Импульсный нейтронный генератор

Полезная модель относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначена для использования при разработке нейтронных генераторов.
Известен скважинный импульсный нейтронный генератор, содержащий размещенные в металлическом корпусе вакуумную нейтронную трубку и электрическую схему ее питания, а также с элементами схемы формирования импульса ускоряющего напряжения, включающей накопительный конденсатор, высоковольтный трансформатор с многорядной вторичной обмоткой, выполненной на магнитопроводе, выход которой соединен с чашеобразным экраном и расположенной в нем вакуумной нейтронной трубкой (Патент Российской Федерации № 2368024, МПК G21G 4/02, 20.09.2009).
Недостатком этого генератора являются ограниченный ресурс работы нейтронной 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 нейтронного генератора.
Известен импульсный нейтронный генератор, содержащий в герметичном металлическом корпусе вакуумную нейтронную трубку с трехэлектродным источником ионов с анодом, катодом и поджигом, а также схему его питания и формирования импульса ускоряющего напряжения, включающую высоковольтный трансформатор, накопительный конденсатор, сопротивление смещения, дроссель, в зазор между корпусом и сеточным электродом нейтронной трубки вставлена пружина (Патент Российской Федерации № 2703518, МПК G21G 4/02, 18.10.2019). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
В генераторе используется вакуумная нейтронная трубка, содержащая размещенные в герметичном запаянном стеклянном корпусе мишенный узел, сеточный электрод и управляемый 3 электродный искровой источник, который состоит из кольцевого анода, катода и поджигающего электрода.
В генераторе существует система подавления вторичной электронной эмиссии, обеспечивающая запирающий потенциал отрицательной полярности по отношению к мишени с помощью электропроводящей сетки высокой прозрачности. Этот потенциал создаётся на сетке за счёт протекания тока трубки в ускоряющем промежутке. Та часть тока, которая попадает на сеточный электрод, создаёт на нём так называемое «напряжение смещения» относительно мишени с помощью резистивного сопротивления смещения, которое включается в цепь между мишенью и сеточным электродом. Величина напряжения смещения составляет несколько киловольт и достигается подбором резистора, располагаемого обычно снаружи нейтронной трубки. Кроме сложности подбора оптимальной величины сопротивления, недостатком использования сопротивления смещения является снижение эффективного значения ускоряющего напряжения в межэлектродном промежутке: инжектор ионов мишень. Это связано с тем, что отрицательное напряжение на сеточном электроде по отношению к мишени после прохождения ионами дейтерия сеточного электрода начинает оказывать на нем по отношению к мишени тормозящее воздействие на положительно заряженные ионы. Сопротивление смещения намотано на отдельном изоляционном каркасе проводом с высоким удельным сопротивлением и является самостоятельным конструктивным элементами, для размещения которых требуется место.
Задачей полезной модели является повышение надежности работы нейтронного генератора, уменьшение габаритов и веса.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение габаритов, веса, повышение надежности работы импульсного нейтронного генератора.
Технический результат достигается тем, что в импульсном нейтронном генераторе, содержащем в герметичном металлическом корпусе, залитом диэлектриком, вакуумную нейтронную трубку с трехэлектродным источником ионов, а также схему его питания и формирования импульса ускоряющего напряжения, включающую накопительный конденсатор, высоковольтный трансформатор с многорядной вторичной обмоткой, выполненной на магнитопроводе, выход которой соединен с чашеобразным экраном и расположенной в нем вакуумной нейтронной трубкой, в зазор между корпусом и сеточным электродом нейтронной трубки вставлена пружина, с наружной стороны мишенного электрода соосно расположен кольцеобразный постоянный магнит из двух разнополюсных полуколец формирующий поперечное относительно оси трубки магнитное поле.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где
1 - металлический корпус блока;
2 - нейтронная трубка;
3 - импульсный высоковольтный трансформатор;
4 - накопительный конденсатор;
5 - конденсатор источника;
6 - дроссель;
7 - мишенный электрод нейтронной трубки;
8 - анодный электрод нейтронной трубки;
9 - катодный электрод нейтронной трубки;
10 - поджигающий электрод нейтронной трубки;
11 - сеточный электрод нейтронной трубки;
12 - мишень;
13 - пружина
14 - кольцеобразный постоянный магнит;
15 - чашеобразный экран;
16 - термокомпенсатор;
17 - высоковольтный проходной изолятор.
Импульсный нейтронный генератор выполнен по схеме включения нейтронной трубки с заземленным мишенным узлом. Генератор включает металлический корпус 1, нейтронную трубку 2, высоковольтную часть схемы её питания, обеспечивающую ускоряющее напряжение, с высоковольтным трансформатором 3 на магнитном сердечнике, накопительный конденсатор 4, конденсатор источника ионов 5, дроссель 6. Корпус нейтронной трубки представляет собой вакуумно-герметичную оболочку из двух стеклянных цилиндров, соединенных между собой металлостеклянным спаем с помощью сеточного электрода 11, соединенный с одной стороны с мишенным электродом 7, а с другой стороны - с анодным электродом 8 ионно-оптической системы источника ионов, содержащей соосно расположенные анод, катод и поджиг.
Сеточный электрод 11 имеет экранирующую сетку с высокой прозрачностью, механически и электрически с ним связанную.
С наружной стороны мишенного электрода 7 соосно расположен кольцеобразный постоянный магнит 14 из двух разнополюсных полуколец, формирующий поперечное относительно оси трубки магнитное поле.
В зазор между корпусом 1 и сеточным электродом 11 вставлена пружина 13, обеспечивающая механический, тепловой и электрический контакты с корпусом 1. Для выравнивания электрических полей на анодный электрод ионного источника установлен чашеобразный металлический экран 15, электрически связанный с выходом вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора 3.
Для обеспечения электрической прочности и улучшения теплопередачи от внутренних источников энергии во внешнюю среду блок залит жидким диэлектриком, имеющим хорошие диэлектрические свойства. Для компенсации температурного изменения объёма жидкого диэлектрика установлен термокомпенсатор 16.
Внешнее питание и импульсы запуска подают через керамические проходные изоляторы 17.
Генератор работает следующим образом. При срабатывании коммутирующего элемента (на чертеже не показан) накопительный конденсатор 4, заряженный до нескольких кВ, разряжается через первичную обмотку трансформатора 3. На вторичной обмотке формируется импульс напряжения положительной полярности 100-150 кВ длительностью несколько мкс, который подается на катодный электрод 9 нейтронной трубки.
При подаче импульса «поджига» на поджигающий электрод 10 ионного источника нейтронной трубки происходит разряд конденсатора ионного источника 5 через анод 8 и катод 9. В результате десорбции дейтерия и его ионизации под действием дугового разряда образуются ионы дейтерия, которые бомбардируют мишень 12 нейтронной трубки 2. На мишени 12 в результате реакции 1Н2 + 1Н3 → 2Не4 + n образуются нейтроны с энергией 14 МэВ и вторичные электроны.
Ток вторичных электронов является паразитным и приводит к нагреванию электродов ионного источника, снижая ресурс работы нейтронной трубки.
Предлагаемый способ подавления вторичной эмиссии электронов с мишени связан с созданием магнитного поля в области мишени, вектор напряжённости которого направлен перпендикулярно траекториям вторичных электронов и оси нейтронной трубки. Выбиваемые из мишени 12 вторичные электроны попадают в эквипотенциальный объем, образованный сеточным электродом 11 с экранирующей сеткой высокой прозрачности и мишенью 12, возвращаются магнитным полем на мишень, что предотвращает их попадание в ускорительный промежуток. Преимущество этого способа по сравнению с прототипом заключается в том, что при использовании постоянных магнитов нет энергетических затрат на подавление электронов и нет снижения энергии ионов в процессе их ускорения к мишени, как это имеет место в прототипе.
Эффективность предлагаемого технического решения была проверена в результате сравнительных испытаний на одних и тех же вакуумных нейтронных трубках. Эксперимент проверен с измерением выхода нейтронов при подавлении вторичных электронов с помощью постоянного магнита и с помощью антидинатронной сетки и сопротивления смещения. Результаты одинаковые в пределах погрешности измерения.
Благодаря такому техническому решению вследствие отсутствия антидинатронной сетки и сеточного электрода на корпусе нейтронной трубки отпадает необходимость изготовления сопротивления смещения как самостоятельного конструктивного элемента на отдельном каркасе, как в прототипе, функции которого выполняет кольцеобразный постоянный магнит 15, что приводит к упрощению конструкции нейтронной трубки и уменьшению веса генератора. За счёт объёма, образовавшегося вследствие исключения сопротивления смещения на отдельном каркасе, существенно уменьшаются габариты генератора.
Также исключение сопротивления смещения из конструкции позволило улучшить теплоотвод с мишени трубки, таким образом, существенно улучшилось охлаждение мишени и уменьшилось число контактирующих элементов электрической схемы, что привело к повышению надежности работы генератора по сравнению с прототипом.