Патент на изобретение №2316835

(54) ВАКУУМНАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к устройствам для генерации импульсных потоков быстрых нейтронов, в частности к малогабаритным отпаянным ускорительным трубкам, и может быть использовано в ускорительной технике или в геофизическом приборостроении, например, в импульсных генераторах нейтронов народно-хозяйственного назначения, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа. Технический результат заключается в увеличении стабильности работы источника ионов, его ресурса и тем самым увеличения стабильности потока нейтронов и срока службы вакуумной нейтронной трубки. Согласно изобретению вакуумная нейтронная трубка содержит внутри вакуумно-герметичной оболочки мишень, насыщенную тяжелыми изотопами водорода, ионно-оптическую систему электродов для формирования и ускорения пучка ионов, средства поддержания рабочего давления и источник ионов искро-дугового типа. Источник ионов состоит из катода, анода и поджигающего электрода, а также постоянного магнита цилиндрической формы с аксиально-неоднородным магнитным полем, охватывающего анод и расположенного коаксиально с электродами источника ионов. Непосредственно под катодом источника ионов размещен плоский аксиально намагниченный постоянный магнит. Причем постоянный магнит цилиндрической формы с аксиально-неоднородным магнитным полем и плоский аксиально намагниченный постоянный магнит обращены друг к другу разноименными полюсами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для генерации импульсных потоков быстрых нейтронов, в частности к малогабаритным отпаянным ускорительным трубкам, и может быть использовано в ускорительной технике или в геофизическом приборостроении, например, в импульсных генераторах нейтронов народно-хозяйственного назначения, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа.

Известна вакуумная нейтронная трубка (см. например, Плешакова Р.П., Бессарабский Ю.Г. и др. «Вакуумные нейтронные трубки с расширенным диапазоном технических характеристик и повышенным ресурсом работы». Вакуумная техника и технология, т.10, № 2, 2000, с.63), которая представляет собой вакуумно-герметичную оболочку с размещенными в ней следующими основными электродными узлами: мишенью, насыщенной нуклидами водорода, ионно-оптической системой электродов, средствами поддержания рабочего давления, источником ионов искро-дугового типа, содержащим соосно расположенные катод, анод, поджигающий электрод и керамический изолятор.

Принцип действия данной вакуумной нейтронной трубки состоит в образовании и извлечении из источника ионов ионов нуклидов водорода (дейтерия, трития или их смеси), в формировании ионного пучка и ускорении ионов с помощью ионно-оптической системы электродов в направлении мишени. При взаимодействии ускоренных до энергии Е130 кэВ ионов, например, дейтронов с ядрами трития или дейтерия, содержащимися в мишени, происходит ядерная реакция

T(d, n)⁴He или D(d, n)³He

с выходом нейтронов с энергией 14 или 2,5 МэВ соответственно.

Данная трубка имеет расширенный диапазон технических характеристик (например, может работать с повышенной частотой повторения импульсов и имеет повышенный ресурс) по сравнению с остальными вакуумными нейтронными трубками при условии, что они имеют одинаковые геометрические размеры, схемы включения и режимы работы.

Недостатком таких трубок является невысокая стабильность потока нейтронов, связанная, в основном, с нестабильностью работы источника ионов, принцип работы которого предполагает хаотический (неравномерный, скачкообразный) характер движения катодных пятен по рабочей поверхности катода, а также образование катодных пятен на обедненных дейтерием (нерабочих) поверхностях катода.

Известен импульсный источник плазмы (см., например, патент РФ № 2098512, МК: Н05Н 1/50, С23С 14/32, 1997), содержащий внутри откачной вакуумной камеры крупногабаритной технологической установки источник ионов искро-дугового типа с протяженными катодом и анодом, выполненными из материалов, не обладающими свойствами сильного поглощения нуклидов водорода, т.к. устройство предназначено для получения ленточных потоков ионов для нанесения диэлектрических покрытий. Для формирования равномерного по высоте покрытия введена магнитная система в виде протяженной спирали, которая создает импульсное магнитное поле для улучшения стабильности выхода ионов от импульса к импульсу.

Однако, известное устройство имеет следующие недостатки: во-первых, имеет недостаточно высокую стабильность, из-за того, что на концах спирали индукция магнитного поля мала, что не позволяет достаточно эффективно управлять движением катодных пятен на электродах источника ионов, во-вторых, использование соленоида (спирали) невозможно в малогабаритных отпаянных вакуумных нейтронных трубках с пассивными средствами откачки, например, газопоглотителем; в-третьих, оно требует отдельного источника питания, являющегося лишним источником тепла в импульсных генераторах нейтронов, к тому же это невозможно реализовать в столь малых габаритах.

Прототипом изобретения является частотная вакуумная нейтронная трубка (см., например, Плешакова Р.П., Бессарабский Ю.Г. и др. «Исследование возможности улучшения стабильности работы частотных нейтронных трубок». Вакуумная техника и технология, т.13, № 1, 2003, с.31), содержащая внутри вакуумно-герметичной оболочки мишень, насыщенную тяжелыми изотопами водорода (дейтерием, тритием или их смесью), ионно-оптическую систему электродов для формирования и ускорения пучка ионов, средства поддержания рабочего давления и источник ионов искро-дугового типа, внутри которого, кроме катодного, анодного и поджигающего электродов, размещен постоянный магнит с аксиально-неоднородным магнитным полем, силовые линии которого тангенциальны к рабочей поверхности катода.

Конструкция источника импульсов предполагает размещение постоянного магнита цилиндрической формы, охватывающего анод и расположенного коаксиально с электродами источника импульсов. Индукция магнитного поля в центре магнита на его оси В₀=0, а на концах В=25-30 мТл, причем форма силовых линий на концах имеет «пучкообразный» или «веерообразный» вид. Данное поле призвано стабилизировать движение катодных пятен на конической поверхности катода.

Как показали экспериментальные исследования, применение аксиально-неоднородного магнитного поля, силовые линии которого тангенциальны к поверхности катода, действительно позволило увеличить стабильность работы источника ионов и, соответственно, нейтронного потока трубки.

Но данное устройство также не лишено недостатков. Хотя поле такой конфигурации способно удерживать катодные пятна в рабочей зоне катода, но этого недостаточно: надо, чтобы они двигались по кольцевым траекториям катода, «сканировали» рабочую поверхность катода. Но в данном случае величина момента силы внешнего магнитного поля недостаточна, чтобы «поворачивать» катодные пятна по круговым орбитам, особенно по нижнему основанию конической поверхности катода. Происходит сползание катодных пятен с конической поверхности катода из рабочей зоны «вниз». В местах, где расстояние между катодом и анодом минимально, происходит более сильная эрозия катода, более частые «закоротки» и пробои, что внешне проявляется, как несрабатывание источника ионов, а это в свою очередь приводит к уменьшению стабильности выхода нейтронов и срока службы вакуумной нейтронной трубки.

Изобретение направлено на решение задачи увеличения стабильности работы источника ионов, его ресурса и, тем самым, увеличения стабильности потока нейтронов и срока службы вакуумной нейтронной трубки путем изменения конструкции.

Это достигается тем, что в вакуумную нейтронную трубку, содержащую внутри вакуумно-герметичной оболочки мишень, насыщенную тяжелыми изотопами водорода, ионно-оптическую систему электродов для формирования и ускорения пучка ионов, средства поддержания рабочего давления и источник ионов искро-дугового типа, состоящего из катода, анода и поджигающего электрода, постоянного магнита цилиндрической формы с аксиально-неоднородным магнитным полем, охватывающего анод и расположенного коаксиально с электродами источника ионов, введен плоский аксиально намагниченный постоянный магнит, размещенный непосредственно под катодом источника ионов, причем постоянный магнит цилиндрической формы с аксиально-неоднородным магнитным полем и плоский аксиально намагниченный постоянный магнит обращены друг к другу разноименными полюсами, причем плоский аксиально намагниченный магнит выполнен из сплава, выдерживающего температуру термообработки вакуумной нейтронной трубки на откачном посту без потерь индукции магнитного поля, а между дополнительным плоским аксиально намагниченным постоянным магнитом и катодом источника ионов может быть размещен электрод из прозрачного для магнитного поля материала.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически изображена конструкция предлагаемой вакуумной нейтронной трубки.

Вакуумная нейтронная трубка состоит из вакуумно-герметичной оболочки 1, в которой размещены: мишень 2, ионно-оптическая система электродов, состоящая из ускоряющего электрода 3 и формирующего электрода 4, постоянный магнит 5 цилиндрической формы с аксиально-неоднородным магнитным полем с держателем 6, медный радиатор 7 для отвода тепла, поджигающий электрод 8, изолятор 9, катод 10, анод 11 с держателем анода 12 и плоский аксиально намагниченный постоянный магнит 13.

Принцип действия предложенной вакуумной нейтронной трубки заключается в следующем:

Постоянные магниты должны быть выполнены из сплава, выдерживающего температуру термообработки вакуумной нейтронной трубки на откачном посту без потерь индукции магнитного поля.

На анод 11 источника ионов подается напряжение постоянного тока, недостаточное для пробоя вакуумного промежутка катод-анод, но создается «предпробойная» напряженность электрического поля. При подаче короткого мощного импульса напряжения на поджигающий электрод 8, по боковой поверхности керамического изолятора 9 происходит пробой с образованием микрократера на катоде, так называемого катодного пятна, содержащего расплавленный и частично ионизованный материал катода, например, дейтерид циркония. Катодное пятно является эмиссионным центром электронов и ионов, образующих в прикатодной области плазменное облако. Часть электронов возвращается назад на катод, образуя кольцевой ток обратных электронов, образующих как бы рамки с током. При наличии тангенциального к поверхности катода внешнего магнитного поля и поля, создаваемого дополнительным плоским аксиально намагниченным постоянным магнитом 13, расположенным под катодом 10, на каждую рамку (контур с током) будет действовать вращающий момент сил, пропорциональный суммарному магнитному полю, равному векторной сумме всех полей. Момент сил будет поворачивать рамки с током таким образом, чтобы плоскость рамки стала перпендикулярной суммарному магнитному полю. Т.к. рамки с током в совокупности создают тороидальную поверхность, то результирующим действием на токовый тор будет то, что катодное пятно будет стремиться «развернуться» в направлении максимального магнитного поля, но не по правилу «правого винта», а в обратном направлении. В этом направлении и возникнет новое катодное пятно. Внешне будет казаться, что катодное пятно движется по круговой орбите, особенно через некоторое время после инициирующего пробоя, когда образуется на катоде не одно катодное пятно, а множество, которые начнут сливаться друг с другом. Катодные пятна не будут локализоваться в местах сгущения силовых линий электрического поля, в местах, уже обедненных дейтерием, или «сползать вниз» в нерабочую зону катода. Облако плазмы над катодным пятном будет инициировать разряд в промежутке анод-катод. Возникнет мощная дуга, которая в основном состоит из ионов дейтерия и ионов металла катода. В этот момент подается импульс ускоряющего напряжения, идет формирование ионного пучка. Извлеченные из мишени 2 дейтроны ускоряются к мишени 4, содержащей тритий или дейтерий, в результате чего образуются потоки быстрых нейтронов.

Для улучшения отвода тепла от катода источника ионов между дополнительным плоским аксиально намагниченным постоянным магнитом и катодом источника ионов может быть размещен электрод из прозрачного для магнитного поля материала.

Таким образом, введение дополнительного плоского аксиально намагниченного постоянного магнита позволяет эффективно разворачивать катодные пятна от центральной части катода до основания конической части катода и даже по кругу, что позволит увеличить стабильность работы источника ионов и приводит к увеличению стабильности нейтронного потока и срока службы трубки в целом.

Формула изобретения

1. Вакуумная нейтронная трубка, содержащая внутри вакуумно-герметичной оболочки мишень, насыщенную тяжелыми изотопами водорода, ионно-оптическую систему электродов для формирования и ускорения пучка ионов, средства поддержания рабочего давления и источник ионов искродугового типа, состоящий из катода, анода и поджигающего электрода, постоянного магнита цилиндрической формы с аксиально-неоднородным магнитным полем, охватывающего анод и расположенного коаксиально с электродами ионного источника, отличающаяся тем, что в нее введен дополнительно плоский аксиально намагниченный постоянный магнит, размещенный непосредственно под катодом источника ионов, причем постоянный магнит цилиндрической формы с аксиально-неоднородным магнитным полем и плоский аксиально намагниченный постоянный магнит обращены друг к другу разноименными полюсами.

2. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что плоский аксиально намагниченный постоянный магнит выполнен из сплава, выдерживающего температуру термообработки вакуумной нейтронной трубки на откачном посту без потерь индукции магнитного поля.

3. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что между плоским аксиально намагниченным постоянным магнитом и катодом источника ионов размещен электрод из прозрачного для магнитного поля материала.

РИСУНКИ