Вакуумная нейтронная трубка

Полезная модель относится к области прикладной физики и может быть использована при разработке нейтронных и рентгеновских генераторов, а также нейтронных и рентгеновских трубок.
Известна вакуумная нейтронная трубка, содержащая корпус, размещенные в нем управляемый трехэлектродный источник ионов, катод и анод которого насыщены изотопами водорода, и мишень. Мишень и источник ионов расположены в противоположных торцах корпуса трубки навстречу друг другу. Г. И. Кирьянов. Генераторы быстрых нейтронов. - М.: Энергоатомиздат. 1990. - С. 122.
Недостатком трубки является малый ресурс работы.
Известна также вакуумная нейтронная трубка, содержащая размещенные в герметичном запаянном стеклянном или керамическом корпусе управляемый 3-электродный искровой источник, который состоит из кольцевого анода, катода и поджигающего электрода и мишень. Мишень выполнена в виде диска из молибдена с напыленным слоем титана. Рабочие газы постоянно окклюдированы в элементах нейтронной трубки: в мишени - тритий или дейтерий, на аноде и катоде ионного источника - дейтерий. Сборник материалов Межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, 2004, с. 72.
Недостатком этой трубки является ограниченный ресурс работы трубки из-за отсутствия антидинатронной сетки, т.е. системы подавления вторичной электронной эмиссии, возникающей в результате бомбардировки мишени трубки ионами дейтерия. Следствием этого является быстрый выход из строя ионного источника трубки и малый срок службы трубки.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является вакуумная нейтронная трубка, содержащая размещенные внутри вакуумно-герметичного запаянного стеклянного корпуса управляемый 3-электродный искровой источник, который состоит из кольцевого анода, катода и поджигающего электрода и мишень. Мишень выполнена в виде диска из молибдена с напыленным слоем титана. Для формирования и ускорения пучков ионов и подавления вторичной электронной эмиссии, возникающей в результате бомбардировки мишени трубки ионами дейтерия, служит ионно-оптическая система электродов и антидинатронная сетка, соединенная с сеточным электродом на корпусе нейтронной трубки. Патент РФ №2316835, МПК G21G 4/02, H05H 3/06, H05H 5/03, 10.02.2008.
Корпус нейтронной трубки представляет собой вакуумно-герметичную оболочку из двух стеклянных цилиндров соединенных между собой металлостеклянным спаем с помощью сеточного электрода. На одном торце оболочки закреплен мишенный электрод на другом анодный электрод управляемого 3-электродного искрового источника.
Между мишенным и сеточным электродами при помощи сопротивления смещения прикладывается разность потенциалов, которая обеспечивает подавление вторичной электронной эмиссии.
Сеточный электрод выполнен в виде V-образного кольца из металла вакуумно-герметично спаянного с двух сторон со стеклянными цилиндрами. Выполнение четырех металлостеклянных спаев существенно усложняет конструкцию изоляционного корпуса нейтронной трубки, приводит к увеличению длины нейтронной трубки, осевому смещению двух стеклянных цилиндров относительно друг друга. В местах спая стекла с металлом имеются «воздушные пузыри» диаметром до 0,3 мм, как отдельные включения, так и в виде цепочек. Острая кромка ковара имеет радиус скругления R=0,2 мм, ввиду этого появляется большая напряженность электрического поля. При срабатывании трубки возникают коронные разряды, особенно с «воздушных пузырей». Для уменьшения напряженности электрических полей места спая стекла с коваром закрывают металлическими чашеобразными экранами, в чашах которых размещают нейтронную трубку.
Кроме того, стекло как изолятор имеет электрическое сопротивление несколько мегаом, поэтому наибольший градиент напряженности приходится именно на места спая стекла и ковара. Для того чтобы создать более равномерное поле иногда вводят распределитель электрического поля (см., например, А.С. №679082).
При длительной работе генератора и выработке ресурса иногда происходит несрабатывание источника нейтронной трубки. Сопротивление нейтронной трубки в таком режиме составляет сотни мегаом, при этом возникает режим «холостого хода» высоковольтного трансформатора, а напряжение на его вторичной обмотке достигает величины от 200 до 220 кВ.
Для устранения этого недостатка параллельно вторичной обмотке высоковольтного трансформатора иногда вводится дополнительная обмотка намотанная проводом с высоким удельным электрическим сопротивлением.
Величина сопротивления несколько выше, чем сопротивление нейтронной трубки в момент ее срабатывания (25-35 кОм) (см., например, патент РФ №2551840).
То есть для стабильной работы трубки необходимо введение дополнительных конструктивных элементов: металлических чашеобразных экранов, распределителя электрического поля, дополнительной обмотки, сопротивления смещения, намотанного проводами с высоким удельным электрическим сопротивлением.
Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности и ресурса работы вакуумной нейтронной трубки.
Технический результат достигается тем, что в вакуумной нейтронной трубке, содержащей вакуумно-герметичный изоляционный корпус, в котором размещены управляемый трехэлектродный источник ионов, анод и катод которого насыщены изотопом водорода, мишенный и сеточный электроды, корпус нейтронной трубки выполнен в виде первого и второго полых цилиндров из керамического материала с объемным электрическим сопротивлением, величина которого определяется сопротивлением нагрузки для первого полого цилиндра и сопротивлением смещения для второго полого цилиндра, при этом первый полый цилиндр вакуумно-герметично присоединен к анодному и сеточному электродам нейтронной трубки, а второй полый цилиндр - к сеточному и мишенному электродам, и имеют с ними электрический и тепловой контакт.
Сущность полезной модели поясняется на чертеже, где:
1 - корпус (вакуумно-герметичная оболочка);
2 - катод;
3 - поджигающий электрод;
4 - анод;
5 - газопоглотители;
6 - мишенный электрод;
7 - мишень;
8 - сеточный электрод;
9 - первый полый цилиндр;
10 - второй полый цилиндр.
Вакуумная нейтронная трубка состоит из вакуумно-герметичного корпуса 1, выполненного в виде двух полых цилиндров 9 и 10 из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, в котором размещены трехэлектродный источник ионов с катодом 2, поджигающим электродом 3, анодом 4,насыщенные тяжелыми изотопами водорода, средства поддержания рабочего давления - газопоглотители 5, мишенный электрод 6 с накладной мишенью 7, сеточный электрод 8, вакуумно-герметично соединенный с полыми цилиндрами 9 и 10.
В зависимости от типа трубки величина сопротивления первого полого цилиндра 9 колеблется в пределах от 25-35 кОм, а величина сопротивления второго полого цилиндра 10 колеблется в пределах от 800 Ом до 2 кОм. Полые цилиндры вакуумно-герметично соединены между собой через втулки из ковара 29НК-НТ0,8 ГОСТ14080-78 с помощью пайки и имеют между собой электрический и тепловой контакт. В качестве материала цилиндров использована вакуумно-плотная керамика. Первый полый цилиндр 9 и второй полый цилиндр 10 выполнены из специального керамического материала с объемным электрическим сопротивлением, величина которого определяется сопротивлением нагрузки и сопротивлением смещения. Специальная керамика с необходимым объемным электрическим сопротивлением может быть получена методом керамической технологии, способом горячего прессования из порошка. Требуемое сопротивление зависит от состава порошка, технологии прессования и температуры обжига. Кроме того, полые цилиндры могут быть изготовлены из керамического материала с необходимым сопротивлением другими способами, например, из полупроводниковой керамики или нанесением резистивного слоя
Цилиндры изготавливаются в одном технологическом процессе одного диаметра, но разной длины. Разница в длине приблизительно на порядок.
Нейтронная трубка работает следующим образом.
На анод 4 подается напряжение постоянного тока, недостаточное для пробоя вакуумного промежутка, но создается «предпробойная» напряженность электрического поля.
При подаче на поджигающий электрод 3 высоковольтного импульса (5-15 кВ) между катодом 2 и поджигающим электродом 3 происходит «пробой». Область между анодом 4 и катодом 2 ионизируется, вследствие чего резко снижается электрическая прочность промежутка «анод - катод», что приводит к загоранию дугового разряда. В результате рабочий газ (дейтерий) десорбируется из анода 4 и катода 2. Образовавшаяся плазма движется в выходному отверстию анодного электрода 4 и выходит в ускорительный промежуток «катод - мишенный электрод» трубки, в котором ионы дейтериевой плазмы ускоряются импульсом напряжения 120-150 кВ. При бомбардировке мишени 7, насыщенной дейтерием или тритием, в результате ядерной реакции образуются нейтроны с энергией 2,5 МэВ или 14 МэВ и вторичные электроны. В результате протекания тока нейтронной трубки через ускорительный зазор на электрическом сопротивлении полого цилиндра 10 создается разность потенциалов между сеточным 8 и мишенным 6 электродами нейтронной трубки. Эта разность потенциалов обеспечивает запирание вторичных электронов, образовавшихся в процессе бомбардировки мишени нейтронной трубки ионами дейтерия или трития, что позволяет уменьшить паразитный ток трубки и повысить тем самым срок ее службы.
При работе нейтронной трубки в штатном режиме электрическое сопротивление полого цилиндра 9 не оказывает влияния на формирование ускоряющего напряжения, так как вторичная обмотка высоковольтного трансформатора имеет на порядок меньшее сопротивление. При работе генератора в то время, когда источник ионов нейтронной трубки не срабатывает, режим «холостого хода» высоковольтного трансформатора не происходит, так как вторичная обмотка подключена к параллельному электрическому сопротивлению полого цилиндра 9, т.е. к нагрузке величиной от 25 до 30 кОм, что приводит к стабилизации напряжения на вторичной обмотке высоковольтного трансформатора, стабилизации нейтронного выхода и увеличению срока службы нейтронной трубки. Для обеспечения необходимого вакуума в объеме корпуса трубки 1 служат газопоглотители 5.
Результатом данного технического решения является повышение стабильности и ресурса работы вакуумной нейтронной трубки. При разработке конструкции импульсного нейтронного генератора это приводит к уменьшению габаритов, веса нейтронного генератора из-за отсутствия нагрузочного сопротивления и сопротивления смещения, как самостоятельных конструктивных элементов, функции которых выполняет полый цилиндр 9 и полый цилиндр 10 корпуса нейтронной трубки, выполненные из керамического материала с необходимым объемным электрическим сопротивлением. При этом образовавшийся свободный объем, который занимали сердечник с нагрузочным сопротивлением и каркас с сопротивлением смещения, может быть использован для уменьшения габаритов и веса нейтронного генератора.