МИШЕНЬ НЕЙТРОННОЙ ТРУБКИ

Полезная модель относится к подклассу G21G - Международной Патентной Классификации «Преобразование химических элементов; источники радиоактивности», к группе G21G 4/02 - «источники нейтронов», а именно к изготовлению мишеней нейтронных трубок для генерации потоков нейтронов, и может быть использована при разработке генераторов нейтронов для исследования геофизических и промысловых скважин.
Известны мишени газонаполненных нейтронных трубок: Патент США №3963934, МПК: G21G 4/02, 1976, Патент США N 4935194, МПК: G21G 4/04, 1990. Патент Российской Федерации №2052849, G21G 4/02 1996 г.
Известна мишень нейтронной трубки для использования в скважинно-геофизической аппаратуре. На металлическую основу нанесена титановая пленка. Напыление производится на металлическую основу мишени, которая нагрета до 500-650°C. Патент Российской Федерации №2222064, МПК: G21G 4/02, 2004 г.
Известна мишень газонаполненной нейтронной трубки, в которой металл нанесен на мишень во время перерывов в работе генератора, насыщая ее дейтерием и тритием из газа, находящегося в объеме трубки. Патент Российской Федерации №2273118, МПК: G21G 4/02, 2006 г.
Известна составная мишень газонаполненной нейтронной трубки, содержащая несколько слоев. Патент Российской Федерации №2287196, МПК: G21G 4/02, 2006 г.
Известна мишень нейтронной трубки, содержащая подложку, на которую напылением нанесена скандиевая или титановая пленка адсорбента, в которой пленка адсорбента насыщена дейтерием до атомного отношения атомов дейтерия к атомам пленки адсорбента, удовлетворяющих условию η≥1,6, где: η - отношение атомов дейтерия к атомам пленки сорбента. Патент Российской Федерации на полезную модель №64811, МПК: G21G 4/02, 2007 г. Прототип.
Недостатком известных мишеней аналогов и прототипа является высокая интенсивность вторичной ионно-электронной эмиссии, сопровождающей облучение самой мишени ионами дейтерия.
Техническим результатом полезной модели является снижение мощности потребляемой трубкой вследствие подавления вторичной ионно-электронной эмиссии, увеличение потока нейтронов и увеличение ресурса мишени.
Технический результат достигается тем, что на мишени нейтронной трубки, покрытой слоем сорбента и насыщенной изотопом водорода, на поверхности мишени или сорбента сформирован рельеф с характерным размером (например, радиусом) элементов (выступов, каналов) от нескольких нанометров до нескольких микрометров и отношением характерной высоты (глубины) элемента к расстоянию между ними более 5. Данное отношение называют аспектным отношением.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1-4.
На Фиг. 1 схематично представлена мишень нейтронной трубки, где: 1 - подложка, 2 - слой сорбента, 3 - микрорельеф.
На Фиг. 2 показана экспериментальная зависимость плотности тока эмиссии углеродных нанотрубок (УНТ) от среднего расстояния между УНТ.
На Фиг. 3 представлена зависимость амплитуды ускоряющего напряжения от напряжения источника ионов вакуумной нейтронной трубки.
На фиг. 4 показаны нагрузочные характеристики и КПД трансформатора.
Сформированный микрорельеф 3 поверхности мишени в направлении движения пучка ионов приводит к пропорциональному уменьшению поверхностной плотности заряда, переносимого ионным пучком, тепловой разгрузке мишени, подавлению вторичной ионной эмиссии с мишени.
Механизм подавления вторичных электронов при помощи микрорельефа 3 поверхности мишени заключается в следующем: вторичные электроны, вылетевшие с поверхности мишени, ударяются о стенки микрорельефа 3, формируют «третичные» электроны с еще меньшей энергией, которые в свою очередь опять попадают на стенки микрорельефа 3 и уже полностью теряют свою энергию. Таким образом, вторичные электроны, вылетевшие с поверхности микрорельефа 3, многократно попадают на стенки микрорельефа 3, теряют энергию и не могут покинуть бомбардируемую поверхность.
При малых аспектных отношениях микрорельеф поверхности мишени 3 может, напротив, способствовать увеличению автоэлектронной эмиссии при провисании поля в области мишени. Максимум автоэлектрониой эмиссии достигается при аспектном отношении, равном 0,5, т.е. когда расстояние между элементами микрорельефа поверхности мишени равно их удвоенной высоте. А.В. Елецкий, Холодные полевые эмиттеры на основе углеродных нанотрубок. Успехи физических наук Т180, №9, стр 897-930, 2010.
На фиг. 2 изображен график зависимости плотности тока эмиссии массива углеродных нано трубок (УНТ) от среднего расстояния между УНТ. График был построен для УНТ высотой 1 мкм, рост автоэлектрониой эмиссии начинается при расстоянии между отдельными трубками 0.2 мкм, аспектное отношение при этом равно 5. При больших аспектных отношениях микрорельефа, ток автоэлектронной эмиссии будет стремиться к нулю, что позволит использовать рельеф мишени в качестве инструмента для подавления вторичных электронов. Подавление вторичной электронной эмиссии и вторичной ионно-электронной эмиссии наиболее эффективно при аспектном отношении микрорельефа поверхности мишени равном 5.
Бомбардировка поверхности мишени ускоренными ионами приводит к нагреву слоя сорбента содержащего изотоп водорода, это приводит к обеднению активного слоя сорбента мишени. Плотность теплового потока передаваемого мишени обратно пропорционально площади поверхности мишени. Увеличение площади поверхности путем создания микрорельефа на поверхности мишени снижает количество частиц, падающих на единицу площади, и уменьшает нагрев слоя сорбента. Увеличение ресурса работы мишени достигается снижением тепловой нагрузки на слой сорбента, насыщенного изотопом водорода.
2
8
-4
Двигаясь вдоль поверхности, покрытой адсорбированным тритием, дейтрон, не теряя энергии на неупругие соударения в объеме мишени, с гораздо большей вероятностью вступает в реакцию синтеза (срыва) с тритием. Однако, для того, чтобы вероятность попадания дейтрона на боковую поверхность микрорельефа 3, а не на его плоскую часть, была близка к единице, необходимо, чтобы плотность подобных элементов поверхности была близка к плотности потока падающих дейтронов. Для нейтронных трубок, используемых в геофизических генераторах нейтронов, на поверхность мишени площадью порядка 1 см одновременно падает порядка 10 дейтрон, поэтому и плотность элементов рельефа должна быть того же порядка или характерный размер порядка 10 см, т.е. лежать в микрометровом диапазоне.
На фиг. 3 изображены экспериментально полученные зависимости амплитуды ускоряющего импульса от зарядного напряжения в источнике ионов. Эти зависимости сняты для трубок с различными мишенями - обычной и с развитым микрорельефом, образованном неупорядоченной системой нитевидных кристаллов (вискеров), на которую нанесен слой сорбента. Аспектное отношение для данного микрорельефа больше 5.
С ростом напряжения на источнике ионов возрастает ток через трубку, который в свою очередь приводит к формированию тока вторичных электронов, превышающих ток ионов в 4 раза при ускоряющем напряжении порядка 100 кВ. Суммарный ток трубки создает нагрузку на цепь формирования ускоряющего импульса, что приводит к снижению его амплитуды, а следовательно, и выхода нейтронов. На фиг. 3 отчетливо видно, что в трубке с развитым микрорельефом падение амплитуды ускоряющего импульса существенно меньше. Для количественной оценки степени подавления вторичной ионно-электронной эмиссии следует использовать нагрузочную характеристику высоковольтных импульсных
трансформаторов. На фиг. 4 приведены графики нагрузочных характеристик для разных нагрузочных емкостей, т.е. зависимости амплитуды импульса ускоряющего напряжения от нагрузочного сопротивления, показаны так же и зависимости КПД трансформаторов.
Как видно из фиг. 4, нагрузочные характеристики пологие. Ток ионов через трубку порядка 1 А, тогда суммарный ток будет равен 5 А, сопротивление при таких токах равно 60 и 12 кОм. В этом случае амплитуда импульса ускоряющего напряжения в соответствии с нагрузочной характеристикой изменяется примерно на 16%, что соответствует данным графика рис. 3.
Микрорельеф 3 может быть сформирован как на поверхности слоя сорбента 2 - активного слоя мишени (титан, цирконий, эрбий и т.д.), так и на подложке 1 с последующим нанесением слоя сорбента 2.
Существуют различные способы формирования микрорельефа 3: механический, ионно-плазменный, лазерный и др. Среди наиболее известных примеров структур с подобным микрорельефом можно упомянуть микроканальные пластины, используемые в электронно-оптических преобразователях. Большие значения аспектного отношения достигнуты так же на неупорядоченных структурах нитевидных кристаллов кремния, выращенных на одной подложке 1 по методу «пар-жидкость-кристалл».