ГАЗОНАПОЛНЕННАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА С ИСТОЧНИКОМ ПЕННИНГА С ТЕРМОКАТОДОМ

Полезная модель относится к ускорительным трубкам для получения нейтронов при проведении неразрушающего элементного анализа вещества и проведения физических исследований нейтронно-радиационными методами. Известны нейтронные трубки с ионным источником Пеннинга с термокатодом, выполненные в виде герметичной колбы, состоящей из металлостеклянной оболочки и металлостеклянной или металлокерамической ножки, в которой расположены мишень, ионнооптическая система, источник ионов и генератор рабочего газа, служащий и газопоглотителем остаточных газов. P.O.Howkins, Rev.Sci.Instr., 31,3,241(1960). Academia R.P.R., Bucharest, Institutul de Fisica Atomics, 1967, 46p, Dep.
Ионный источник Пеннинга с термокатодом содержит катод с вольфрамовой спиралью, разогреваемой при работе нейтронной трубки до температуры ~2100°С, что обеспечивает быстрое (~1 мкс) зажигание газового разряда; антикатод с отверстием для выхода ионов в ионнооптическую систему трубки; анод; генератор газа и магнит. На анод ионного источника Пеннинга с термокатодом подают постоянное или импульсное напряжение амплитудой около 200 В.
Средние токи, пропускаемые через ионнооптическую систему нейтронной трубки с термокатодом, около 350 мкА. Потребляемая мощность трубок строго не лимитируется и составляет 50-55 Вт. При работе трубок с ионным источником Пеннинга с термокатодом из-за выделения катодом дополнительного тепла (потребляемая катодом мощность 10-15 Вт), протекает нежелательный процесс выделения остаточных газов (азота, кислорода, окислов углерода и азота, карбидов) из деталей нейтронной трубки. За счет разбавления рабочего газа остаточными газами снижается электрическая прочность трубки, уменьшается нейтронный поток (за счет
8
набивки мишени остаточными газами) и уменьшается ресурс работы (за счет снижения нейтронного потока при наработке до уровня ~5.10 н/с).
3
4
Известна нейтронная трубка представляющая собой миниатюрный линейный ускоритель ионов, с одной стороны которого расположен ионный источник, а с другой - мишень. Генерация нейтронов происходит в результате реакции (d,n) при бомбардировке ускоренными ионами мишени. Получаемые при этом нейтроны имеют энергию 2,5 МэВ для реакции D(d,n)He и 14 МэВ для реакции T(d,n)He и излучаются изотропно в угол 4π относительно мишени. Нейтронная трубка ГНТ1-32 имеет три основных узла: ионный источник, ионнооптическая система, мишенный узел. В качестве ионного источника в трубке ГНТ1-32 применяется ионный источник типа Пеннинга с холодным катодом. Рабочий газ (дейтерий либо смесь дейтерия и трития) содержится в натекателе. На анод ионного источника подается модуляционное напряжение с частотой следования f от 400 Гц до 10 кГц с длительностью τ от 100 до 20 мкс соответственно.
8
Ионы в источнике образуются в результате газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. Ионы рабочего газа ускоряются в ускоряющем промежутке трубки и бомбардируют мишень, где и происходят ядерные реакции, рождающие нейтроны. Благодаря применению смеси газов Д и Т происходит постоянное восстановление свойств мишени, что обеспечивает постоянство нейтронного потока ~1,0×10 н/с на протяжении всего ресурса работы трубки. Сборник материалов межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе». М.: ВНИИА, 2003. С.12.
Известен генератор нейтронов в герметичной трубке, который содержит герметичную оболочку, источник ионов Пеннинга, источник газа (натекатель), ускоряющий электрод и мишень. Источник ионов Пеннинга и ускоряющий электрод расположены в газонепроницаемой оболочке, источник газа закреплен в камере в газонепроницаемой оболочке. Блок вывода и фокусировки ионного пучка расположен между источником ионов
Пеннинга и ускоряющим электродом. Генератор содержит газопоглотитель, закрепленный в камере для источника газа. Патент Российской Федерации №2199136, МПК: Н05Н3/06, 2003 г. Прототип.
Данная полезная модель исключает указанные недостатки.
Техническим результатом полезной модели являются: повышение электрической прочности ионнооптической системы трубки с ионным источником Пеннинга и горячим катодом, увеличение нейтронного потока и ресурса.
Технический результат достигается тем, что в газонаполненной нейтронной трубке с ионным источником Пеннинга с термокатодом, выполненной в виде герметичной колбы, содержащей металлостеклянную оболочку и ножку металлостеклянную или металлокерамическую, в которой расположены мишень, ионнооптическая система, источник ионов, генератор рабочего газа и газопоглотитель, газопоглотитель содержит встроенный подогреватель и выполнен в виде таблетки из спеченного мелкозернистого порошка титана толщиной массой от 100 до 300 мг.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично представлен поперечный разрез устройства, где: 1 - металлостеклянная оболочка, 2 - металлокерамическая ножка, 3 - мишень, 4 - ионнооптическая система, 5 - источник ионов, 6 - генератор газа (натекатель), 7 - катод, 8 - антикатод с отверстием для выхода ионов в ионнооптическую систему, 9 - анод, 10 - магнит, 11 - катод с вольфрамовой спиралью, 12 - подогревный газопоглотитель.
Устройство работает следующим образом.
Через термокатод с вольфрамовой спиралью 11 ионного источника 5 пропускают электрический ток величиной 2А при напряжении порядка 6 В. Термокатод с вольфрамовой спиралью 11 излучает термоэлектроны и обеспечивает при подаче на анод 9 напряжения 200 В электронный ток величиной около 20 мА. Одновременно с включением термокатода с вольфрамовой спиралью 11 на термогазопоглотитель 12 подают напряжение
величиной порядка 7 В (ток протекающий через термогазопоглотитель 12 составляет величину порядка 0,45 А), что обеспечивает температуру термогазопоглотителя 12 в виде титановой втулки порядка 700°С.
-2
На анод 9 источника ионов 5 подают модуляционные импульсы амплитудой 200 В, длительностью 20 мкс и частотой следования импульсов 10 кГц (этот режим наиболее благоприятен при проведении радиационного анализа вещества). Магнитное поле, образуемое магнитом 10 с магнитной индукцией 40-60 мТл, обеспечивает в рабочей области источника ионов 5 осцилляцию (по спиралеобразным траекториям) от антикатода 8 с отверстием для выхода ионов в ионнооптическую систему к катоду 7 электронов, рождаемых термокатодом с вольфрамовой спиралью 11. При пропускании через генератор газа (натекатель) 6 тока порядка 0,2-0,3 А, из генератора выделяются тритий и дейтерий, осциллирующие электроны, взаимодействуя с рабочим газом, обеспечивают в источнике ионов 5 возникновение ионов, попадающих в выходное отверстие антикатода 8. Благодаря наличию обратной связи между возникающим током через источник ионов 5, имеющим амплитуду в импульсе порядка 20 мА, и током через генератор газа, рабочее давление в трубке стабилизируется на уровне порядка 5.10 мм.рт.ст.
4
Образуемые в источнике ионов 5 ионы дейтерия и трития поступают в ионнооптическую систему 4 трубки, ускоряются и, бомбардируя мишень 3, обеспечивают, на основе ядерной реакции T(d,n)He, образование 14-МэВ нейтронов в мишени 3.
9
Термогазопоглотитель 12, в нагретом состоянии обеспечивает поглощение при температуре 700°С выделяемых при работе трубки остаточных газов, таких как кислород, азот, углекислый газ, окислы азота. Газонаполненная нейтронная трубка с источником Пеннинга способна при напряжении 120-125 кВ и среднем токе порядка 350 мкА генерировать нейтронные потоки выше 2.10н/c и обеспечить среднюю наработку порядка
200 часов. Сорбционная емкость термогазопоглотителя 12 зависит от его массы.
9
Для обеспечения нейтронного потока порядка 2.10 н/с при выделяемой мощности порядка 50 Вт является втулка массой от 100 до 350 мг.
Температуру термогазопоглотителя 12 в процессе работы трубки поддерживают на уровне 700°С. При такой температуре рабочее тело термогазопоглотителя 12 - втулки из спеченного мелкозернистого порошка титана массой в пределах 100-350 мг обеспечивает поглощение всех остаточных газов, находящихся в трубке. Термогазопоглотитель 12 наиболее удобно установить на одном из вводов ножки газонаполненной нейтронной трубки. При меньшей массе газопоглотителя, чем 100 мг резко падает срок службы трубки.. Примасе большей 350 мг газопоглотитель живет и работает дольше, чес сама трубка.
Рабочие параметры нейтронной трубки представлены в таблице.
№№
Параметр
Трубка с термокатодом и термогазопоглотителем
Трубка с термокатодом без термогазопоглотителя
1
Ускоряющее напряжение (кВ)
120-130
100
2
Ток, протекающий через трубку (мкА)
300-400
180-200
3
Нейтронный поток
2×10<sup>9 </sup>н/с
0,7×10<sup>9</sup> н/с
4
Ресурс
200
150
2
2
-2
Выделение и поглощение изотопов водорода (50% Т и 50% D) осуществляют генератором газа (натекателем) 6 при температуре около 300°С. Это обеспечивает нахождение в объеме работающей нейтронной трубки при давлении около 5.10 мм.рт.ст. очищенных от примесей дейтерия и трития.