ИМПУЛЬСНЫЙ НЕЙТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
PULSE NEUTRON GENERATOR

Изобретение относится к устройствам импульсных излучателей-генераторов разовых или многоразовых импульсов нейтронного и рентгеновского излучения.
Известно устройство для импульсного нейтронного каротажа скважин, состоящее из наземной аппаратуры временного анализа импульсов, блока управления и питания и скважинного прибора, содержащего импульсный источник быстрых нейтронов, выполненный на ускорительной трубке с мишенью, схему управления источником нейтронов, источник питания, Патент Российской Федерации №447097, МПК: G01V 5/10, 1972 (опубликован в 2000 г.). Устройство нестабильно и ненадежно в работе, громоздко.
Известен импульсный нейтронный генератор на вакуумной нейтронной трубке, содержащий блок трубки (БТ) в виде металлического корпуса, залитого жидким диэлектриком, в котором расположена нейтронная трубка с ее схемой питания, блок коммутации (БК) со схемой формирования ускоряющего импульса, блока электроники (БЭ). Сборник материалов, Межотраслевая научно-техническая конференция «ПОРТАТИВНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НЕЙТРОНОВ И ТЕХНОЛОГИИ НА ИХ ОСНОВЕ», Москва, Россия, Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л.Духова, с.74. 2004. В качестве прототипа выбран серийно выпускаемый генератор ИНГ-10IT. Прототип не пригоден к длительной работе в жестких температурных условиях.
Задачей изобретения является разработка компактного, легкого, прочного и стойкого к воздействию широкого температурного диапазона окружающей среды от -55°С до +70°С при космическом перелете импульсного нейтронного генератора (ИНГ). ИНГ должен работать в условиях сухой и разреженной атмосферы при давлении - 1500 Па (15 мбар или 11 мм рт.ст.), содержании СО - 95%, суточных и сезонных колебаниях температуры от -40°С до +70°С.
Техническим результатом изобретения является повышение интенсивности, снижение габаритов, повышение стабильности и стойкости к воздействию широкого температурного диапазона окружающей среды от -55°С до +70°С при космическом перелете.
Технический результат достигается тем, что в импульсном нейтронном генераторе, содержащем блок трубки в виде металлического корпуса, залитого жидким диэлектриком, в котором расположена нейтронная трубка с ее схемой питания, блок коммутации со схемой формирования ускоряющего импульса, блок электроники, блок электроники содержит фильтр питания, схему включения/выключения питания, схему формирования импульса управления, блок коммутации содержит повышающий трансформатор с выпрямителями источника питания блоков коммутации и нейтронной трубки, схему формирования импульса поджига коммутатора, делитель зарядного напряжения в цепи обратной связи и коммутатор, блок нейтронной трубки содержит схему формирования ускоряющего импульса напряжения на нейтронную трубку, схему питания ионного источника нейтронной трубки, схему формирования импульса поджига нейтронной трубки и нейтронную трубку, корпус генератора выполнен в виде монолитного параллелепипеда, в котором с торца по краям размещены два цилиндрических герметичных канала, соединенные между собой с помощью отверстий, в одном канале установлена нейтронная трубка с высоковольтными трансформаторами и схемой питания ионного источника, в другом коммутирующий элемент с накопительным конденсатором и схемой запуска коммутирующего элемента, а между каналами выполнена негерметичная П-образная полость, в которой размещен блок питания и управления, подключенный к схеме питания нейтронной трубки и схеме формирования импульса запуска коммутатора через герметичные проходные изоляторы. Импульсный нейтронный генератор снабжен системой термокомпенсации, соединенной с каналами, ось которой расположена перпендикулярно оси каналов.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 схематично представлено разбиение импульсного нейтронного генератора на функциональные блоки.
На фиг.2 схематично представлен продольный разрез импульсного нейтронного генератора, где: 1 - металлический корпус выполнен из алюминиевого сплава, 2 - компенсатор, 3 - два цилиндрических герметичных канала (герметичные полости), 4 - П-образная полость, 5 - нейтронная трубка, 6 - высоковольтный трансформатор (+), 7 - высоковольтный трансформатор (-), 8 - дроссель, 9 - конденсатор источника, 10 - коммутатор, 11 - накопительный конденсатор, 12 - силовой трансформатор, 13 - трансформатор, управляющий коммутатором, 14 - плата формирования импульса поджига, 15 - плата выпрямителя, 16 - фильтр питания, 17 - схема включения/выключения, 18 - схема формирования импульса управления, 19 - гальваническая развязка вторичных источников питания, 20 - стабилизатор низковольтный вторичных источников питания, 21 - автогенератор управления, 22 - схема контроля, 23 - элементы крепления, 24 - пружина компенсатора, 25 - металлический сильфон, 26 - пружинные элементы.
Генератор выполнен в виде трех функциональных блоков (фиг.1): блока трубки БТ, блока коммутации БК и блока электроники БЭ. Каждый блок размещен в отдельной полости. Полости 3 БТ и БК герметичны и залиты жидким диэлектриком. П-образная полость 4 БЭ негерметична и заполнена эластичным компаундом.
Полость БТ расположена в нижней части корпуса 1 и включает нейтронную трубку 5 и высоковольтную часть схемы ее питания, обеспечивающую ускоряющее напряжение (высоковольтные трансформаторы 6, 7, дроссель 8, конденсатор источника ионов 9).
П-образная полость 4 БК расположена в «верхнем» цилиндре, в котором размещены элементы блока коммутации (коммутатор 10, силовой трансформатор 12, трансформатор 13, управляющий коммутатором 10, платы формирования импульса поджига 14, платы выпрямителя 15, накопительный конденсатор 11 высоковольтной схемы питания).
Герметичные полости 3 соединены между собой по торцам поперечными каналами, образуя замкнутый герметичный контур с общей системой термокомпенсации, обеспечивающий использование жидкого диэлектрика в качестве теплоносителя. Таким образом улучшается теплопередача от внутренних источников энергии во внешнюю среду. Все элементы механически соединены между собой и закреплены с одной стороны к корпусу 1, а с другой стороны имеют пружинный элемент 26 для компенсации температурного изменения длины. Для обеспечения электрической прочности блок трубки и блок коммутации залиты жидким диэлектриком. Для компенсации температурного изменения объема жидкого диэлектрика применен компенсатор 2. Компенсатор 2 включает металлический сильфон 25 и пружину компенсатора 24, которая через дно сильфона создает постоянное давление в герметичных полостях 3 не менее 1 атмосферы, а пружинные элементы 25 обеспечивают стабильную работу в жестких климатических условиях и при механических нагрузках.
Перпендикулярное расположение оси компенсатора 2 по отношению к осям цилиндрических герметичных каналов 3 позволяет использовать стандартный металлический сильфон 25 с большой эффективной площадью.
П-образная полость 4 БЭ расположена в средней части корпуса 1. В ней размещены две платы с SMD компонентами (схема включения/выключения 16, схема формирования импульса управления, трансформатор гальванической развязки 18, стабилизированный низковольтный источник питания 19, автогенератор управления 20, схема контроля 21, элементы крепления 23). Для обеспечения стойкости к механическим и климатическим воздействиям эта полость залита эластичным компаундом. П-образная полость 4 БЭ электрически соединена с цилиндрическими герметичными каналами 3 через проходные керамические изоляторы 22. Электрическое соединение исполнено соединителями типа MDM 25 DB 9, расположенными на торцевой части корпуса 1.
В качестве жидкого диэлектрика в ИНГ использовано масло ТКп, имеющее хорошие диэлектрические свойства. Одним из наиболее подходящих жидких диэлектриков является кремнийорганическая жидкость ПФМС-2/5 Л, обладающая аналогичными с маслом ТКп диэлектрическими свойствами (50 кВ/2,5 мм) и коэффициентом объемного расширения. Для компенсации усадки резины в процессе эксплуатации и обеспечения герметичности в процессе тепловых и механических воздействий резиновые уплотнения поджаты пружиной.
7
Устройство обеспечивает генерацию нейтронных импульсов с выходом 10 н/имп. Частота следования импульсов до 10 Гц. Габаритные размеры 330×120×43 мм, масса 2.8 кг. Данный импульсный нейтронный генератор может длительно в течение нескольких лет работать в открытом космосе при исследовании планет Солнечной системы нейтронными методами.
На фильтр питания 16 подают внешнее напряжение. При поступлении разрешающего сигнала начинают работать все источники питания импульсного нейтронного генератора, заряжаются накопительные конденсаторы 9, 11 схемы питания нейтронной трубки 5. Управляющий импульс прикладывается к поджигающему зазору коммутатора 10, который переходит в проводящее состояние и формирует положительный и отрицательный ускоряющие импульсы и импульс тока через ионный источник нейтронной трубки 5.
1
1
2
2
3
4
Образовавшиеся ионы дейтерия ускоряются и бомбардируют мишень нейтронной трубки 5, где в результате реакции Н+Н→Не+n образуются нейтроны с энергией 14 МэВ.