ВАКУУМНАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА Российский патент 2004 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к устройствам для генерации импульсных потоков быстрых нейтронов, в частности к малогабаритным ускорительным нейтронным трубкам, и может быть использовано в генераторах нейтронов народнохозяйственного назначения.

Известна импульсная газонаполненная нейтронная трубка (НТ) (см., например, Shope L.A., Berg R.S., О Neal M.L., Barnaby B.E. The Operation and Life of the Zetatron Neutron Tube in Borehole Logging Application. - Int. Jorn. Appl. Radiat. Isotopes, v.34, № 1, 1983, p.269), которая представляет собой вакуумно-герметичную оболочку с размещенными в ней следующими основными узлами:

- источником ионов (ИИ);

- ионно-оптической системой электродов (ИОС);

- средствами поддержания рабочего давления;

- мишенным узлом.

Принцип действия данной НТ состоит в извлечении из ИИ ионов радионуклидов водорода (дейтерия, трития или их смеси), формировании ионного пучка и ускорении ионов с помощью ионно-оптической системы в направлении мишенного узла, который состоит из подложки, нанесенного на нее тонкого слоя щелочноземельного металла (пленки толщиной ≈1 мкм), хорошо поглощающего радионуклиды водорода и насыщенного ими. Как правило, подложку изготавливают из молибдена, сорбирующий слой - из титана; мишень насыщают тритием, дейтерием или их смесью, а ускоряют ионы дейтерия. Тогда при взаимодействии ускоренных до ≈100 кэВ ионов, например дейтронов с ядрами трития, содержащимися в гидриде титана, происходит ядерная реакция T(d, n)⁴Не или D(d, n)³Не с выходом 14 или 2,5 МэВ нейтронов соответственно.

Известная НТ имеет недостаточно высокий срок службы, одной из причин которого является невысокая теплопроводность материала подложки мишени, изготовленной из молибдена, вследствие чего насыщенный слой (тритид титана) не может за время короткого импульса длительностью ≈1,0-2,0 мкс отвести тепло. Происходит перегрев мишени, особенно ее центральной части, вследствие чего радионуклиды водорода диффундируют в объем трубки и вглубь мишени от поверхности, что вызывает уменьшение концентрации трития на рабочей поверхности, особенно в центральной ее части.

Известна также НТ с усовершенствованным мишенным узлом (см., например, Chapman G.Т., Morgan C.L., McConnel J.W. The Use of a small Accelerator as a Source of 14 MeV Neutrons for Shielding Studies. - IEЕЕ Transactions on Nuclear Science, v. NS - 28, № 2, 1981, p.1647), в которой мишень имеет более сложную структуру и представляет собой титановую пленку, насыщенную тритием, нанесенную на подложку, изготовленную из материала с большей теплопроводностью, чем молибден, например на медный диск.

Но скорость отвода тепла от центральной части мишени при использовании медной подложки недостаточна, и нейтронная трубка имеет те же недостатки, что и предыдущая.

Прототипом изобретения является нейтронная трубка (см., например, патент США №3775216, кл. В 29 С 1/08, 73), содержащая внутри вакуумной оболочки источник ионов, импульсно-оптическую систему электродов, формирующую и ускоряющую пучок ионов, средства поддержания рабочего давления в НТ и углеродную мишень с еще большей теплопроводностью по сравнению с аналогом и расположенную на подложке, представляющей собой медный радиатор, что позволяет быстро (за время между импульсами) отвести тепло от реактивного слоя на массивный радиатор.

Но и при таком выполнении мишени происходит перегрев ее центральной части, что вызывает уменьшение концентрации трития на рабочей поверхности, особенно в центральной ее части, что приводит к уменьшению срока службы импульсной нейтронной трубки.

Изобретение направлено на решение задачи быстрого снятия тепловой нагрузки с активной поверхности мишени, особенно центральной ее части, на всю поверхность подложки и тем самым на увеличение срока службы НТ путем изменения конструкции мишенного узла, что обеспечивает работу НТ с очень большими токами в импульсе и, соответственно, с большими тепловыми нагрузками на 1 см² активной поверхности мишени.

Это достигается тем, что в импульсную нейтронную трубку, содержащую внутри вакуумно-герметичной оболочки источник ионов, ионно-оптическую систему электродов, мишенный узел и средства поддержания рабочего давления в НТ, в мишенный узел введена дополнительная промежуточная подложка на основе алмаза, на которую нанесена пленка щелочноземельного металла, насыщенного радионуклидами водорода, при этом дополнительная подложка мишени выполнена или в виде выращенной на основной подложке алмазоподобной пленки, или в виде матрицы с микропирамидами выращенного алмаза высотой ≈100 нм, или в виде массивов кристаллов синтетического алмаза с размером грани 0,4-0,8 мм, хаотически расположенных на основной подложке в количестве ≈300-400 шт/см² активной поверхности мишени.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически изображена конструкция НТ с дополнительной подложкой в мишенном узле на основе алмазоподобной пленки, или матрицы в виде микропирамид, или массивов кристаллов синтетического алмаза.

Импульсная нейтронная трубка состоит из вакуумно-герметичной оболочки 1, в которой размещены источник ионов (ИИ) 2, ионно-оптическая система электродов (ИОС) 3 и мишенный узел, содержащий мишень 4, дополнительную промежуточную подложку 5, основную подложку 6 и медный радиатор 7.

Принцип действия импульсной нейтронной трубки заключается в следующем. Извлеченные из ИИ 2 дейтроны ускоряются импульсом напряжения отрицательной полярности в ионно-оптической системе электродов 3 до энергии, при которой сечение ядерной реакции максимально. Дейтроны бомбардируют атомы трития, содержащиеся в мишени 4, взаимодействуют с ними, в результате чего образуются потоки нейтронов и выделяется энергия, в основном в центральной ее части, которую быстрее, чем другие материалы отводит дополнительная промежуточная подложка 5 из алмазной пленки (теплопроводность алмаза ≈1500 Вт/см², т.е. в 2 раза больше, чем, например, бериллиевой керамики) на всю поверхность основной подложки 6 и далее на массивный медный радиатор 7, который постепенно отдает тепло окружающей среде.

Таким образом, введение дополнительной подложки из синтетического алмаза позволяет быстро и эффективно отвести тепло от центральной части мишени на всю поверхность основной подложки и далее на радиатор, что позволит избежать перегрева мишени в центральной ее части и потерь трития за счет диффузии вглубь подложки от ее рабочей поверхности и выделения его в вакуумный объем трубки, что приведет к увеличению срока службы импульсной нейтронной трубки.

Изобретение относится к устройствам для генерации импульсных потоков быстрых нейтронов. Сущность изобретения: вакуумная нейтронная трубка состоит из вакуумно-герметичной оболочки, внутри которой размещены источник ионов, ионно-оптическая система электродов, средства поддержания рабочего давления в нейтронной трубке и мишенный узел, содержащий мишень, дополнительную промежуточную подложку, основную подложку и медный радиатор. Дополнительная промежуточная подложка выполнена на основе алмаза и на нее нанесена пленка щелочноземельного металла, насыщенного радионуклидами водорода. Преимущество изобретения заключается в быстром снижении тепловой нагрузки с активной поверхности мишени. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вакуумная нейтронная трубка, состоящая из вакуумно-герметичной оболочки, внутри которой размещены источник ионов, ионно-оптическая система электродов, средства поддержания рабочего давления в нейтронной трубке и мишенный узел, отличающаяся тем, что мишенный узел содержит основную подложку и дополнительную промежуточную подложку на основе алмаза, на которую нанесена пленка щелочноземельного металла, насыщенного радионуклидами водорода.2. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительная промежуточная подложка мишени выполнена в виде выращенной на основной подложке алмазоподобной пленки.3. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительная промежуточная подложка мишени выполнена в виде матрицы с микропирамидами выращенного алмаза.4. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительная промежуточная подложка мишени выполнена в виде массивов кристаллов синтетического алмаза с размером грани 0,4-0,8 мм, хаотически расположенных на основной подложке в количестве 300-400 шт/см² активной поверхности мишени.