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 быстрый выход из строя ионного источника трубки и малый срок службы трубки из-за отсутствия системы подавления токов вторичной электронной эмиссии, возникающей в результате бомбардировки мишени трубки ионами дейтерия.
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 мишени. 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 ковара 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 цилиндров корпуса относительно друг друга. В местах спая стекла с острой кромкой ковара имеются «воздушные пузыри», как отдельные включения, так и в виде цепочек, из за чего появляется большая напряженность электрического поля. При срабатывании трубки с мест наибольшей напряженности возникают коронные разряды, особенно с «воздушных пузырей».
Для стабильной работы трубки в нейтронном генераторе необходимо введение сопротивления смещения, намотанного проводом с высоким удельным электрическим сопротивлением, металлического экрана.
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов нейтронной трубки, упрощение ее изготовления, повышение надежности, ресурса работы.
Технический результат достигается тем, что в вакуумной нейтронной трубке, содержащей внутри вакуумно-герметичного изоляционного корпуса мишенный электрод с мишенью, насыщенной тяжелым изотопом водорода, управляемый трехэлектродный источник ионов с анодным, катодным и поджигающим электродами, а также средства поддержания рабочего давления, вакуумно-герметичный корпус нейтронной трубки выполнен в виде цилиндра из изоляционного материала, вакуумно-герметично присоединенного с одной стороны к анодному, а с другой – к мишенному электродам, на внутренней стороне мишенного электрода расположен электропроводящий цилиндр с экранирующей сеткой высокой прозрачности, механически и электрически с ним связанной, а с наружной стороны мишенного электрода соосно расположен кольцеобразный постоянный магнит из двух разнополюсных полуколец, формирующий поперечное относительно оси трубки магнитное поле.
Сущность изобретения поясняется на чертеже, где:
1 – корпус;
2 – управляемый 3-электродный искровой ионный источник
3 – катод;
4 – поджигающий электрод;
5 – анод;
6 – газопоглотители;
7 – мишенный электрод;
8 – мишень;
9 – постоянный магнит;
10 – электропроводящий цилиндр;
11 – экранирующая сетка.
Вакуумная нейтронная трубка состоит из вакуумно-герметичного корпуса 1, выполненного в виде цилиндра из изоляционного материала. В корпусе 1 размещены трехэлектродный источник ионов 2 с катодом 3, поджигающим электродом 4, анодом 5, средства поддержания рабочего давления – газопоглотители 6, мишенный электрод 7 с мишенью 8. Корпус 1 вакуумно-герметично соединен через втулки из ковара с помощью пайки с анодным электродом 5 ионного источника и мишенным электродом 7. В качестве изоляционного материала корпуса 1 может быть использована вакуумно-плотная керамика или стекло. На внутренней стороне мишенного электрода установлен полый электропроводящий цилиндр 10 с экранирующей сеткой 11 с высокой прозрачностью, механически и электрически с ним связанной, а так же мишень 8. С наружной стороны мишенного электрода соосно расположен кольцеобразный постоянный магнит 9 из двух разнополюсных полуколец, формирующий поперечное относительно оси трубки магнитное поле.
Для обеспечения необходимого вакуума в объеме корпуса трубки 1 служат газопоглотители 6.
Нейтронная трубка работает следующим образом.
На анод 5 подается напряжение постоянного тока, недостаточное для пробоя вакуумного промежутка, но создается «предпробойная» напряженность электрического поля.
При подаче на поджигающий электрод 4 высоковольтного импульса (5–15 кВ) между катодом 3 и поджигающим электродом 4 происходит «пробой». Область между анодом 5 и катодом 3 ионизируется, вследствие чего резко снижается электрическая прочность промежутка «анод – катод», что приводит к загоранию дугового разряда. В результате рабочий газ (дейтерий) десорбируется из анода 5 и катода 3. Образовавшаяся плазма движется в выходному отверстию анодного электрода 5 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.
Ток вторичных электронов является паразитным и может составлять существенную часть суммарного разрядного тока, снижая ресурс работы нейтронной трубки. Для того чтобы образующиеся вблизи мишени 7 вторичные электроны не доходили до электродов ионного источника 2, на торец мишенного электрода 4 установлен постоянный магнит 9. Постоянный магнит 9 может быть встроен в мишенный электрод 8. Выбиваемые из мишени 7 вторичные электроны попадают в эквипотенциальный объем, образованный электропроводящим цилиндром10 с экранирующей сеткой11 и мишенью 7, и возвращаются магнитным полем на мишень, что предотвращает их попадание в ускорительный промежуток.
Благодаря такому техническому решению, существенно упрощается конструкция нейтронной трубки из-за отсутствия антидинатронной сетки и сеточного электрода на корпусе, уменьшается ее длина, осевое смещение электродов, их количество. Кроме того, надежность работы предложенной нейтронной трубки должна быть выше, чем у прототипа, поскольку уменьшилось число вакуумно-герметичных спаев ковара с изоляционным материалом.
Эффективность предлагаемого технического решения была проверена в результате сравнительных испытаний на одних и тех же вакуумных нейтронных трубках. Был проведен эксперимент 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.