Импульсный нейтронный генератор

Полезная модель относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначено для использования при разработке нейтронных и рентгеновских генераторов.
Известен малогабаритный генератор нейтронов, содержащий нейтронную трубку и высоковольтный источник напряжения питания, выполненный на накопительном конденсаторе, включенном между высоковольтным источником питания и первичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора (в случае биполярного питания нейтронной трубки - между первичными обмотками высоковольтных импульсных трансформаторов). Геофизическая аппаратура. Недра, вып. 43, 1970. - С. 132-146. Однако этот генератор нейтронов имеет большие габариты и малый ресурс работы.
Известен импульсный нейтронный генератор, содержащий размещенные коаксиально в общем корпусе нейтронную трубку, накопительный конденсатор и высоковольтный трансформатор с многорядной вторичной обмоткой, выполненной на каркасе в виде полого цилиндра из феррита с металлическим дном, с межрядной изоляцией, выступающей за пределы рядов и уложенной послойно на металлическое дно каркаса, электрически соединенное с концом вторичной обмотки трансформатора и с мишенной частью нейтронной трубки. Авторское свидетельство СССР №1158023, МПК Н05Н 5/00, 30.04.1994.
При коаксиальном расположении нейтронной трубки и высоковольтного трансформатора магнитное поле внутри диэлектрического каркаса отрицательно влияет на работу нейтронной трубки, а именно приводит к увеличению числа разрядов внутри нейтронной трубки и уменьшению интегрального выхода нейтронов.
При таком взаимном расположении обмоток трансформатора и корпуса генератора КПД высоковольтного трансформатора не высок, так как обмотки трансформатора намотаны на разомкнутом ферромагнитном сердечнике.
Кроме того, такое взаимное расположение обмоток трансформатора и корпуса отрицательно влияет на КПД высоковольтных трансформаторов, так как корпус образует «короткозамкнутый виток» по отношению к обмоткам высоковольтного трансформатора. Для уменьшения влияния корпуса на параметры высоковольтного трансформатора между ними установлены экраны из ферромагнитного материала достаточно большой толщины.
Известен также импульсный нейтронный генератор, содержащий размещенные в герметичном корпусе, залитом жидким диэлектриком, нейтронную трубку, накопительный конденсатор, дроссель и высоковольтный трансформатор. Высоковольтный трансформатор выполнен на замкнутом сердечнике из электротехнической стали, продольные оси обмоток трансформатора расположены перпендикулярно продольным осям нейтронной трубки и корпуса. Патент на изобретение RU 2603016, МПК Н05Н 3/06, 20.11.2016. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
В известном генераторе эффект «короткозамкнутого витка» устранен за счет перпендикулярного расположения продольных осей обмоток высоковольтного трансформатора и корпуса, и КПД трансформатора повышен за счет замкнутого магнитопровода из электротехнической стали.
Однако при длительной работе генератора и выработке ресурса иногда происходит несрабатывание источника нейтронной трубки. Сопротивление нейтронной трубки в таком режиме составляет сотни МОм, при этом возникает режим «холостого хода» высоковольтного трансформатора, а напряжение на его вторичной обмотке достигает величины от 200 до 220 кВ.
Для исключения электрического пробоя необходимо или создавать мощную изоляцию, что увеличивает габаритно-массовые характеристики генератора, или уменьшать амплитуду ускоряющего напряжения, что приводит к снижению выхода нейтронов.
Техническим результатом полезной модели являются повышение стабильности, срока службы генератора при минимальных габаритах.
Технический результат достигается тем, что в импульсном нейтронном генераторе, содержащем размещенные в герметичном корпусе, залитом жидким диэлектриком, нейтронную трубку, накопительный конденсатор, дроссель и высоковольтный трансформатор с многорядной вторичной обмоткой с многослойной бумажно-пленочной изоляцией, выполненный на замкнутом магнитопроводе, имеющем два сердечника и два ярма из электротехнической стали, выход вторичной обмотки соединен с чашеобразным экраном и расположенной в нем вакуумной нейтронной трубкой, продольные оси обмоток трансформатора расположены перпендикулярно продольным осям нейтронной трубки и корпуса, первичная и вторичная обмотки высоковольтного трансформатора выполнены на одном сердечнике замкнутого магнитопровода, а на другом сердечнике выполнена еще одна высоковольтная обмотка, намотанная проводом с высоким удельным сопротивлением, соединенная с чашеобразным экраном и началом вторичной обмотки и корпусом.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где: 1 - металлический корпус, 2 - нейтронная трубка, 3 - высоковольтный трансформатор, 4 - ярма замкнутого магнитопровода, 5 - сердечники замкнутого магнитопровода, 6 - первичная обмотка, 7 - вторичная многорядная обмотка, 8 - дополнительная высоковольтная обмотка из провода с высоким удельным сопротивлением, выполняющая функции нагрузочного сопротивления, 9 - бумажно-пленочная изоляция, 10 - конденсатор источника питания нейтронной трубки, 11 - дроссель, 12 - накопительный конденсатор, 13 - чашеобразный металлический экран, 14 - крышка генератора, 15 - температурный компенсатор, 16 - герметичный проходной изолятор.
На фиг. 1 представлен продольный разрез импульсного нейтронного генератора.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез А-А, где H1 - начало, а К1 - конец первичной обмотки высоковольтного трансформатора, Н2 - начало, а К2 - конец вторичной обмотки высоковольтного трансформатора; Н нагр. - начало, а К нагр. - конец дополнительной обмотки высоковольтного трансформатора, выполняющей функции нагрузочного сопротивления.
Величина сопротивления дополнительной обмотки выбирается из расчета величины от 25 до 30 кОм, т.е. сопротивление несколько больше, чем сопротивление нейтронной трубки при срабатывании ионного источника. Величина сопротивления трубки при срабатывании составляет от 10 до 15 кОм.
Генератор выполнен по схеме включения нейтронной трубки с заземленным источником.
Генератор размещен в герметичном металлическом корпусе 1, залитом жидким диэлектриком, внутри которого установлена нейтронная трубка 2, импульсный высоковольтный трансформатор 3 на замкнутом магнитопроводе. Замкнутый магнитопровод имеет два ярма 4 и два сердечника 5 выполненные из пластин электротехнической стали.
На одном сердечнике 5 симметрично относительно его торцов расположена первичная обмотка 6, а поверх первичной - вторичная многорядная обмотка 7, намотанные проводом ПЭВ с многослойной бумажно-пленочной изоляцией 9. На другом сердечнике наматывается дополнительная обмотка 8 проводом ПЭВ НХ с высоким удельным сопротивлением. Величина сопротивления дополнительной обмотки составляет от 25 до 30 кОм, то есть приблизительно в два раза больше сопротивления нейтронной трубки в момент срабатывания источника. Начало Н2 вторичной многорядной обмотки 7, начало Ннагр. дополнительной 8 и начало HI первичной 6 обмоток соединены с металлическим корпусом 1 генератора и катодом К нейтронной трубки 2. Конец К2 вторичной многорядной обмотки 7 и конец Кнагр. дополнительной обмотки 8 соединены с чашеобразным металлическим экраном 13 и мишенью М нейтронной трубки 2.
Обмотки 6, 7, 8, наматываются в одном технологическом процессе проводом ПЭВ и ПЭВ НХ совместно с бумажно-пленочной изоляцией 9.
Продольные оси обмоток высоковольтного трансформатора расположены перпендикулярно оси нейтронной трубки 2 и оси корпуса нейтронного генератора 1. Благодаря такому расположению обмоток высоковольтного трансформатора по отношению к корпусу, отсутствует эффект «короткозамкнутого витка», обусловленный близостью корпуса.
Внутри корпуса 1 размещены конденсатор питания ионного источника нейтронной трубки 10, разделительный дросель 11, накопительный конденсатор 12.
Для обеспечения электрической прочности генератор залит жидким диэлектриком. На крышке генератора 14 установлен температурный компенсатор 15 и высоковольтный герметичный проходной изолятор 16.
В качестве жидкого диэлектрика в генераторе использовано трансформаторное масло ТКП.
Генератор работает следующим образом.
При подаче импульса запуска на управляющий электрод коммутатора (на чертеже не показан) происходит разряд накопительного конденсатора 12 на первичную обмотку 6 импульсного высоковольтного трансформатора 3.
На вторичной обмотке 7 трансформатора формируется импульс напряжения положительной полярности амплитудой от 100 до 120 кВ и передается через чашеобразный металлический экран 13 на мишенный электрод М нейтронной трубки 2. Одновременно ионный источник нейтронной трубки 2 производит ионы дейтерия, которые ускоряются в направлении мишени. При бомбардировке мишени нейтронной трубки 2 ионами дейтерия в результате ядерной реакции T(d, n) Не4 образуются нейтроны.
При работе генератора в штатном режиме дополнительная обмотка 8 не оказывает влияния на формирование ускоряющего напряжения, так как основная обмотка имеет на порядок меньшее сопротивление. При работе генератора в то время, когда источник ионов нейтронной трубки не срабатывает, режим «холостого хода» высоковольтного трансформатора отсутствует, так как вторичная обмотка подключена к параллельной дополнительной обмотке с высоким сопротивлением, т.е. к нагрузке величиной от 25 до 30 кОм, что приводит к стабилизации напряжения на вторичной обмотке высоковольтного трансформатора, стабилизации нейтронного выхода и увеличению срока службы генератора.
Благодаря такому техническому решению по расположению обмоток трансформатора 3 на сердечниках 5 замкнутого магнитопровода, высоковольтная обмотка 7 формирует импульс ускоряющего напряжения, дополнительная обмотка 8 выполняет функцию нагрузки при несрабатывании ионного источника нейтронной трубки.
Таким образом, стабилизируется напряжение на вторичной обмотке высоковольтного трансформатора 3, что приводит к стабилизации нейтронного выхода и увеличению срока службы генератора при минимальных габаритах.