Винахід відноситься до пристроїв для генерації імпульсних потоків швидких нейтронів, зокрема до малогабаритним відпаяні прискорювальних трубках, і може бути використано в прискорювальної техніки або в геофізичної приладобудуванні, наприклад, в імпульсних генераторах нейтронів народно-господарського призначення, призначених для дослідження свердловин методами імпульсного нейтронного каротажу . Технічний результат полягає в збільшенні стабільності роботи джерела іонів, його ресурсу і тим самим збільшення стабільності потоку нейтронів і терміну служби вакуумної нейтронної трубки. Згідно винаходу вакуумна нейтронна трубка містить усередині вакуумно-герметичної оболонки мішень, насичену важкими ізотопами водню, іонно-оптичну систему електродів для формування і прискорення пучка іонів, засоби підтримки робочого тиску і джерело іонів іскро-дугового типу. Джерело іонів складається з катода, анода і підпалює електрода, а також постійного магніту циліндричної форми з аксіально-неоднорідним магнітним полем, що охоплює анод і розташованого коаксиально з електродами джерела іонів. Безпосередньо під катодом джерела іонів розміщений плоский аксіально намагнічений постійний магніт. Причому постійний магніт циліндричної форми з аксіально-неоднорідним магнітним полем і плоский аксіально намагнічений постійний магніт звернені один до одного різнойменними полюсами. 2 з.п. ф-ли, 1 мул.
Малюнки до патенту РФ 2316835
Винахід відноситься до пристроїв для генерації імпульсних потоків швидких нейтронів, зокрема до малогабаритним відпаяні прискорювальних трубках, і може бути використано в прискорювальної техніки або в геофізичної приладобудуванні, наприклад, в імпульсних генераторах нейтронів народно-господарського призначення, призначених для дослідження свердловин методами імпульсного нейтронного каротажу .
Принцип дії даної вакуумної нейтронної трубки складається в освіті і вилученні з джерела іонів іонів нуклідів водню (дейтерію, тритію або їх суміші), в формуванні іонного пучка і прискоренні іонів за допомогою іонно-оптичної системи електродів в напрямку мішені. При взаємодії прискорених до енергії Е 130 кеВ іонів, наприклад, дейтронів з ядрами тритію або дейтерію, що містяться в мішені, відбувається ядерна реакція
T (d, n) 4 He або D (d, n) 3 He
з виходом нейтронів з енергією 14 або 2,5 МеВ відповідно.
Дана трубка має розширений діапазон технічних характеристик (наприклад, може працювати з підвищеною частотою повторення імпульсів і має підвищений ресурс) у порівнянні з іншими вакуумними нейтронними трубками за умови, що вони мають однакові геометричні розміри, схеми включення та режими роботи.
Недоліком таких трубок є невисока стабільність потоку нейтронів, пов'язана, в основному, з нестабільністю роботи джерела іонів, принцип роботи якого передбачає хаотичний (нерівномірний, стрибкоподібний) характер руху катодних плям по робочій поверхні катода, а також утворення катодних плям на збіднених дейтерієм (неробочих) поверхнях катода.
Однак, відоме пристрій має наступні недоліки: по-перше, має недостатньо високу стабільність, через те, що на кінцях спирали індукція магнітного поля мала, що не дозволяє досить ефективно управляти рухом катодних плям на електродах джерела іонів, по-друге, використання соленоїда (спіралі) неможливо в малогабаритних відпаяні вакуумних нейтронних трубках з пасивними засобами відкачки, наприклад, газопоглотителем; по-третє, воно вимагає окремого джерела живлення, що є зайвим джерелом тепла в імпульсних генераторах нейтронів, до того ж це неможливо реалізувати в настільки малих габаритах.
Конструкція джерела імпульсів передбачає розміщення постійного магніту циліндричної форми, що охоплює анод і розташованого коаксиально з електродами джерела імпульсів. Індукція магнітного поля в центрі магніту на його осі У 0 = 0, а на кінцях В = 25-30 мТл, причому форма силових ліній на кінцях має «пучкообразний» або «віялоподібні» вид. Дане поле покликане стабілізувати рух катодних плям на конічної поверхні катода.
Як показали експериментальні дослідження, застосування аксіально-неоднорідного магнітного поля, силові лінії якого тангенціальному до поверхні катода, дійсно дозволило збільшити стабільність роботи джерела іонів і, відповідно, нейтронного потоку трубки.
Але даний пристрій також не позбавлене недоліків. Хоча поле такої конфігурації здатне утримувати катодні плями в робочій зоні катода, але цього недостатньо: треба, щоб вони рухалися по кільцевим траєкторіях катода, «сканували» робочу поверхню катода. Але в даному випадку величина моменту сили зовнішнього магнітного поля недостатня, щоб «повертати» катодні плями по кругових орбітах, особливо по нижнього основи конічної поверхні катода. Відбувається сповзання катодних плям з конічної поверхні катода з робочої зони «вниз». У місцях, де відстань між катодом і анодом мінімально, відбувається більш сильна ерозія катода, більш часті «закоротки» і пробої, що зовні проявляється, як неспрацювання джерела іонів, а це в свою чергу призводить до зменшення стабільності виходу нейтронів і терміну служби вакуумної нейтронної трубки.
Винахід направлено на вирішення завдання збільшення стабільності роботи джерела іонів, його ресурсу і, тим самим, збільшення стабільності потоку нейтронів і терміну служби вакуумної нейтронної трубки шляхом зміни конструкції.
Це досягається тим, що в вакуумну нейтронну трубку, що містить усередині вакуумно-герметичної оболонки мішень, насичену важкими ізотопами водню, іонно-оптичну систему електродів для формування і прискорення пучка іонів, засоби підтримки робочого тиску і джерело іонів іскро-дугового типу, що складається з катода , анода і підпалює електрода, постійного магніту циліндричної форми з аксіально-неоднорідним магнітним полем, що охоплює анод і розташованого коаксиально з електродами джерела іонів, введений плоский аксіально намагнічений постійний магніт, розміщений безпосередньо під катодом джерела іонів, причому постійний магніт циліндричної форми з аксіально-неоднорідним магнітним полем і плоский аксіально намагнічений постійний магніт звернені один до одного різнойменними полюсами, причому плоский аксіально намагнічений магніт виконаний зі сплаву, що витримує температуру термообробки вакуумної нейтронної трубки на откачного посту без втрат індукції магнітного поля, а між додатковим плоским аксіально намагніченим п відстояти магнітом і катодом джерела іонів може бути розміщений електрод з прозорого для магнітного поля матеріалу.
Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому схематично зображено конструкція пропонованої вакуумної нейтронної трубки.
Вакуумна нейтронна трубка складається з вакуумно-герметичної оболонки 1, в якій розміщені: мішень 2, іонно-оптична система електродів, що складається з прискорює електрода 3 і формує електрода 4, постійний магніт 5 циліндричної форми з аксіально-неоднорідним магнітним полем з власником 6, мідний радіатор 7 для відводу тепла, підпалює електрод 8, ізолятор 9, катод 10, анод 11 з власником анода 12 і плоский аксіально намагнічений постійний магніт 13.
Принцип дії запропонованої вакуумної нейтронної трубки полягає в наступному:
Постійні магніти повинні бути виконані зі сплаву, що витримує температуру термообробки вакуумної нейтронної трубки на откачного посту без втрат індукції магнітного поля.
На анод 11 джерела іонів подається напруга постійного струму, недостатнє для пробою вакуумного проміжку катод-анод, але створюється «предпробойная» напруженість електричного поля. При подачі короткого потужного імпульсу напруги на підпалює електрод 8, по бічній поверхні керамічного ізолятора 9 відбувається пробій з утворенням мікрократерів на катоді, так званого катодного плями, що містить розплавлений і частково іонізований матеріал катода, наприклад, дейтерид цирконію. Катодна пляма є емісійним центром електронів та іонів, що утворюють в прикатодной області полум'яне хмара. Частина електронів повертається назад на катод, утворюючи кільцевої струм зворотних електронів, що утворюють як би рамки зі струмом. При наявності тангенціального до поверхні катода зовнішнього магнітного поля і поля, створюваного додатковим плоским аксіально намагніченим постійним магнітом 13, розташованим під катодом 10, на кожну рамку (контур з струмом) буде діяти обертовий момент сил, пропорційний сумарному магнітному полю, рівному векторній сумі всіх полів . Момент сил буде повертати рамки з струмом таким чином, щоб площина рамки стала перпендикулярної сумарному магнітному полю. Оскільки рамки з струмом в сукупності створюють тороидальную поверхню, то результуючим дією на струмовий тор буде те, що катодна пляма буде прагнути «розвернутися» в напрямку максимального магнітного поля, але не за правилом «правого гвинта», а в зворотному напрямку. У цьому напрямку і виникне нове катодна пляма. Зовні буде здаватися, що катодна пляма рухається по круговій орбіті, особливо через деякий час після ініціюючого пробою, коли утворюється на катоді не одне катодна пляма, а безліч, які почнуть зливатися один з одним. Катодні плями не будуть локалізуватися в місцях згущення силових ліній електричного поля, в місцях, вже збіднених дейтерієм, або «сповзати вниз» в неробочу зону катода. Хмара плазми над катодних плямою буде ініціювати розряд в проміжку анод-катод. Виникне потужна дуга, яка в основному складається з іонів дейтерію та іонів металу катода. У цей момент подається імпульс прискорювальної напруги, йде формування іонного пучка. Витягнуті з мішені 2 дейтрони прискорюються до мішені 4, що містить тритій або дейтерій, в результаті чого утворюються потоки швидких нейтронів.
Для поліпшення відводу тепла від катода джерела іонів між додатковим плоским аксіально намагніченим постійним магнітом і катодом джерела іонів може бути розміщений електрод з прозорого для магнітного поля матеріалу.
Таким чином, введення додаткового плоского аксіально намагніченого постійного магніту дозволяє ефективно розгортати катодні плями від центральної частини катода до підстави конічної частини катода і навіть по колу, що дозволить збільшити стабільність роботи джерела іонів і призводить до збільшення стабільності нейтронного потоку і терміну служби трубки в цілому.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Вакуумна нейтронна трубка, що містить усередині вакуумно-герметичної оболонки мішень, насичену важкими ізотопами водню, іонно-оптичну систему електродів для формування і прискорення пучка іонів, засоби підтримки робочого тиску і джерело іонів іскродугового типу, що складається з катода, анода і підпалює електрода, постійного магніту циліндричної форми з аксіально-неоднорідним магнітним полем, що охоплює анод і розташованого коаксиально з електродами іонного джерела, що відрізняється тим, що в неї введено допо даткові плоский аксіально намагнічений постійний магніт, розміщений безпосередньо під катодом джерела іонів, причому постійний магніт циліндричної форми з аксіально-неоднорідним магнітним полем і плоский аксіально намагнічений постійний магніт звернені один до одного різнойменними полюсами.
2. Вакуумна нейтронна трубка по п.1, що відрізняється тим, що плоский аксіально намагнічений постійний магніт виконаний зі сплаву, що витримує температуру термообробки вакуумної нейтронної трубки на откачного посту без втрат індукції магнітного поля.
3. Вакуумна нейтронна трубка по п.1, що відрізняється тим, що між плоским аксіально намагніченим постійним магнітом і катодом джерела іонів розміщений електрод з прозорого для магнітного поля матеріалу.