трушкин Н.И., Шафиков А.Г. On the mechanism of maintenance and instability of the overvoltage low-pressure discharge forming a high-current runaway electron beam Russian Physics Journal, Vol. 60, No. 8, 1341-1345 (год публикации - 2017)
10.1007/s11182-017-1219-z

5. Акишев Ю.С., Каральник В.Б., Петряков А.В., Старостин А.Н., Трушкин Н.И., Филиппов А.В. Neutron Yield When Fast Deuterium Ions Collide with Strongly Charged Tritium-Saturated Dust Particles Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 124, No. 2, pp. 231–243 (год публикации - 2017)
10.1134/S1063776117010101

6. Акишев Ю.С., Каральник В.Б., Медведев М.А., Петряков А.В., Трушкин Н.И., Шафиков А.Г. Evolution of the shape of a high-current and moderate energy electron beam at its propagation through D2 at low pressure Journal of Physics: Conference Series, 927, 012023 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/927/1/012023

7. Акишев Ю.С., Балакирев А.А., Каральник В.Б., Петряков А.В., Трушкин Н.И. Электронные пучки, формируемые газовыми разрядами в перенапряженных промежутках: физика, приложения Всероссийская (с международным участием) конференция "Физика низкотемпературной плазмы" ФНТП-2017 Сборник тезисов, с. 30 (год публикации - 2017)

8. Акишев Ю.С., Каральник В.Б., Медведев М.А., Петряков А.В., Трушкин Н.И., Шафиков А.Г. The probe measurements of the electron density in deuterium plasma created by the electron beam of moderate energy Journal of Physics: Conference Series, 789 012002 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/789/1/012002

9. Акишев Ю.С., Медведев М.А., Напартович А.П., Петряков А.В., Трушкин Н.И., Шафиков А.Г. Specificity of Probe Measurements in Diffuse Plasmas of Dense Gases in Strong Electric Fields Plasma Physics Reports, Vol. 43, No. 4, pp. 472–479 (год публикации - 2017)
10.1134/S1063780X17040018

10. Акишев Ю.С., Каральник В.Б., Медведев М.А., Петряков А.В., Трушкин Н.И., Шафиков А.Г. On transition from diffuse mode to the constricted one with high-current cathode spot in overvoltage open discharge in D2 Journal of Physics: Conference Series, 927, 012070 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/927/1/012070

Публикации

1. Акишев Ю.С., Балакирев А.А., Петряков А.В., Трушкин Н.И. Influence of the auxiliary plasma on the deuterium optical spectrum emitted from the dielectric target being irradiated by the e-beam with energy up to 25 keV Journal of Physics. Conference Series, 1058, 012026 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1058/1/012026

2. Акишев Ю.С., Балакирев А.А., Петряков А.В., Трушкин Н.И. Features of transition of the open pulse–periodical high voltage discharge in D2 at low pressure into the low-voltage mode Journal of Physics. Conference Series, 1058, 012027 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1058/1/012027

3. Акишев Ю.С., Апонин Г.И., Балакирев А.А., Каральник В.Б., Петряков А.В., Трушкин Н.И. Three-electrodes open discharge in low-pressure deuterium: transition from the overvoltage regime into low-voltage one Journal of Physics. Conference Series, 1112, 012019 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1112/1/012019

4. Акишев Ю.С., Апонин Г.И., Каральник В.Б., Петряков А.В., Трушкин Н.И. Three-electrode strongly overvoltage open discharge in D2 as an effective source of the high-current beam of runaway electrons with energy up to 25 keV Journal of Physics D: Applied Physics, 51, 394003 (год публикации - 2018)
10.1088/1361-6463/aad704

5. Акишев Ю.С., Балакирев А.А., Каральник В.Б., Петряков А.В., Трушкин Н.И. Influence of different processes of the electron emission on the ultrahigh charging of a dust particle in plasma by the energetic e-beam Journal of Physics. Conference Series (год публикации - 2019)