УНИВЕРСАЛЬНАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА С ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИМИ ИНЖЕКТОРАМИ РАБОЧЕГО ГАЗА
UNIVERSAL NEUTRON TUBE WITH ELECTRO-THERMAL INJECTORS OF WORKING GAS

Область техники
Изобретение относится к устройствам для генерации нейтронов, конкретно электроразрядным нейтронным источникам, и может быть использовано в ускорительной технике, в геофизическом приборостроении, например в импульсных нейтронных трубках, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа.
Уровень техники
Электроразрядные нейтронные источники представляет собой вакуумно-герметичную оболочку с размещенными в ней следующими основными узлами: источник ионов (ИИ), ускоряющая ионно-оптическая система электродов, мишень, насыщенная изотопами водорода, и средства поддержания рабочего давления.
4
3
Принцип действия таких нейтронных источников состоит в генерации плазмы и извлечении из нее ионов изотопов водорода (дейтерия, трития или их смеси), формировании и ускорении пучка ионов с помощью ионно-оптической системы электродов в направлении мишени, насыщенной тритием. В нейтронных генераторах применяются как дейтерий-тритиевые, так и дейтерий-дейтериевые реакции на смешанных пучках ионов дейтерия и трития. При взаимодействии ускоренных до энергии Е>100 кэВ ионов, например, дейтронов с ядрами трития или дейтерия, содержащимися в мишени, происходит ядерная реакция T(d, n)Не или D(d, n)Не с выходом нейтронов с энергией ~14 или ~2,5 МэВ соответственно.
Разработаны как портативные (переносные), так и компактные нейтронные источники (нейтронные трубки). К последним относятся вакуумные и газонаполненные нейтронные трубки (ВНТ и ГНТ), широко использующиеся в скважинной геофизике для проведения неразрушающего элементного анализа вещества в скважинах.
В ВНТ используются вакуумно-дуговые источники ионов, получение ионов дейтерия в которых основано на десорбции и ионизации в вакуумно-дуговом разряде окклюдированного в электродах дейтерия. При этом поджигающий импульс ИИ и ускоряющий высоковольтный импульс подаются одновременно. Ресурс трехэлектродного ИИ, нашедшего наибольшее применение, определяется разрушением рабочей поверхности катода и межэлектродного изолятора в области их контакта, а также уменьшением концентрации дейтерия в рабочей приповерхностной зоне электродов при термодесорбции (истощение).
В течение всего ресурса катод ИИ вырабатывается на глубину не более 0,1 мм вблизи границы контакта с изолятором и крайне неравномерно. В результате основная масса катода остается пассивной. Она не участвует в процессе подпитки рабочим газом приповерхностного слоя, в котором под воздействием разряда происходит термодесорбция и ионизация изотопов водорода [Румянцев Г.С., Щитов Н.Н. Исследования возможности повышения ресурса источника ионов вакуумной нейтронной трубки // Материалы 18-й Научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: Изд-во МИЭМ, 2011, с. 146-149]. Поэтому повышение эффективности генерации рабочего газа при одновременном уменьшении эрозии электродов является одним из приоритетов улучшения рабочих характеристик ИИ и ВНТ.
Достоинства ВНТ: простота конструкции, мгновенная готовность к работе, высокий выход нейтронов в импульсе, высокий выход нейтронов на единицу запасаемой энергии, отсутствие излучения между импульсами и в отключенном состоянии, относительно низкая стоимость. ВНТ находят широкое применение в различных областях науки и техники, таких как ядерная физика, нейтронно-активационный анализ, нейтронная радиография, медицина.
Известна ВНТ, включающая цилиндрический керамический изолятор, первый электрод (носитель мишени) вблизи первого конца изолятора, второй электрод (ускорительный), расположенный коаксиально у второго конца изолятора, керамическое кольцо на втором электроде и третий электрод, расположенный на другом конце керамического кольца [Патент US №3,569,755 C1, 313/61, 09.03.1971]. На внутренней стенке керамического кольца нанесено две полоски из активного металла, которые насыщаются тритием. Нейтроны генерируются трубкой при приложении к первому и второму электродам напряжения в несколько сот киловольт, при этом мишень имеет отрицательный потенциал, и напряжения в несколько сот вольт к тритиенасыщенным полоскам для десорбции трития.
Основной проблемой известных ВНТ является большая нестабильность нейтронного потока, причем трех видов: нестабильность нейтронного выхода в импульсе, нестабильность потока нейтронов в процессе ресурса (т.н. долговременная нестабильность) и циклическая нестабильность, проявляющаяся в существенном падении нейтронного выхода в начале каждого последующего рабочего цикла. Первые два вида нестабильности обусловлены стохастическим характером вакуумно-дугового разряда ИИ и выработкой трития в мишени. Последняя - влиянием пленки распыленного материала анода на электродах ИИ на термодесорбцию дейтерия [Битулев А.А. и др. Проблемы повышения стабильности работы нейтронных генераторов на ВНТ // Успехи прикладной физики, 2014, т. 2, №3].
Одной из основных причин нестабильности нейтронного выхода ВНТ является использование механизма дейтеровыделения путем использования термической энергии вакуумно-дугового разряда в ИИ. Такой механизм десорбции изотопов водорода слабо поддается контролю, нестабилен от импульса к импульсу и связан со значительной эрозией электродов.
Кроме того, пик дейтеровыделения наступает значительно позже ускоряющего импульса, так что только около половины атомов дейтерия могут принять участие в генерации нейтронов, что значительно ограничивает эффективность этого процесса.
Зависимость нейтронного выхода от напряжения на источнике ионов слабая и немонотонная, что практически исключает возможность использования канала питания ионного источника для регулировки нейтронного потока.
Кроме того, нейтронные генераторы на ВНТ, генерирующие короткие импульсы (≤1 мкс), не обеспечивают возможность проведения измерений во время нейтронного импульса, что существенно ограничивает их область применения в современной геофизике.
Известны ГНТ с ИИ на основе ячейки Пеннинга с термокатодом или холодным катодом, выполненные в виде герметичной металлостеклянной колбы, в которой расположены мишень, ионно-оптическая система, ИИ и генератор рабочего газа, одновременно служащий и газопоглотителем остаточных газов.
Однако при работе трубок с ИИ Пеннинга с термокатодом из-за выделения катодом дополнительного тепла протекает процесс выделения остаточных газов (азота, кислорода, окислов углерода и азота, карбидов) из деталей нейтронной трубки. За счет разбавления рабочего газа остаточными газами снижается электрическая прочность трубки, уменьшается нейтронный поток за счет набивки мишени остаточными газами, уменьшается ресурс работы.
Известна ГНТ с ИИ Пеннинга с термокатодом, содержащая термогазопоглотитель, выполненный в виде втулки из спеченного мелкозернистого порошка титана массой от 100 до 350 мг с встроенным термоподогревателем [Патент РФ 2372755]. Термогазопоглотитель в нагретом состоянии обеспечивает поглощение при температуре 700°С выделяемых при работе трубки остаточных газов, таких как кислород, азот, углекислый газ, окислы азота. Рабочие газы (дейтерий и тритий) при такой температуре не поглощаются. Техническим результатом известной ГНТ является снижение разбавления рабочего газа остаточными газами. Тем не менее, недостатком является невысокий нейтронный поток, который связан с относительно низкой генерацией ионов (5-10)% в газоразрядном ионном источнике Пеннинга.
-7
2
Практически во всех ГНТ для обеспечения рабочего давления дейтерия (или смеси D+T) используется хранитель (накопитель) рабочего газа в виде цилиндра (таблетки) из изотопонасыщенного материала с встроенным нагревателем, например, в виде спирали. При нагревании спирали электрическим током происходит термодесорбция изотопа водорода и давление внутри трубки повышается от 10 Торр (режим хранения) до рабочего ~10 Торр. Подобные устройства могут работать только в (квази)стационарном режиме.
Общими недостатками известных ГНТ с источником Пеннинга являются низкие эмиссионные свойства поверхности катода и низкая генерация ионов в ионном источнике.
Известен ИИ для ГНТ, включающий газоразрядную камеру, анод и холодный катод, выполненный в виде плотной цилиндрической намотки из проводящей ленты или фольги, имеющей на поверхности слой с высоким коэффициентом вторичной электронной эмиссии (например, тонкий окисленной слой), причем торец катода расположен в газоразрядной камере источника ионов, а проводящая лента или фольга выполнены из алюминия [Патент РФ 2233505].
В такой конструкции на рабочей поверхности катода всегда присутствуют окислы, обеспечивающие повышенную эмиссию электронов. При этом распыление окислов до чистого алюминия невозможно вследствие геометрии катода. Кроме того, в результате различия в скоростях распыления чистого алюминия и окисла на рабочей поверхности появляется сильная микронеоднородность, увеличивающая автоэлектронную эмиссию. В результате наличия на рабочей поверхности катода следов окислов и микронеоднородностей при длительной эксплуатации эффективность ионизации рабочего газа будет увеличена.
В известных ГНТ с ИИ Пеннинга с холодным катодом эффективность ионизации рабочего газа зависит от величины коэффициента вторичной электронной эмиссии и величины автоэлектронной эмиссии на поверхности катода. Величина электронной эмиссии в значительной степени зависит от наличия на поверхности катода микровключений окислов металлов [Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов // М.: Атомиздат, 1972]. На поверхности свежих катодов, как правило, имеются пленки окислов. Однако эти пленки быстро распыляются в результате ионной бомбардировки катода. Быстро распыляются и микронеоднородности, являющиеся источником автоэлектронной эмиссии. По этой причине эффективность ИИ быстро уменьшается и стабилизируется на уровне, соответствующем чистой гладкой поверхности катода.
Известен генератор нейтронов для проведения нейтронного каротажа, содержащий дейтериево-тритиевую газовую смесь, которая обеспечивает заданное отношение 2,45 МэВ и 14 МэВ нейтронов (от 10:1 до 2:1), так что генератор может функционировать, например, подобно AmBe изотопным нейтронным источникам, которые используют для определенных измерений, таких как пористость формации и др. (соленость, отклонения скважины и размер скважины) [Патент RU 2486546, 27.06.2013]. Однако недостатками генератора является необходимость производить калибровочные измерения перед каждым использованием и повышенная радиационная опасность в случае разгерметизации корпуса.
Техническим результатом изобретения являются устранение указанных недостатков известных нейтронных трубок (невысокие емкость дейтеро(тритие)содержащих элементов и управляемость параметров, недостаточный ресурс работы), увеличение степени ионизации рабочего газа и выхода нейтронов, снижение примесных ионов, а также возможность программирования параметров десорбции дейтерия и трития, что является эффективным способом контроля нейтронного выхода. Для режима работы УНТ на дейтерий-тритиевой смеси значительно возрастает уровень безопасности, т.к. изотопы водорода хранятся только в связанном состоянии.
Раскрытие изобретения
Указанный результат достигается тем, что ИИ содержит импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы, ячейку Пеннинга и источники дейтерия и трития в виде проводников из дейтеро(тритие)насыщенного гидридообразующего металла или сплава, совместное использование которых позволяет работу в режимах как ВНТ, так и ГНТ при увеличении эффективности работы в обоих режимах.
Использование в ИИ комбинированного электрического разряда (импульсный вакуумно-дуговой отражательный разряд в ячейке Пеннинга) позволяет обеспечить существенное (до 10 раз) повышение эффективности ионизации в ИИ (что особенно важно для режима ГНТ) и, соответственно, увеличить поток ионов на мишень и выход нейтронов.
Для режима ВНТ критическим является разделение в ИИ функций термодесорбции рабочего газа и его ионизации. Причем функция термодесобции выполняется специальными независимыми термоэлектрическими инжекторами изотопов водорода на основе изотопонасыщенных элементов в виде проводника или тонкослойного покрытия на проводнике с большим омическим сопротивлением, а не термодесорбцией из электродов ИИ, которая слабо поддается контролю, нестабильна от импульса к импульсу и связана со значительной эрозией электродов. Выделение дейтерия и/или трития осуществляется термодесорбцией при непосредственном нагреве проводника импульсами электрического тока в импульсно-периодическом или стационарном режимах. При этом выбор последовательности импульсов электротермической десорбции и разрядного тока в ИИ и интервала времени между ними дает возможность выбора режимов работы нейтронной трубки: при задержке газового импульса относительно разрядного тока - режим ВНТ, при обратной задержке - режим ГНТ (импульсный, или стационарный). В зависимости от требований к количеству и скорости выделения десорбируемого в импульсе изотопа водорода выбираются гидридообразующий металл (или сплав), тип проводника (проволока или фольга), а также его форма (линейный проводник, спираль Архимеда, цилиндрическая спираль) и масса.
2
-1
Однако гораздо эффективнее использование дейтеро(тритие)выделяющего элемента в виде тонкослойного покрытия из дейтеро(тритие)насыщенного гидридообразующего металла или сплава на проводнике из металла или сплава с большим (≥0,28 Ом·мм·м) омическим сопротивлением (нихром, фехраль и т.п.). Меньшая энергия связи изотопов водорода в тонкослойном покрытии (по сравнению с монолитом) приводит к более легкому его высвобождению, что снижает температуру, при которой будет происходить процесс десорбции водорода. При этом имеется возможность повышения степени насыщения (Ti, Zr и т.п.) до атомного отношения ~2 и более (против 0,6-0,8 для монолитных материалов), что снижает габариты изотоповыделяющих элементов при увеличении выхода дейтерия и/или трития за импульс и способствует увеличению выхода нейтронов в УНТ.
Кроме того, возможность программирования параметров десорбции дейтерия и трития является эффективным способом контроля нейтронного выхода. При этом параметры газонапуска могут программируемым образом меняться от импульса к импульсу (в том числе соотношение дейтерия и трития в рабочей смеси).
Для режима работы УНТ на дейтерий-тритиевой смеси значительно возрастает уровень безопасности, т.к. изотопы водорода хранятся только в связанном состоянии.
Краткое описание чертежей
Представленные графические материалы приведены исключительно в иллюстративных целях и не являются ограничивающими. Следует отметить, что чертежи, иллюстрирующие устройство согласно изобретению, приведены для ясности без соблюдения масштаба и пропорций.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема универсальной нейтронной трубки (УНТ) с ИИ на основе комбинированного разряда (вакуумно-дуговой отражательный разряд в ячейке Пеннинга), где 1 - поджигающий электрод вакуумно-дугового источника плазмы, 2 - межэлектродный изолятор, 3 - катод ячейки Пеннинга и вакуумно-дугового источника плазмы, 4 - антикатод ячейки Пеннинга с отверстием для выхода ионов в ионнооптическую систему, 5 - анод ячейки Пеннинга, 6 - магнитный соленоид ячейки Пеннинга, 7 - керамический корпус инжектора, 8 - цилиндрический дейтеронасыщенный элемент электротермического инжектора дейтерия, 9 - цилиндрические токовые контакты инжектора дейтерия, 10 - цилиндрический элемент электротермического инжектора трития, 11 - цилиндрические токовые контакты инжектора трития, 12 - каналы газонапуска, 13 - герметизированные токовводы, 14 - мишень нейтронной трубки.
Осуществление изобретения
Устройство работает следующим образом. Включается источник питания магнитного соленоида для инициации аксиального магнитного поля (0,1÷0,01 Т) в ячейке Пеннинга ИИ. Подаются высоковольтные импульсы на электрод поджига вакуумно-дугового источника и анод ячейки Пеннинга, а также низковольтные импульсы на катод вакуумно-дугового источника и дейтеро(тритие)выделяющий элемент. Для формирования импульсов с крутым фронтом индуктивность электрического контура питания дейтеро(тритие)выделяющего элемента должна быть минимизирована.
В режиме работы ВНТ импульс вакуумно-дугового разряда производит генерацию и инжекцию в ячейку Пеннинга мощного потока электронов, которые инициируют и поддерживают в ней несамостоятельный разряд при генерации и инжекции в ячейку Пеннинга изотопов водорода из дейтеро(тритие)выделяющего элемента. В инициированном таким образом несамостоятельном разряде осуществляется эффективная ионизация изотопов водорода, что дает возможность работы при низких давлениях, в условиях, когда самостоятельный разряд в среде изотопов водорода в ячейке Пеннинга не развивается. Эта возможность обеспечивается за счет потока электронов из вакуумно-дугового разряда, который значительно превышает количество электронов, образующихся при развитии самостоятельного газового разряда в среде изотопов водорода. Возможность работы при низких давлениях приводит к увеличению электрической прочности нейтронной трубки.
-7
-2
В режиме работы ГНТ система импульсного дейтеро(тритие)выделения обеспечивает возрастание давления в трубке от ~10 Торр до рабочего (~10 Торр). В этих условиях в ячейке Пеннинга между катодом и анодом в скрещенных радиальном электрическом и аксиальном магнитном полях развивается самостоятельный высоковольтный разряд, в котором осуществляется ионизация изотопов водорода. Дополнительная инжекция электронов из вакуумно-дугового источника приводит к значительному увеличению степени ионизации изотопов водорода в самостоятельном разряде, увеличению плотности ионного тока и, в конечном итоге, к увеличению нейтронного выхода.
В обоих рабочих режимах (ВНТ и ГНТ) на мишень прикладывается относительно корпуса отрицательное напряжение (например, -100 кВ). Ионы рабочего газа (изотопы водорода) через отверстие в антикатоде поступают в ускорительно-фокусирующий тракт и попадают на мишень, насыщенную тритием, где происходят ядерные реакции с генерацией нейтронов.
На основании данных о количестве и скорости выделения десорбируемого в импульсе дейтерия (трития) оценивается требуемая масса и размеры дейтеро(тритие)выделяющего элемента.
8
12
20
2
x
Ti
Так, для масштабов ВНТ при ресурсе работы ~10 импульсов и расходе дейтерия ~10 атомов дейтерия за импульс дейтеронасыщенный материал (например, TiD) должен содержать ~10 атомов дейтерия, что при степени насыщения x≈1 дейтерида титана дает оценку величины массы m~0,16 г. Этому условию удовлетворяют, например, размеры Ti фольги толщиной 50 мкм: 40×15 мм. Дейтерирование фольги может осуществляться, например, методом Сиверта [Кудияров В.Н. и др., Особенности распределения водорода в титане ВТ1-0 в зависимости от способа насыщения: электролитическим способом и методом Сиверта // Альтернативная энергетика и экология, 2012, №11 (115), с. 10-15].
десорб
и
десорб
Ti
-6
Для достижения температуры десорбции дейтерия из титана Т~600°С необходимо ввести энергию W≈600 Дж/г, что для выбранных параметров Ti фольги дает величину ~100 Дж. При длительности омического нагрева Ti фольги τ=50 мс величина импульса тока составляет I~150 А (использованная величина удельного сопротивления ρ=1,5·10 Ом·м учитывает влияние дейтерирования Ti).
Аналогичные оценки делаются для проволочного выполнения изотоповыделяющего элемента ИИ.
Форма фольги зависит от производительности инжектора: для компактных нейтронных источников типа нейтронной трубки это может быть цилиндр, для больших - компактная форма, например, в виде спирали Архимеда с шагом, обеспечивающим зазор между соседними витками, или цилиндрической спирали для проволочного варианта изотоповыделяющего элемента.
2
-1
Однако значительно эффективнее использование в качестве дейтеро(тритие)выделяющего элемента тонкого (10÷20 мкм) слоя дейтеро(тритие)насыщенного гидридообразующего металла или сплава, нанесенного на поверхность проводника из металла или сплава с большим (≥0,28 Ом·мм·м) омическим сопротивлением (нихром, фехраль и т.п.). Меньшая энергия связи изотопов водорода в тонкослойном покрытии (по сравнению с монолитом) приводит к более легкому его высвобождению, что снижает температуру, при которой будет происходить процесс десорбции водорода [Lisowski W. et al. Decomposition of thin titanium deuteride films; thermal desorption kinetics studies combined with microstructure analysis // Appl. Surface Science, 2008, 254 (9), p. 2629-2637]. При этом имеется возможность повышения степени насыщения (Ti, Zr и т.п.) до атомного отношения ~2 и более (против 0,6-0,8 для монолитных материалов) [Tal-Gutelmacher Е. et al., The effect of residual hydrogen on hydrogenation behaviour of Ti thin film // Scripta Materialia, 62 (2010), p. 709-712], что снижает габариты дейтеро(тритие)выделяющего элемента при увеличении выхода дейтерия и/или за импульс и способствует увеличению выхода нейтронов в УНТ.
3
Кроме того, в этом случае снимаются ограничения в выборе дейтеро(тритие)насыщенного гидридообразующего металла или сплава, обусловленные требованиями к достаточному электрическому сопротивлению последнего для его эффективного омического нагрева. Так, в качестве материала покрытия целесообразно использование гидрида алюминия AlH, который обладает высоким массовым содержанием изотопов водорода (~10%), низкой температурой десорбции (~200°С) и небольшой энергией разложения (~240 Дж/г против 600 Дж/г для гидрида Ti).
Для исключения шунтирования тока сопротивлением покрытия последнее имеет разрывы в направлении, перпендикулярном протеканию тока в подложке. Количество, форма и размеры разрывов задаются соответствующими параметрами экранов на напыляемой поверхности в процессе осаждения дейтеро(тритие)содержащего покрытия.
Для предотвращения нежелательной диффузии изотопов водорода в подложку (фольга или проволока из материалов и сплавов с большим сопротивлением) на последнюю может быть предварительно нанесен водородный диффузионный барьер в виде тонкопленочного покрытия, в качестве которого используется по крайней мере один материал из группы, включающей: нитриды металлов, оксиды металлов, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, хром, ниобий.
Дейтеро(тритие)сорбирующее покрытие, а также водородный диффузионный барьер и различные добавки для вариации температуры десорбции наносятся с помощью источников плазмы (например, магнетронных) в атмосфере изотопов водорода или изотопосодержащих газов, и/или рабочих газов (кислород, азот и пр.). Эффективность плазменного насыщения изотопами водорода позволяет более чем в два раза превышать значения насыщенности при использовании метода Сиверта при повышенных давлении дейтерия и температуре [Никитенков Н.Н. и др. Исследование особенностей поглощения водорода сталью при электролитическом, плазменном и высокотемпературном под давлением способах насыщения // Известия Томского Политехнического Университета (2011), т. 318, №2, с. 97-100].
Положительными эффектами использования подобной универсальной нейтронной трубки является существенное (до 10 раз) повышение эффективности ионизации в ИИ, и, следовательно, потока ионов на мишень, результирующееся в увеличении выхода нейтронов, а также повышенная радиационная безопасность. При работе в режиме дейтеро-тритиевой смеси возможно программированное изменение соотношения количества выделяемых в разрядную камеру изотопов водорода от импульса к импульсу, что расширяет возможности каротажных и др. исследований. Кроме того, в режиме активации только тритиевыделяющего элемента поток ионов трития может быть использован для программируемой "набивки" тритием нейтронообразующей мишени, что предоставляет дополнительные возможности для оптимизации параметров нейтронного выхода и ресурса работы трубки.
Предложенный вариант использования импульсного электротермического инжектора рабочего газа (дейтерия, смеси дейтерия и трития, и др.) для нейтронных трубок не является единственно возможным и может быть использован в разнообразных импульсных электроразрядных устройствах, например, для генерации ионизирующих излучений.