Блок излучения нейтронов

Полезная модель относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначена для использования при разработке нейтронных и рентгеновских генераторов.
Известен аналог - генератор нейтронов (Геофизическая аппаратура. Недра, вып.43, 1970 г., с.132-146), содержащий нейтронную трубку и высоковольтный источник напряжения питания, выполненный на накопительном конденсаторе, включенном между высоковольтным источником питания и первичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора (в случае биполярного питания - первичными обмотками высоковольтного импульсного трансформатора).
Недостатком аналога является малый ресурс работы и большие габариты (длина).
Известен аналог - генератор нейтронов, содержащий нейтронную трубку, схему питания нейтронной трубки, источник ускоряющего напряжения, размещенные в герметичном корпусе с крышкой и термокомпенсатором, залитый жидким диэлектриком. На мишени нейтронной трубки размещена замкнутая полость с входным и обратным штуцером, соединенным с устройством водяного охлаждения мишени (Сборник докладов Международной научно-технической конференции "Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе". М.: ВНИИА, 2013. С. 56-59).
В аналоге на мишени предусмотрена замкнутая полость с входным и обратным штуцером, охлаждаемая водой отдельным устройством с обратным замкнутым водяным блоком. Источник ионов нейтронной трубки находится внутри герметичного корпуса, залитого жидким диэлектриком, и охлаждается только через теплопередачу от нагретых частей к корпусу.
Недостатком аналога являются большие габариты охлаждающего водяного устройства, по размерам сопоставимого с самим генератором, и неэффективное охлаждение источника нейтронной трубки.
Известен блок излучения нейтронов импульсного генератора, содержащий проводящий заземленный корпус с крышкой и термокомпенсатором, заполненный трансформаторным маслом, с расположенной в нем запаянной нейтронной трубкой и источником ускоряющего напряжения, включенным между мишенью и заземленным корпусом (Сборник докладов Международной научно-технической конференции "Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе". М.: ВНИИА, 2004. С. 78).
Блок излучения нейтронов содержит нейтронную трубку с источником ионов и мишенью, систему питания источника ионов, источник постоянного ускоряющего напряжения с высоковольтным трансформатором на входе, размещенные в металлическом корпусе с крышкой, проходным изолятором и термокомпенсатором, залитым диэлектрической жидкостью. Мишень нейтронной трубки изолирована от корпуса генератора на полное ускоряющее напряжение, так как блок излучения нейтронов выполнен по схеме включения нейтронной трубки с заземленным анодом. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Поскольку для работы нейтронной трубки требуется высоковольтное питающее напряжение, то при малом диаметре блока излучения нейтронов с плотной компоновкой элементов схемы основное внимание уделяют обеспечению электрической прочности генератора и обеспечению отвода тепла от тепловыделяющих источников энергии. При этом теплоотдача от источников энергии на внешнюю поверхность корпуса генератора происходит только через теплопроводность материалов, окружающих источники. Нейтронная трубка является основным источником тепла, при этом около 75% электрической мощности, потребляемой генератором, выделяется в виде 50% тепла на мишени и 25% на источнике.
Теплопередача от источников энергии на внешнюю поверхность корпуса генератора-прототипа осуществляется только через теплопроводность материалов, окружающих источники. Так как применяемые электроизоляционные материалы имеют низкую теплопроводность, то температура тепловыделяющих элементов внутри объема генератора может на 50°С превышать температуру окружающей среды, что приводит к снижению электропрочности и сокращению срока службы (ресурса) нейтронного генератора. Конструкция прототипа не позволяет увеличивать поток нейтронов, так как для этой цели необходимо увеличивать мощность источника ионов и мишени нейтронной трубки. При эксплуатации прототипа генератора нейтронов температура источника ионов и мишени нейтронной трубки быстро приближается к критическим значениям, что требует периодического выключения генератора с целью снижения температуры энерговыделяющих элементов.
Недостатком прототипа является малый ресурс блока излучения нейтронов импульсного генератора и малое время работы блока излучения нейтронов импульсного генератора в непрерывном режиме из-за перегрева элементов нейтронной трубки.
Техническим результатом является увеличение ресурса блока излучения нейтронов импульсного генератора и увеличение времени работы блока излучения нейтронов импульсного генератора в непрерывном режиме.
Технический результат достигается тем, что блок излучения нейтронов содержит расположенные в герметичном металлическом корпусе с крышкой, залитом диэлектрической жидкостью: нейтронную трубку с источником ионов и мишенью, источник высокого ускоряющего напряжения с высоковольтным трансформатором на входе, систему питания источника ионов нейтронной трубки, расположенные на крышке термокомпенсатор и проходной изолятор, соединенный электрически с системой питания источника ионов; при этом блок излучения нейтронов выполнен по схеме включения нейтронной трубки с заземленным анодом, источник высокого ускоряющего напряжения расположен коаксиально с нейтронной трубкой, система питания источника ионов соединена электрически с источником ионов; последовательно расположенные герметичный металлический корпус, источник высокого ускоряющего напряжения, нейтронная трубка, а также крышка, мишень, источник ионов, термокомпенсатор выполнены в виде тел вращения и их оси параллельны оси герметичного металлического корпуса, на внутренней поверхности крышки с термокомпенсатором расположено средство приведения жидкости в движение, на внешней поверхности мишени нейтронной трубки соосно с ней установлен теплосъемник, выполненный в виде тела вращения, в теплосъемнике выполнена замкнутая оребренная теплообменная полость с входным патрубком и выходными каналами, общая площадь поперечного сечения выходных каналов равна площади сечения входного патрубка, входной патрубок соединен диэлектрической трубкой со средством приведения жидкости в движение.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где:
1 - герметичный металлический корпус блока излучения;
2 - нейтронная трубка;
3 - источник высокого ускоряющего напряжения (умножитель) нейтронной трубки;
4 - высоковольтный трансформатор;
5 - система питания источника ионов;
6 - проходной изолятор;
7 - мишень нейтронной трубки;
8 - источник ионов (анод) нейтронной трубки;
9 - теплосъемник с замкнутой оребренной теплообменной полостью с входным патрубком 10 и выходными каналами 11;
10 - входной патрубок;
11 - выходные каналы;
12 - крышка;
13 - диэлектрическая трубка;
14 - средство приведения жидкости в движение;
15 - диэлектрическая жидкость;
16 - термокомпенсатор.
Блок излучения нейтронов импульсного генератора выполнен по схеме включения нейтронной трубки с заземленным анодом. Блок излучения нейтронов включает расположенные в герметичном металлическом корпусе 1 с крышкой 12, залитом диэлектрической жидкостью 15: нейтронную трубку 2 с источником ионов 8 и мишенью 7, источник 3 высокого ускоряющего напряжения нейтронной трубки 2 (умножитель) с высоковольтным трансформатором 4 на входе, систему 5 питания источника ионов нейтронной трубки 2, соединенную электрически с источником ионов 8 и проходным изолятором 6, расположенные на крышке 12 корпуса 1 проходной изолятор 6 и термокомпенсатор 16. Проходной изолятор 6 электрически соединен с системой 5 питания источника 8 ионов. Источник 3 высокого напряжения расположен коаксиально с нейтронной трубкой 2. Электрические связи на чертеже не отображены для простоты восприятия. Последовательно расположенные корпус 1, источник 3 высокого ускоряющего напряжения, нейтронная трубка 2 выполнены в виде тел вращения и их оси параллельны оси герметичного металлического корпуса 1 блока излучения. Крышка 12, мишень 7, источник 8 ионов, термокомпенсатор 16 также выполнены в виде тел вращения и их оси параллельны оси герметичного металлического корпуса 1 блока излучения. Мишень 7 нейтронной трубки 2 направлена в сторону торца герметичного металлического корпуса 1. Элементы 2-5, 7-11 и 13-14 расположены в герметичном металлическом корпусе 1 с крышкой 12, залитом диэлектрической жидкостью 15.
На внешней поверхности мишени 7 нейтронной трубки 2 (между мишенью 7 и торцом корпуса 1) установлен теплосъемник 9 с входным патрубком 10 и выходными каналами 11 соосно с мишенью 7. Теплосъемник 9 выполнен в виде тела вращения. Внутри теплосъемника 9 выполнена замкнутая оребренная теплообменная полость с входным патрубком 10 и выходными каналами 11. Входной патрубок 10 соединен диэлектрической трубкой 13 со средством 14 приведения жидкости в движение. Выходные каналы 11 оребренной теплообменной полости расположены таким образом, что выходящая их них нагретая диэлектрическая жидкость 15 свободно перемещается вдоль боковой стенки нейтронной трубки 2.
Для организации эффективного теплообмена в блоке создан контур принудительной циркуляции диэлектрической жидкости 15 от мишени 7 к источнику ионов 8 нейтронной трубки 2 и к поверхности термокомпенсатора 16, расположенного на крышке 12 блока излучения нейтронов.
Средство 14 приведения жидкости в движение размещено на внутренней поверхности крышки 12 с термокомпенсатором 16; термокомпенсатор 16 установлен на крышке 12 так, что его боковая поверхность свободно омывается диэлектрической жидкостью 15.
Термокомпенсатор 16, выполненный, например, в виде металлического сильфона, служит для компенсации изменения объема диэлектрической жидкости 15 при изменении температуры и, так как он имеет развитую поверхность, выполняет функцию отвода тепла от диэлектрической жидкости 15. Средство 14 приведения жидкости в движение может быть выполнено, например, в виде микрокомпрессора или помпы.
Теплосъемник 9 располагается на внешней поверхности мишени 7, соосно с ней. Общая площадь поперечного сечения выходных каналов 11 равна площади сечения входного патрубка 10 для обеспечения равномерности течения диэлектрической жидкости 15 через теплосъемник 9. На чертеже изображено три выходных канала 11. Полость теплосъемника 9 может быть оребрена различными способами, для достижения наилучшего технического результата оребрение в полости теплосъемника 9 нанесено на нижнюю поверхность полости, таким образом обеспечивается турбулентный поток жидкости 15 перед поверхностью мишени 7 и, как следствие, эффективный теплосъем с мишени 7. Геометрическая форма замкнутой оребренной теплообменной полости в теплосъемнике 9, материал диэлектрической трубки 13, расположение выходных каналов 11 теплосъемника 9, высота расположения трансформатора 4 и системы 5 питания источника ионов не влияют на технический результат.
Блок излучения нейтронов импульсного генератора работает следующим образом. Питание блока излучения нейтронов осуществляется через проходной изолятор 6. Источником 3 высокого напряжения нейтронной трубки 2 с высоковольтным трансформатором 4 формируется ускоряющее напряжение, которое подается на мишень 7. Рабочий газ дейтерий или тритий, находящийся в источнике ионов 8, выделяется в результате термодесорбции при прохождении электрического тока от системы 5 питания источника ионов через натекатель. Ионы в источнике 8 образуются в результате газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. Ионы рабочего газа ускоряются и бомбардируют мишень 7, при этом образуются быстрые нейтроны и на мишени 7 выделяется тепло. При работе блока излучения нейтронов диэлектрическая жидкость 15, заполняющая внутреннюю полость корпуса 1 блока излучения нейтронов, нагревается от мишени 7 нейтронной трубки 2, вытесняется из замкнутой оребренной теплообменной полости теплосъемника 9, расположенного на мишени 7, средством 14 приведения диэлектрической жидкости 15 в движение. Из выходных каналов 11 замкнутой оребренной теплообменной полости теплосъемника 9 диэлектрическая жидкость 15 под действием термогравитации перемещается наверх вдоль боковой стенки нейтронной трубки 2 к выделяющему тепло источнику ионов 8, к поверхности термокомпенсатора 16 и корпусу 1. В процессе термогравитационной конвекции и при взаимодействии с металлическим корпусом 1 и с поверхностью термокомпенсатора 16 диэлектрическая жидкость 15 охлаждается. Затем охлажденная диэлектрическая жидкость 15 поступает к средству 14 приведения жидкости в движение (микрокомпрессору), которое через выходное отверстие и диэлектрическую трубку 13 подает диэлектрическую жидкость 15 к входному патрубку 10 замкнутой оребренной теплообменной полости теплосъемника 9. Таким образом, в блоке организован эффективный теплоотвод от мишени 7 и источника ионов 8 нейтронной трубки 2 диэлектрической жидкостью 15 к поверхности термокомпенсатора 16, установленного на крышке 12, где диэлектрическая жидкость 15 охлаждается и вновь направляется по диэлектрической трубке 13 к мишени 7 нейтронной трубки 2.
Использование для охлаждения элементов схемы генератора направленной циркуляции диэлектрической жидкости 15 внутри герметичного корпуса 1 в замкнутом контуре от мишени 7 к теплообменной полости теплосъемника 9 внутри корпуса 1 позволило, по сравнению с известными техническими решениями, осуществить теплосъем с элементов схемы простыми средствами, без подключения дополнительного отдельного охлаждающего устройства с внешним замкнутым водяным контуром.
Температура применяемых материалов не приближается к критической, следовательно, увеличивается ресурс генератора нейтронов, а также исключается необходимость останавливать работу генератора во время эксплуатации для охлаждения нагревающихся элементов. Выполнение блока излучения нейтронов импульсного генератора в соответствии с предложенным техническим решением позволило, по сравнению с прототипом, снизить перегрев электродов нейтронной трубки 2, являющихся основным источником тепла, увеличить срок службы генератора и время его непрерывной эксплуатации при сохранении габаритных размеров и веса нейтронного генератора.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно увеличение ресурса блока излучения нейтронов импульсного генератора и увеличение времени работы блока излучения нейтронов импульсного генератора в непрерывном режиме.