Блок излучателя нейтронов
NEUTRON EMITTER UNIT

Изобретение относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначено для использования при разработке нейтронных и рентгеновских генераторов.
Известен скважинный импульсный нейтронный генератор, содержащий вакуумную нейтронную трубку и электрическую схему питания вакуумной нейтронной трубки, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов, конденсатора накопительного, схемы формирования ускоряющего импульса, конденсатора источника питания нейтронной трубки и зарядного дросселя, размещенных в герметичном корпусе, в котором все элементы электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки выполнены в виде тел вращения с центральными отверстиями, соединены между собой механически и электрически с помощью резьбовых электрических контактов с центральными отверстиями, а с вакуумной нейтронной трубкой – через чашеобразные резьбовые втулки с центральным и боковыми отверстиями, установленные на мишени и аноде вакуумной нейтронной трубки. Патент Российской Федерации № 2368024, МПК G21G 4/02, 20.09.2009.
Недостатком известного генератора является последовательное и соосное расположение нейтронной трубки и схемы ее питания, что существенно увеличивает размеры блока (длину). Соединение всех элементов схемы питания нейтронной трубки с помощью резьбовых электрических контактов, приваренных к мишенному и анодному электродам нейтронной трубки, требует дополнительных затрат времени при сборке и разборке нейтронного генератора.
В известном генераторе температурный компенсатор выполнен на металлическом сильфоне, служащем для компенсации изменяемого объема жидкого диэлектрика при изменении температуры. Для обеспечения термокомпенсации в широком диапазоне рабочих температур длина сильфона изменяется в широких пределах и достигает третьей части от длины всего генератора, что приводит к существенному увеличению габаритов и массы генератора.
Известен блок излучателя нейтронов, содержащий нейтронную трубку, схему питания нейтронной трубки с высоковольтным трансформатором на входе, причем все элементы выполнены в виде тел вращения, схема питания состоит из умножителя напряжения, выполненного каскадным, каждый каскад представляет собой отдельные модули последовательно соединенные друг с другом и подключенные к нейтронной трубке, температурный компенсатор выполнен поршневым и размещен в отдельном корпусе, жестко и герметично установленным в корпусе блока излучателя нейтронов, заполненном жидким диэлектриком. Патент Российской Федерации № 2399977, МПК G21G 4/02, 09.07.2009. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком известного генератора является последовательное и соосное расположение нейтронной трубки и схемы ее питания. Это существенно увеличивает размеры блока. Кроме того, компенсатор – сложное устройство, требующее высокой точности сборки. Работа компенсатора при отрицательных температурах ненадежна. Для обеспечения надежности требуются дополнительное устройство, например пружина, обеспечивающая постоянное избыточное давление в блоке излучателя.
Для стабилизации параметров нейтронной трубки используется информация в цепи обратной связи о величине высокого напряжения и выходе нейтронов. Для этого в прототипе используется делитель напряжения в виде отдельного блока с набором последовательно соединенных между собой высоковольтных резисторов на полное рабочее напряжение. Это самостоятельный конструктивный блок с большими размерами, для размещения, которого и его монтажа необходимо время и место.
Задачей изобретения является повышение надежности, снижение трудоемкости изготовления, уменьшение габаритов и массы нейтронного генератора.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности, снижение трудоемкости изготовления, уменьшение габаритов и массы нейтронного генератора.
Технический результат достигается тем, что в блоке излучателя нейтронов, содержащем в металлическом герметичном корпусе, залитом жидким диэлектриком, нейтронную трубку, схему формирования ускоряющего напряжения, включающую схему умножения с высоковольтным трансформатором на входе, температурный компенсатор, причем все элементы выполнены в виде тел вращения, а между высоковольтными элементами конструкции и корпусом блока излучателя нейтронов расположена многослойная изоляция, электрическая схема умножения напряжения размещена на изоляционной гибкой ленте и расположена по винтовой линии вокруг полого цилиндра с металлическим дном, выполненного из керамического материала с высоким электрическим сопротивлением, равным сопротивлению делителя напряжения, включенному между металлическим дном и корпусом блока; внутри полого цилиндра коаксиально расположена нейтронная трубка, мишень которой соединена с выходом схемы умножения и металлическим дном, а между торцом корпуса и металлическим дном установлен теплопроводящий изолятор с кольцевыми проточками, имеющий с корпусом тепловой контакт; части слоев межслойной изоляции загнуты в проточки теплопроводящего изолятора; температурный компенсатор включает в себя резиновую П-образную манжету, размещенную в корпусе компенсатора и разделяющую компенсатор на две полости, одна из которых соединена с жидким диэлектриком, а другая заполнена газом под давлением.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
1 – металлический корпус блока;
2 – нейтронная трубка;
3 – умножитель напряжения;
4 – импульсный высоковольтный трансформатор;
5 –  полый керамический цилиндр;
6 – металлическое дно;
7 – мишенный электрод нейтронной трубки;
8 – теплопроводящий изолятор с кольцевыми проточками;
9 – многослойная изоляция;
10 – П-образная резиновая манжета;
11 – корпус компенсатора;
12 – полость, заполненная жидким диэлектриком ;
13 – проходное отверстие;
14 – полость, заполненная газом под давлением ;
15 – клапан;
16 – жидкий диэлектрик;
17 – высоковольтный проходной изолятор.
Нейтронный генератор выполнен по схеме включения нейтронной трубки с заземленным катодом. Нейтронный генератор включает корпус 1, нейтронную трубку 2, высоковольтную часть схемы её питания, включающую умножитель напряжения 3 с высоковольтным трансформатором 4. Электрические элементы схемы умножителя напряжения 3 размещены на изоляционной гибкой ленте, которая по винтовой линии расположена вокруг полого керамического цилиндра 5 по его ширине. Торец керамического цилиндра 5 закрыт металлическим дном 6, и имеет с ним хороший электрический и тепловой контакт. Внутри полого керамического цилиндра 5 и умножителя напряжения 3 коаксиально расположена нейтронная трубка 2, мишень 7 которой плотно прилегает к дну 6 и также имеет с ним электрический и тепловой контакт. С другой стороны металлического дна соосно с ним расположен теплопроводящий изолятор с кольцевыми проточками 8, имеющий тепловой контакт с корпусом 1. В качестве материала теплопроводящего изолятора 8 может быть выбрана керамика с высокими электрическими и теплопроводящими свойствами: электрической прочностью более 30 кВ/мм и теплопроводностью более 100 Вт/°С・м, например нитрид алюминия или оксид бериллия, или другие теплопроводящие изоляционные материалы. Электрические элементы схемы умножителя расположены на изоляционной гибкой ленте, которая по винтовой линии наматывается совместно с многослойной изоляцией 9 на полый цилиндр 5, выполненный из керамического материала с высоким электрическим сопротивлением, равным сопротивлению делителя напряжения, включенному между металлическим дном и корпусом. Такое размещение элементов схемы умножения вокруг нейтронной трубки позволяет равномерно распределить высокое напряжение вдоль нейтронной трубки, обеспечить надежную изоляцию мишени 7, находящейся под полным напряжением 100–120 кВ, а также отвести тепло, выделяемое на мишени во время работы. Полый цилиндр может быть изготовлен из керамического материала с необходимым сопротивлением различными способами, например из полупроводниковой керамики или нанесением резистивного слоя.
Концевая часть слоев межслойной изоляция 9 после ее намотки совместно с элементами схемы умножения послойно со стороны мишени завернута в кольцевые проточки теплопроводящего изолятор. Такое выполнение загибов формирует барьерную электрическую изоляцию металлического дна 6, находящегося под полным выходным напряжением 100–120 кВ от корпуса генератора.
Для обеспечения электрической прочности и улучшения теплопередачи от внутренних источников энергии во внешнюю среду блок залит жидким диэлектриком 16.
Для компенсации температурного изменения объёма жидкого диэлектрика установлен компенсатор, включающий в себя резиновую П-образную манжету 10, размещенную в корпусе компенсатора 11. Манжета 10 разделяет объем корпуса 11 на две герметичные полости, одна из которых 12 соединена с жидким диэлектриком через проходное отверстие 13, а другая 14 заполнена газом под давлением через клапан 15. Давление в полости 14 при минимальных рабочих температурах и уменьшении объема жидкости составляет не менее 0,5 ати, при максимальных температурах давление в генераторе достигает не более 6 ати. Внешнее питание и импульсы запуска подают через керамические проходные изоляторы 17. В качестве жидкого диэлектрика 16 в блоке использовано масло трансформаторное ТКп, имеющее хорошие диэлектрические свойства.
Внешнее питание и импульсы запуска подают через керамические проходные изоляторы 17.
При работе блока излучателя происходит разогрев мишенного электрода до температуры более 100°С.
От мишени часть тепла отводится через металлическое дно 6 и теплопроводящий изолятор 8 на корпус 1 генератора. Кроме того, вокруг трубки происходит естественная циркуляция масла, и тепло от трубки 2 передается путем конвективного обмена на корпус 1.
Преимущество предложенной конструкции блока излучателя состоит в том, что размещение схемы умножения напряжения на изоляционной гибкой ленте по винтовой линии коаксиально нейтронной трубке обеспечивает равномерное распределение высокого напряжения от схемы умножения вдоль нейтронной трубки к корпусу, что позволяет снизить габаритные размеры блока его массу приблизительно на 50 %, при этом обеспечить необходимую электрическую прочность и надежность. Полый керамический цилиндр выполняет функции сопротивления делителя напряжения,что позволяет исключить сопротивление делителя напряжения как самостоятельного элемента конструкции, тем самым снизить габаритные размеры блока, трудоемкость изготовления, повысить его надежность.
Замена поршневого термокомпенсатора на резиновую П-образную манжету, размещенную в корпусе компенсатора и разделяющую компенсатор на две полости, одна из которых соединена с жидким диэлектриком, а другая заполнена газом под давлением, обеспечивает постоянное давление масла в блоке, что увеличивает тем самым его электрическую прочность.
Установка между торцом корпуса и металлическим дном теплопроводящего изолятора с кольцевыми проточками обеспечивает необходимую электрическую прочность изоляции мишени нейтронной трубки, находящейся под высоким напряжением, и отвести часть тепла, выделяемого на ней. Другая часть отводится жидким диэлектриком путем конвективного обмена на корпус.