СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ УСКОРИТЕЛЬНОЙ НЕЙТРОННОЙ ТРУБКИ РАБОЧИМ ГАЗОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к физической ускорительной технике, а более конкретно к способам заполнения ускорительных нейтронных трубок рабочим газом с последующей эксплуатацией их в генераторах нейтронов.

Известен способ заполнения нейтронных трубок дейтерием и тритием (рабочим газом [1] заключающийся в том, что ускорительная трубка предварительно нагревается снаружи потоком горячего воздуха до температуры порядка 100^оС и в нее через вакуумно-плотное разборное соединение вводится тритиевая мишень, затем трубка подключается к вакуумной системе, откачивается до давления примерно 10^-6 мм рт.ст. и заполняется дейтерием с целью промывки. После откачки дейтерия производятся высоковольтная тренировка и высокочастотная очистка внутренних поверхностей трубки. После вторичной промывки дейтерием производятся насыщение дейтерием титановых газопоглотителей, приведение трубки в рабочее состояние и ее отпайка. Отличительной особенностью способа является измерение десорбции трития из мишени во время работы вакуумной системы.

Недостатком этого способа является то, что в нем необходимо заранее изготавливать тритиевые мишени и обеспечивать безопасную транспортировку и размещение этих мишеней в трубках. Кроме того, при откачке необходим контроль откачиваемых газов на содержание трития.

Известна металлостеклянная ускорительная нейтронная трубка [2] состоящая из источника ионов, ускоряющих электродов, мишени, фланца и системы газообеспечения в титановыми газопоглотителями, расположенными внутри трубки.

Недостатком этой трубки является то, что газопоглотители находятся в ее вакуумном объеме. Такое расположение газопоглотителей приводит к тому, что после их насыщения внутренняя поверхность трубки становится радиоактивной, так как насыщение осуществляется напуском радиоактивного рабочего газа дейтерия и трития в вакуумный объем трубки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ заполнения ускорительных трубок рабочим газом [3] алгоритм которого представлен на фиг. 1, заключающийся в том, что после сборки производится вакуумная откачка трубки, прогрев и обезгаживание внутренних поверхностей трубки, высоковольтная тренировка электродов, прогрев и обезгаживание газопоглотителей, находящихся внутри трубки или в контейнере, соединенном с вакуумным объемом трубки патрубком, насыщение газопоглотителей, вакуумная откачка трубки, отпайка штенгеля трубки, установка трубки в генератор нейтронов, нагрев газопоглотителей и заполнение трубки рабочим газом.

Известна также металлокерамическая ускорительная трубка, принятая нами за прототип, состоящая из источника ионов, ускоряющих электродов, мишени, фланца и системы газообеспечения [3] Титановые газопоглотители у этой трубки расположены в контейнерах-хранилищах газа. Вакуумный объем этих контейнеров соединен патрубками с вакуумным объемом самой трубки (фиг.2).

Существенными недостатками известных способа заполнения и устройства ускорительной трубки является то, что при случайной разгерметизации трубки до начала ее работы, например при насыщении газопоглотителей, при хранении, транспортировке или при установке в источник излучения генератора нейтронов, происходит утечка радиоактивного рабочего газа в атмосферу, так как он в любом случае находится в объеме трубки.

Целью предлагаемого изобретения является повышение радиационной безопасности при работе с трубкой за счет предотвращения случайной утечки рабочего газа.

Цель достигается тем, что в способе заполнения ускорительной нейтронной трубки рабочим газом, заключающемся в вакуумной откачке трубки, прогреве и обезгаживании ее внутренней поверхности, высоковольтной тренировке электродов и заполнении ее рабочим газом, производятся вакуумная откачка, прогрев и обезгаживание внутренней поверхности автономного герметичного контейнера с газопоглотителями, прогрев и обезгаживание газопоглотителей, их насыщение рабочим газом, вакуумная откачка контейнера, отпайка штенгеля контейнера, присоединение герметичного контейнера к фланцу ускорительной трубки, повторная вакуумная откачка трубки, отпайка штенгеля трубки, установка трубки в генератор нейтронов, соединение вакуумных объемов трубки и контейнера путем прокола его мембран и нагрев газопоглотителей.

Цель достигается также тем, что в устройстве для заполнения рабочим газом ускорительной нейтронной трубки, содержащем газопоглотители с рабочим газом, находящиеся в отдельном контейнере, герметичный контейнер имеет штенгель, направленный по оси контейнера, диафрагмы в виде мембран, расположенные вокруг основания штенгеля, причем штангель и диафрагмы расположены внутри защитного кожуха, и острия, расположенные на корпусе с газопоглотителями, выполненном с возможностью осевого перемещения.

Так как способ заполнения ускорительной нейтронной трубки рабочим газом и устройство для его осуществления направлены на выполнение одной цели за счет введения герметичного контейнера с рабочим газом, мы можем сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Опишем последовательность операций предлагаемого способа, алгоритм которого представлен на фиг. 3.

Известно [4] что технология производства электровакуумных приборов, к которым относятся ускорительные нейтронные трубки, включает в себя обязательное выполнение требований технологической гигиены, с целью получения и сохранения высокого вакуума внутри откачных объемов. Поэтому обезгаживание внутренних поверхностей ускорительных трубок, которое происходит в течение 4-5 ч при постоянной откачке трубки до величины остаточного давления порядка 10^-5 10^-6 мм рт.ст. при нагреве до 400^оС, является обязательным элементом технологической цепочки подготовки трубки к заполнению рабочим газом [5]
Кроме того, электровакуумные приборы, предназначенные для работы с напряжениями порядка 200 кВ, подвергаются высоковольтной тренировке с целью сглаживания микронеровностей ускорительных электродов.

Высоковольтная тренировка проводится следующим образом. Обезгаженная ускорительная трубка при соблюдении правил электробезопасности устанавливается в специальный стенд и к ее электродам подводится регулируемое высокое напряжение. Постепенно увеличивая напряжение до предпробивных значений, производят выдержку и снова увеличивают напряжение. Предельное значение напряжения для каждой трубки определяют, как правило, опытным путем.

Как видно из представленного на фиг. 3 алгоритма проведения операций, параллельно названным выше технологическим процессам и независимо от них проводится подготовка герметичного контейнера и насыщения находящихся в нем газопоглотителей. Обезгаживание внутренней поверхности контейнера также проводится с помощью нагрева до 400^оС и вакуумной откачки. После насыщения газопоглотителей проводится повторная откачка контейнера с целью удаления остатков непоглощенного рабочего газа и получения высокого вакуума, такого же, как и в трубке.

Последняя операция отпайка штенгеля контейнера.

Контейнер с газопоглотителями, насыщенными рабочим газом, должен быть герметичным, так как после откачки остаточных газов внутренняя поверхность контейнера остается "загрязненной" радиоактивным рабочим газом.

По схеме технологического процесса далее идут: присоединение герметичного контейнера к фланцу ускорительной трубки, откачка трубки до высокого вакуума и отпайка штенгеля трубки. При этом штенгель герметичного контейнера оказывается внутри вакуумного объема ускорительной трубки, что весьма существенно, так как рабочий газ в этом случае находится как бы в двойной изоляции и при случайной разгерметизации штенгеля контейнера он попадет в трубку, а не в атмосферу.

После отпайки штенгеля трубки она готова к транспортировке, хранению и использованию, причем внутренняя поверхность трубки остается "чистой", т.е. нерадиоактивной и безопасной.

После установки трубки в генератор нейтронов производится соединение вакуумных объемов трубки и контейнера путем прокола мембран, имеющихся в корпусе контейнера. При этом внутренняя поверхность трубки становится радиоактивной вследствие десорбции рабочего газа из газопоглотителей.

Последняя операция заполнение трубки рабочим газом путем прогрева газопоглотителей от регулируемого источника питания. Внутренняя поверхность трубки становится радиоактивной, и дальнейшая работа с ней должна производиться в соответствии с требованиями радиационной безопасности.

На фиг. 4 показан автономный герметичный контейнер с газопоглотителями, присоединенный к фланцу ускорительной трубки.

Контейнер содержит штенгель трубки 1, обечайку фланца 2, мишень 3, магниторазрядный датчик 4 давления, кожух-патрубок 5 для защиты штенгеля и диафрагм от механического повреждения и для крепления герметичного контейнера, штенгель 6 контейнера, корпус 7 контейнера с диафрагмами в виде мембран 8, острия 9, газопоглотители 10, корпус 11 газопоглотителей, сильфон 12 для передачи поступательного движения, накидную гайку 13, проклад- ку 14.

Устройство для заполнения ускорительной трубки рабочим газом работает следующим образом.

После окончательной сборки трубку через штенгель 1 подсоединяют к вакуумной системе, нагревают и, откачивая ее, производят обезгаживание внутренних поверхностей. При этом на кожух-патрубок 5 ускорительной трубки ставится заглушка (на фиг. 4 не показана). После этого проводят высоковольтную тренировку электродов. После откачки и обезгаживания штенгель 1 не отпаивается, а просто закрывается резиновой или пластиковой пробкой.

Независимо от трубки через штенгель 6 проводятся откачка и термическое обезгаживание герметичного контейнера с газопоглотителями 10, находящимися в корпусе 11. После этого через штенгель 6 производят напуск рабочего газа во внутренний объем контейнера и насыщение газопоглотителей 10. Затем отпаивают штенгель 6 и присоединяют кожух-патрубок 5. В таком виде герметичный контейнер готов к присоединению к кожуху-патрубку 5 на фланце ускорительной трубки.

Для того, чтобы привести ускорительную трубку в рабочее состояние, т.е. осуществить заполнение ее вакуумного объема дейтерием и тритием, необходимо снять с кожуха-патрубка 5 ускорительной трубки заглушку и присоединить к нему герметичный контейнер через медную прокладку 14, как показано на фиг. 4. После этого трубка снова устанавливается на вакуумный пост, откачивается до высокого вакуума через штенгель 1 и отпаивается.

После отпайки ускорительная трубка готова к установке в генератор нейтронов, причем ее внутренняя поверхность остается не загрязненной радиоактивным газом. Кроме того, случайная разгерметизация штенгеля 6 не может привести к утечке трития, так как сам штенгель находится в герметичном объеме трубки. В таком виде трубка безопасна при хранении и транспортировке.

После установки и закрепления ускорительной трубки в генераторе нейтронов, перед началом работы, снимают ограничительные кольца, препятствующие перемещению сильфона с иглами в продольном направлении, вращением накидной гайки 13 приводят в движение острия 9 и путем прокола мембран диафрагмы 8 соединяют вакуумные объемы трубки и контейнера с газопоглотителями 10. Нагревают газопоглотители и заполняют трубку рабочим газом через отверстия, образовавшиеся в мембранах диафрагмы 8. Подогревные, нераспыляемые газопоглотители, насыщенные рабочим газом на весь срок службы ускорительной трубки, постепенно выделяют рабочий газ в объем трубки, создавая в ней давление 10^-2-10^-3 мм рт. ст. которое контролируется магниторазрядным датчиком 4 давления.

Сравнение существенных признаков способа-прототипа предложенного способа, которые приведены на фиг. 5. показывают, что предлагаемый способ имеет отличия от прототипа по четырем выделенным признакам и предложенное техническое решение соответствует критерию "новизна". Эти признаки обуславливают достижение цели, а именно: при подготовительных операциях, а точнее во всех операциях до прокола мембран диафрагмы, отсутствие газопоглотителей в трубке означает отсутствие радиоактивного рабочего газа в ее вакуумном объеме; насыщение рабочим газом газопоглотителей, находящихся в автономном герметичном контейнере, повышает безопасность работ, так как механическая прочность и надежность контейнера намного выше, чем у трубки; отсутствие радиоактивного рабочего газа на внутренней поверхности трубки до момента прокола мембран диафрагмы делают трубку безопасной при транспортировке, хранении, установке в генератор нейтронов и т.д.

Сравнение существенных признаков устройства-прототипа и предлагаемого изобретения показывает, что предложенное техническое решение также соответствует критерию "новизна", так как у него имеются следующие отличия.

Газопоглотители до начала работы трубки отделены от ее вакуумного объема мембранами диафрагмы в то время, как у прототипа контейнер с газопоглотителями через патрубок постоянно соединен с вакуумным объемом трубки.

Насыщение газопоглотителей производится через штенгель герметичного контейнера независимо от трубки, а в прототипе через штенгель трубки и через ее вакуумный объем.

В предложенном техническом решении трубка остается "чистой" до момента прокола мембран диафрагмы, в то время как у прототипа внутренние элементы трубки загрязняются уже при насыщении газопоглотителей.

Предлагаемая трубка имеет два штенгеля, причем один из них принадлежит герметичному контейнеру и расположен внутри трубки, а трубка-прототип имеет один штенгель.

Штенгель и мембраны диафрагмы герметичного контейнера расположены внутри защитного кожуха, предохраняющего их от случайного повреждения. После присоединения герметичного контейнера к ускорительной трубке кожух органически переходит в патрубок ускорительной трубки и является элементом ее корпуса.

Рассмотрим и сравним предлагаемый способ заполнения ускорительной нейтронной трубки рабочим газом и устройство для его осуществления с известными техническими решениями на соответствие критерию "существенные отличия".

Известен способ изготовления электровакуумных приборов, например радиоламп, в котором откачка и обезгаживание проводятся в отсутствие газопоглотителей геттеров [6]
Последние вводятся в вакуумный объем радиолампы в последующих технологических операциях с целью поглощения остаточных газов. Наличие этого признака у предлагаемого способа придает ему новое свойство, которого нет у известного технического решения, а именно отсутствие газопоглотителей с радиоактивным рабочим газом на большей части этапов заполнения трубки делает ее радиационно безопасной, так как газопоглотитель является хранилищем радиоактивном рабочего газа и служит для напуска этого газа в вакуумный объем трубки.

Сведений о насыщении газопоглотителей рабочим газом независимо от трубки через штенгель герметичного контейнера в литературе не обнаружено.

Известны технические решения, в которых имеется признак, сходный с четвертым признаком изобретения, например откачные генераторы нейтронов не имеют отпаянного объема, а их рабочая зона постоянно откачивается с помощью системы вакуумных насосов. В таких генераторах нейтронов внутренние поверхности также остаются не загрязненными радиоактивным рабочим газом до момента его напуска. Однако предлагаемому техническому решению этот признак также придает новое свойство. Оно заключается в том, что заполняемая рабочим газом ускорительная трубка, будучи портативным электровакуумным прибором, остается безопасной при проведении таких технологических операций, которые связаны с ее перемещением, хранением, перевозкой, подключением к вакуумным системам, закреплением в оснастку, установкой в генератор нейтронов и т.д.

Кроме того, известны титановые мишени [7] которые насыщаются рабочим газом, в частности тритием, отдельно от ускорительных трубок, в которых они работают. Титановое покрытие подложки мишени можно рассматривать как газопоглотитель. В предлагаемом устройстве насыщение газопоглотителей также производят независимо от трубки. Это придает ей новое важное свойство: внутренние поверхности трубки остаются не загрязненными рабочим газом до момента прокола мембран диафрагмы.

Известны также устройства [8] в которых имеются герметичные контейнеры с отдельным штенгелем, используемые для заполнения вакуумных объемов, например, чистыми газами. В таких вакуумных объемах, как правило, находятся острия для прокола или разрушения этих контейнеров. При этом штенгель такого контейнера располагается внутри вакуумного объема. В предлагаемой ускорительной трубке отпаянный штенгель контейнера также располагается внутри ее вакуумного объема. Это придает ей новое свойство: исключается возможность утечки радиоактивного рабочего газа при случайной разгерметизации штенгеля контейнера.

Сведений об устройствах, в которых диафрагмы в виде мембран были бы расположены вокруг основания штенгеля, причем штенгель и мембраны были бы расположены вокруг оcнования штенгеля, причем штенгель и мембраны были бы раcположены внутри защитного кожуха, а корпус газопоглотителей имел острия и имел возможность перемещаться по оси, в литературе не обнаружено.

Из изложенного следует, что предлагаемые способ заполнения ускорительной нейтронной трубки рабочим газом и устройство для его осуществления соответствует критерию "существенные отличия".

Примером конкретного применения предлагаемого способа является заполнение рабочим газом (50%-ной смесью дейтерия и трития) разработанной и изготовленной металлокерамической отпаянной ускорительной трубки с набивной мишенью типа УТ-05 с герметичным контейнером, показанным на фиг. 6. Все технологические операции проводились на стандартном оборудовании, хотя отмечалось, что для проведения обезгаживания герметичного контейнера целесообразно использовать печь меньшей мощности и размеров.

Положительный эффект от использования предлагаемого способа заполнения ускорительной нейтронной трубки рабочим газом и устройства для его осуществления в сравнении с прототипом заключается в повышении радиационной безопасности при работе с трубками за счет предотвращения случайной утечки рабочего газа, в снижении транспортных расходов, так как отпадает необходимость в транспортировке трубок с целью их заполнения, и в возможности организации отдельного производства герметичных контейнеров-хранилищ рабочего газа. При организации отдельного производства контейнеров-хранилищ рабочего газа удешевляется производство самих ускорительных трубок, так как они становятся безопасными (нерадиоактивными). Все технологические процессы изготовления, сборки, подготовки трубки к эксплуатации, включая хранение и транспортировку, в этом случае не требуют специальных мер защиты от радиоактивного излучения. Обеспечить радиоактивную безопасность контейнеров-хранилищ рабочего газа проще и дешевле, так как эти устройства по сравнению с трубкой обладают большей механической прочностью, значительно меньше по размерам и лучше приспособлены к транспортировке.

Кроме того, выгодно иметь отдельное производство контейнеров-хранилищ, так как можно организовать изготовление контейнеров разных размеров и типов для обеспечения ими, как комплектующими изделиями, нейтронных трубок различной модификации.

Использование: изобретение относится к физической ускорительной технике. Целью изобретения является повышение радиационной безопасности при работе с трубкой за счет предотвращения случайной утечки рабочего газа. Сущность изобретения заключается в размещении газопоглотителя в автономном герметичном контейнере, который устанавливается на ускорительную трубку. После установки трубки в нейтронный генератор происходит прокол мембран, разделяющих объем контейнера, и ускорительной трубки и наполнение трубки рабочим газом. Устройство для заполнения содержит острия, выполненные с возможностью осевого перемещения для прокола мембран трубки. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ заполнения ускорительной нейтронной трубки рабочим газом, заключающийся в вакуумной откачке трубки, прогреве и обезгаживании ее внутренней поверхности, высоковольтной тренировке электродов и заполнении ее рабочим газом из контейнера с газопоглотителем, отличающийся тем, что, с целью повышения радиационной безопасности при работе с трубкой путем предотвращения случайной утечки рабочего газа, контейнер выполняют автономным, производят вакуумную откачку, прогрев и обезгаживание его внутренней поверхности, прогрев и обезгаживание газопоглотителей, их насыщение рабочим газом, вакуумную откачку контейнера, отпайку штенгеля контейнера и присоединение герметичного контейнера к фланцу ускорительной трубки, затем производят повторную вакуумную откачку трубки, отпайку штенгеля трубки, установку трубки в генератор нейтронов, соединение вакуумных объемов трубки и контейнера путем прокола его мембран и указанный нагрев газопоглотителей. 2. Устройство для заполнения ускорительной нейтронной трубки рабочим газом, содержащее газопоглотители с рабочим газом, находящиеся в герметичном контейнере, отличающееся тем, что, с целью повышения радиационной безопасности путем предотвращения случайной утечки рабочего газа, герметичный контейнер выполнен автономным и имеет штенгель, направленный по его оси, диафрагмы с мембранами, расположенные вокруг основания штенгеля, причем штенгель и диафрагмы расположены в защитном кожухе, и острия, расположенные в контейнере, выполненные с возможностью осевого перемещения для прокола мембран трубки.