Генератор нейтронов
NEUTRON GENERATOR

Изобретение относится к генераторам нейтронов и может быть использовано для нейтронного анализа веществ, материалов и изделий, нейтронной терапии, моделирования нейтронных полей термоядерных устройств.
Известен генератор нейтронов, содержащий запаянную ускорительную трубку, мишень которой подключена к источнику ускоряющего напряжения и окружена высоковольтной изоляцией, электроды источника ионов подключены к блокам питания, находящимся под нулевым потенциалом (Межотраслевая научно-технической конференция «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе». 2003 г., Москва, Россия, Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, с. 67).
Недостатком известного устройства является низкая плотность потока нейтронов на облучаемом образце из-за расположения высоковольтной изоляции между мишенью и образцом, низкая величина нейтронного потока из-за перегрева мишени пучком ионов.
Известен генератор нейтронов, включающий проводящий заземленный корпус, заполненный высоковольтным диэлектриком с расположенным в нем проводящим контейнером, источником ускоряющего напряжения, размещенным вне проводящего заземленного корпуса и подключенным к проводящему контейнеру через высоковольтный кабель и кабельный ввод, запаянной нейтронной трубкой, имеющей два ускоряющих промежутка, разделенных ускоряющим электродом, мишень которой электрически соединена с заземленным корпусом, корпус источника ионов размещен в объеме проводящего контейнера, а напряжения на ускоряющий электрод трубки подается с резисторов, включенных между проводящим заземленным корпусом и контейнером и образующих делитель (Авт. св. №1061687, МПК Н05Н 3/00, 23.05.1989).
Недостатками устройства являются значительные габариты и повышенное энергопотребление. Аналог имеет значительные габариты из-за того, что источник ускоряющего напряжения размещен в отдельном корпусе и в состав генератора входит высоковольтный кабель и два кабельных ввода. Аналог также имеет повышенное энергопотребление из-за того, что промежуточное напряжение на ускоряющий электрод трубки подается через делитель, в котором выделяется значительная мощность. Для обеспечения эффективного распределения напряжения между электродами трубки ток через делитель должен превосходить ток трубки и энергия, потребляемая делителем должна превосходить энергию, выделяемую в трубке. Таким образом, использование делителя увеличивает энергопотребление генератора нейтронов.
Известен генератор нейтронов, содержащий проводящий заземленный корпус, заполненный высоковольтным диэлектриком с расположенным в нем проводящим контейнером, запаянной нейтронной трубкой, мишень которой электрически соединена с заземленным корпусом, а корпус источника ионов размещен в объеме проводящего контейнера, источник ускоряющего напряжения, включенный между проводящим заземленным корпусом и проводящим контейнером (Патент РФ №2357387, МПК Н05Н 3/06, 27.05.2009). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая надежность. Нейтронная трубка является высоковольтным газоразрядным прибором. При ее эксплуатации, особенно на стадии высоковольтной тренировки, регулярно возникают высоковольтные пробои. Эти пробои могут возникать между источником ионов и ускоряющим электродом. В результате пробоя между источником ионов и ускоряющим электродом в образующемся разрядном канале, выделяется значительная часть энергии, запасенной в конструктивной емкости между проводящим заземленным корпусом и проводящим контейнером, находящимся под высоким положительным потенциалом. Такой пробой может приводить к повреждениям электродов и оболочки трубки и к выходу генератора нейтронов из строя. В результате пробоя между корпусом источника ионов и ускоряющим электродом все ускоряющее напряжение может быть приложено к зазору между ускоряющим электродом и мишенью, что приведет к его пробою и возможному выходу генератора из строя.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности генератора нейтронов.
Технический результат достигается за счет того, что генератор нейтронов содержит проводящий заземленный корпус, заполненный высоковольтным диэлектриком с расположенным в нем проводящим контейнером, запаянной нейтронной трубкой, имеющей два ускоряющих промежутка, разделенных ускоряющим электродом, мишень которой электрически соединена с заземленным корпусом, а корпус источника ионов размещен в объеме проводящего контейнера, источником ускоряющего напряжения, включенным между проводящим заземленным корпусом и проводящим контейнером. Генератор нейтронов отличается тем, что источник ускоряющего напряжения состоит из двух последовательно соединенных высоковольтных источников, выход первого из которых соединен с входом второго и соединен с ускоряющим электродом через высоковольтный резистор, а выход второго соединен через балластный резистор с проводящим контейнером, параллельно высоковольтному резистору, соединяющему первый источник с ускоряющим электродом, последовательно включены диод катодом к первому высоковольтному источнику и демпфирующий резистор, одновременно между ускоряющим электродом и проводящим заземленным корпусом включен конденсатор, а между проводящим контейнером и корпусом источника ионов включен токоограничивающий резистор.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлен генератор нейтронов, где 1 - проводящий заземленный корпус, 2 - высоковольтный диэлектрик, 3 - проводящий контейнер, 4 - запаянная нейтронная трубка, 5 - ускоряющий электрод запаянной нейтронной трубки, 6 - мишень запаянной нейтронной трубки, 7 - корпус источника ионов, 8 - источник ускоряющего напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных высоковольтных источников 9 и 10, R1 - высоковольтный резистор, R2 - демпфирующий резистор, R3 - балластный резистор, R4 - токоограничивающий резистор, VD - диод, С1 - конденсатор, С2 - конструктивный конденсатор, образованный проводящим контейнером 3 и проводящим заземленным корпусом 1.
Генератор работает следующим образом.
От источника ускоряющего напряжения 8 на корпус источника ионов 7 через последовательно соединенные балластный резистор R3 и токоограничивающий резистор R4 относительно проводящего заземленного корпуса 1 подается суммарное ускоряющее напряжение двух источников 9 и 10. Между корпусом источника ионов 7 и мишенью 6 запаянной ускорительной трубки 4 возникает ускоряющее электрическое поле. Проводящий контейнер 3 подключен к точке соединения резисторов R3 и R4. На ускоряющий электрод 5 запаянной нейтронной трубки 4 и конденсатор С1 подается напряжение первого источника 9 через высоковольтный резистор R1. Диод VD в этом случае закрыт. Ионы, возникающие в источнике ионов 7, ускоряются в электрическом поле двух зазоров: между источником ионов 7 и ускоряющим электродом 5, а затем между ускоряющим электродом 5 и мишенью 6. Ускоренные ионы попадают на мишень 6 нейтронной трубки и в результате ядерных реакций при взаимодействии ускоренных ионов с веществом мишени возникают нейтроны.
Нейтронная трубка, являясь высоковольтным электровакуумным устройством, допускает отдельные пробои, которые возникают не только во время высоковольтной тренировки, но и во время эксплуатации генератора нейтронов. Вероятным местом пробоя в трубке является зазор между корпусом источника ионов 7 и ускоряющим электродом 5. В результате такого пробоя заряд конструктивного конденсатора С2 стекает на корпус 1 по цепи: токоограничивающий резистор R4, корпус источника ионов 7, разрядный промежуток, ускоряющий электрод 5, конденсатор С1. При этом дополнительно заряжается конденсатор С1 и на нем возникает дополнительное напряжение и увеличивается вероятность пробоя зазора ускоряющий электрод 5 - мишень 6. Ток разряда ограничивается резистором R4 и в нем поглощается запасенная энергия конструктивного конденсатора С2 и, таким образом, уменьшается энергия, приводящая к повреждению электродов трубки и изолятора в области канала разряда. Величина дополнительного напряжения конденсатора С1 определяется соотношением емкостей С1 и С2. Чем больше емкость конденсатора С1, тем меньше дополнительное напряжение на нем и ускоряющем электроде 5 и меньше вероятность пробоя. Установка конденсатора С1 уменьшает дополнительное напряжение на ускоряющем электроде 5 и тем самым увеличивает надежность генератора. Дополнительное напряжение конденсатора С1 приводит к открыванию диода VD и стеканию дополнительного заряда на проводящий заземленный корпус 1 через демпфирующий резистор R2 и источник питания 9. Таким образом исключается возможность накопления дополнительного заряда на конденсаторе С1 и рост напряжения на ускоряющем электроде 5. Демпфирующий резистор R2 ограничивает ток через диод VD и подавляет колебания, возникающие в цепи питания ускоряющего электрода во время переходного процесса. Таким образом наличие конденсатора С1 и демпфирующего резистора R2 приводит к уменьшению напряжения на ускоряющем электроде 5 и тем самым увеличивает надежность генератора. В случае пробоя двух зазоров трубки одновременно: корпус источника ионов 7 - ускоряющий электрод 5 и ускоряющий электрод 5 - мишень 6, резисторы R1 и R3 ограничивают токи разряда источника ускоряющего напряжения 8 по двум цепям разряда и поглощают накопленную в нем энергию, тем самым уменьшая повреждения на электродах трубки и изоляторе.
Таким образом, генератор обладает повышенной надежностью за счет уменьшения вероятности пробоя зазора ускоряющий электрод 5 - мишень 6 за счет уменьшения дополнительного напряжения на ускоряющем электроде 5 и за счет уменьшения энергии, идущей на повреждение электродов и изолятора трубки в области канала разряда.