ГАЗОНАПОЛНЕННАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА

Полезная модель относится к газонаполненным нейтронным трубкам для каротажных работ на нефтяных, газовых и рудных месторождениях.
Известные малогабаритные газонаполненные нейтронные трубки с ионным источником Пеннинга, работающие в импульсно-частотном режиме при постоянном ускоряющем напряжении 80-90 кВ, отличаются друг от друга ионно-оптической системой (аксиальная или иммерсионная) и видом ионных источников:
- ионный источник с одним кольцевым цилиндрическим магнитом, установленным вне объема трубки, имеющей аксиальную ионно-оптическую систему. B.C.Васин, В.А.Тукарев, Т.О.Хасаев, Р.Х.Якубов, Научная сессия МИФИ-2005, Сборник научных трудов, том 5, Москва 2005, 212-213;
- ионный источник с кольцевым цилиндрическим магнитом, установленным на аноде источника внутри трубки, с аксиальной ионнооптической системой, патент СССР №1590019, МПК: Н05Н 5/02, G21G 4/02;
- ионный источник с одним кольцевым магнитом, установленным у выходного отверстия антикатода внутри объема трубки, с аксиальной ионнооптической системой, О. Reifenschweiler, Nucleonics, 18,12,69(1960);
- ионный источник с одним дисковым магнитом, установленным со стороны катода источника, вне объема трубки, с иммерсионной ионнооптической системой. J.Yu et al. Nucl.Instr.and Meth., in Phys.Res.B 111 (1996) 148-150; B.C.Васин, Р.Х.Якубов, Разработка газонаполненной нейтронной трубки для скважинного генератора нейтронов, ФГУП РФЯЦ -ВНИИЭФ, сборник докладов Четвертой научно-технической конференции, 1-3 ноября 2005 г., Саров, 2006 с.310-312;
- ионный источник с двумя магнитами: дисковым и кольцевым, установленными внутри объема трубки; Timus D.,Neutron generating tubes NSA, 1968, т.22,№15, 32361, прототип.
8
Существующие дейтерий-тритиевые газонаполненные нейтронные трубки генерируют нейтроны с энергией 14 МэВ и обеспечивают нейтронные потоки не выше 10 н/с.
Недостатками известных трубок с ионным источником являются: сложность уменьшения диаметра из-за наличия кольцевого цилиндрического магнита, устанавливаемого снаружи трубки, повышенное энергопотребление и недостаточно высокий срок службы; сложность крепления магнита внутри трубки на аноде источника, проблема сохранения термостойкости магнита при высокотемпературной обработке трубки на вакуумном посту, а также проблема сохранения вакуума из-за наличия магнита в объеме трубки; сложность установки кольцевого магнита внутри трубки вблизи полости антикатода ионного источника.
Данная полезная модель исключает недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение нейтронного потока, уменьшение энергопотребления, уменьшение рабочего давления, повышение надежности и ресурса работы, уменьшение диаметра прибора.
d
d
c
Технический результат достигается тем, что в газонаполненной нейтронной трубке, содержащей корпус, в котором расположены иммерсионная ионнооптическая система, мишень, магнитогазоразрядный ионный источник с дисковым магнитом катода и кольцевым магнитом вокруг полого антикатода, кольцевой магнит выполнен из двух полуколец, скреплен пружинной металлической немагнитной стяжкой и установлен в теле антикатода во внешнем пазу корпуса трубки, а дисковый магнит расположен в полости проходного изолятора ионного источника, его магнитное поле направлено навстречу магнитному полю дискового магнита и выбрано из условия: В≥2 Bc>240 мТл, где: В - максимальная магнитная индукция дискового магнита; B - максимальная магнитная индукция кольцевого магнита, а глубина полости антикатода, ее диаметр, расстояние между магнитами, а также высота анода связаны
соотношениями: 2.5≤S/h≤3.0; и 2.0≤D/l≤2.5, где: 1 - глубина полости антикатода; S - расстояние между магнитами, h - высота анода; D -диаметр полости антикатода.
Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1-3. На фиг.1 схематично представлен поперечный разрез газонаполненной нейтронной трубки, где: «0» - нулевое значение суммарного магнитного поля; 1 - дисковый магнит, 2 - катод, 3 - анод, 4 - антикатод, 5 - кольцевой магнит, 6 - выходное отверстие для ионов, 7 - иммерсионная ионнооптическая система, 8 - мишень.
На фиг.2 представлены различные конфигурации магнитных полей вдоль оси газонаполненной нейтронной трубки, где К1 - конфигурация В-поля, когда разноименные полюса магнитов расположены навстречу друг другу; К2 - конфигурация В-поля, когда одноименные полюса магнитов расположены навстречу друг другу; К3-конфигурация В-поля при одном дисковом магните 1.
На фиг.3 схематично представлен разрез ионного источника газонаполненной нейтронной трубки.
Ионный источник газонаполненной нейтронной трубки снабжен дисковым 1 и кольцевым 5 магнитами, причем разноименные полюса магнитов расположены навстречу друг другу.
Образуемое между магнитами 1 и 5 магнитное В-поле в полости антикатода 4 вблизи отверстия для выхода ионов 6 меняет свое направление на противоположное, переходя через нулевое значение поля в точке «О» полости антикатода 4 (фиг.2, конфигурация поля К1, фиг.3).
Если дисковый 1 и кольцевой 5 магниты установлены одинаковыми полюсами навстречу друг другу, то магнитное поле в ионном источнике имеет конфигурацию К2 (фиг.2.). В этом случае источник трубки в рабочем режиме (при токе трубки ~85 мкА и ускоряющем напряжении 85 кВ) потребляет энергию в 1,5 раза больше.
Если в ионном источнике установить один дисковый магнит 1, то конфигурация В-поля приобретет вид К3. В этом случае в рабочем режиме ионный источник потребляет энергию в 3,5 раза больше, а трубка дает низкий нейтронный поток.
Экспериментальные усредненные данные, полученные при проведении исследований пяти нейтронных трубок фиг.1 с ионными источниками, имеющими конфигурацию магнитных полей K1, K2, и пяти нейтронных трубок, имеющих конфигурацию магнитного поля К3, обобщены и представлены в таблице. Экспериментальные данные получены на частоте f=1000 Гц, при длительности модуляционных импульсов 100 мкс и при скважности S=10.
8
Устройство обеспечивает получение нейтронных потоков, превышающих интенсивность 10нейтр/с при скважностях S модуляционных импульсов, подаваемых на анод 3 ионного источника, от 4 до 25. Скважность S=l/τ,f, где: τ - длительность модуляционных прямоугольных импульсов напряжения амплитудой 2,5 кВ, подаваемых на анод ионного источника; f - частота следования модуляционных импульсов.
8
Стабильная работа устройства при скважностях модуляционных импульсов около 25 обеспечена протеканием низких токов через ионный источник и уменьшением давления рабочего газа в трубке при сохранении тока (~85 мкА) через трубку. Варианты трубок с ионными источниками, имеющими конфигурацию В-полей K2 и К3, работая при более высоких токах через ионный источник и повышенных давлениях в ионно-оптической системе, обеспечивают нейтронный поток ≥ 10н/с при скважностях только от 4 до 10 (трубки неработоспособны при частотах ~400 Гц и длительностях модуляционных импульсов ~100 мкс).
Полезная модель обеспечивает концентрацию плазмы импульсного газового разряда вблизи выходного отверстия для ионов 6 в полости антикатода 4 (фиг.1 и фиг.2) ионного источника трубки за счет эффекта «диамагнетизма плазмы в неоднородном магнитном поле» в месте
азимутально-симметричного перехода В-поля через нулевое значение «0» (фиг.2, конфигурация К1).
В неоднородном магнитном поле на частицы плазмы (и нейтральный водород) действует диамагнитная сила, стремящаяся вытолкнуть частицы плазмы (и нейтральный водород) из области сильного поля в область более слабого поля (в нашем случае при работе трубки плазма и рабочий газ в ионном источнике сконцентрированы в области точки «0» полости антикатода 4 у выходного отверстия для выхода ионов 6 (фиг.1., фиг.2., конфигурация К1).
Повышение концентрации плазмы в области «0» полости антикатода увеличивает количество ионов, выводимых из плазмы через выходное отверстие 6 антикатода 4 в иммерсионную ионнооптическую 7 систему трубки. Это облегчает получение ионного тока ~85 мкА, протекающего через иммерсионную ионнооптическую систему 7 трубки при ускоряющем напряжении ~85 кВ и уменьшенном до 250 мкА токе через ионный источник за счет уменьшения давления рабочего газа в объеме трубки. Уменьшение рабочего давления в трубке приводит к уменьшению столкновений пучка быстрых ионов с молекулами рабочего газа при их транспортировке через ионнооптическую систему 7.
Для удобства сборки кольцевой магнит, выполненный из Sm-Co, после намагничивания до 260-290 мТл разделяют на два полукольца, устанавливают в паз корпуса трубки у полости антикатода и скрепляют металлической немагнитной стяжкой (два магнитных полукольца установленных в единое кольцо - расталкиваются).