ВАКУУМНАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА Российский патент 2004 года по МПК H05H3/06 

Изобретение относится к нейтронной технике, в частности к устройствам для генерации потоков быстрых нейтронов, а именно к нейтронным генераторам.

Известна вакуумная нейтронная трубка (см., например, авт. св. СССР №600939, кл. Н 05 Н 3/06, 76 г.), состоящая из трех основных частей: вакуумно-герметичной оболочки со средствами поддержания вакуума во время ее работы, искродугового источника ионов и нейтронообразующей мишени. Известная трубка имеет невысокую стабильность и относительно небольшой ресурс работы, что обусловлено спецификой дугового пробоя, сопровождающегося значительной эрозией электродов, изменением химического состава остаточной атмосферы в трубке.

Устранение этих недостатков возможно при использовании автоэмиссионных источников ионов.

Принцип автоионной эмиссии для получения ионов используется, в частности, в проекторе Мюллера (см., например, Кельман В.М., Явор С.Я. Электронная оптика. - Л.: Наука, 1968), состоящем из анода в виде тонкого металлического острия, кольцевого катода и флюоресцирующего экрана. Радиус закругления конца острия очень мал (меньше микрона), поэтому вблизи него создается сильное электрическое поле, вызывающее автоионную эмиссию.

Наибольшее разрешение получается в ионном проекторе, в котором изображение создается при помощи ионов водорода, десорбирующих с поверхности катода.

Известен источник ионов, в котором используется полевая эмиссия (см., например, Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. - М.: Энергоатомиздат, 1986), представляющий собой жидкометаллический эмиттер, обеспечивающий плотность ионного тока на уровне 10⁶ А/см² и выше.

Поскольку одиночный эмиттер не обеспечивает необходимых высоких значений токов, возможно применение многоострийных автоэлектронных эмиттеров. К настоящему времени отработана технология изготовления многоострийных автоэлектронных эмиттеров (числом ≥10⁵ шт. на площади ≤1 см²), что обеспечивает стабильную и синхронную работу всех эмиттеров.

Предварительные оценки и расчеты доказывают реальность создания малогабаритного источника ионов на основе подобных структур, обеспечивающего генерацию импульсного ионного тока на уровне ≥1 А, необходимого для получения выхода нейтронов за импульс ≥10⁸.

За прототип выбрана вакуумная нейтронная трубка (см., например, авт. св. СССР №711916, кл. G 21 G 4/02, 79 г.), содержащая последовательно и соосно расположенные дуговой источник ионов, систему ускоряющих электродов и тритиевую мишень.

Известная трубка обладает рядом недостатков, таких как малый ресурс работы на фоне постоянного уменьшения нейтронного выхода, что обусловлено дуговым характером разряда, сопровождающегося эрозией электродов и разрушением поверхности катода.

Дуговой источник ионов предусматривает образование плазмы, из которой с помощью ионно-оптической системы извлекаются нужные компоненты. Между тем, ионный источник должен поставлять ионы с данной массой и зарядом, при этом другие компоненты в пучке нежелательны, т.к. они увеличивают нагрузку источников питания, ослабляют электрическую прочность ускорительной трубки.

На устранение вышеупомянутых недостатков направлено предложенное изобретение.

Для этого в вакуумной нейтронной трубке, содержащей отпаянный корпус, источник ионов и мишень, расположенные вдоль оси корпуса, источник ионов выполнен автоэмиссионным в виде вакуумного диода, состоящего из многоострийного анода и катода, расположенного на расстоянии ≤1 мм симметрично относительно острий многоострийного анода, при этом анод и катод покрыты пленкой титана с окклюдированным дейтерием, а катод находится под плавающим потенциалом и выполнен перфорированным, причем сквозные отверстия катода расположены соосно с остриями многоострийного анода, при этом к промежутку анод - мишень приложено постоянное магнитное поле параллельно направлению движения ионов.

Перфорированный катод при таком расположении выполняет три функции: служит источником ионов, играет роль ионизатора испаряющихся нейтралов, служит эмиттирующим электродом для ионной составляющей.

При этом устраняются недостатки существующих нейтронных трубок с искродуговым источником ионов.

На чертеже представлен общий вид вакуумной нейтронной трубки.

Вакуумная нейтронная трубка содержит перфорированный катод 1, многоострийный анод 2, изолирующие прокладки 3, мишень 4, газопоглотители 5 и отпаянный корпус 6.

Многоострийный анод 2 изолирован посредством изолирующих прокладок 3, выполненных в виде керамических вставок, от перфорированного катода 1. Мишень 4 покрыта слоем титана и насыщена дейтерием.

Работает вакуумная нейтронная трубка следующим образом.

Под действием приложенного напряжения происходит эмиссия окклюдированного дейтерия с острий анода 2. В промежутке анод - катод происходит частичное ускорение дейтронов, которые, пролетая сквозь отверстия в перфорированном катоде 1, получают дополнительное ускорение в основном ускоряющем промежутке анод - мишень. Достигнув поверхности мишени 4, насыщенной тритием, дейтроны вступают с ним в реакцию, в результате которой происходит образование нейтронов.

При нахождении катода под плавающим потенциалом снижается электропотребление трубки и увеличивается КПД.

Приложенное к промежутку анод - мишень постоянное магнитное поле способствует упорядочению траекторий движения ионов, тем самым снижаются утечки зарядов на стенки трубки и на электроды.

Вакуумная нейтронная трубка относится к нейтронной технике, в частности к устройствам для генерации потоков быстрых нейтронов, а именно к нейтронным генераторам. Вакуумная нейтронная трубка содержит отпаянный корпус 6, источник ионов и мишень 4, расположенные вдоль оси корпуса. Источник ионов выполнен автоэмиссионным в виде вакуумного диода. Источник ионов состоит из многоострийного анода 2 и катода 1, расположенного на расстоянии ≤1 мм симметрично относительно острий многоострийного анода. При этом анод и катод покрыты пленкой титана с окклюдированным дейтерием. Катод находится под плавающим потенциалом и выполнен перфорированным. Причем сквозные отверстия катода расположены соосно с остриями многоострийного анода. К промежутку анод - мишень приложено постоянное магнитное поле, силовые линии которого параллельны траектории движения ионов. Изобретение направлено на увеличение нейтронного выхода и ресурса работы трубки. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Вакуумная нейтронная трубка, содержащая отпаянный корпус, источник ионов и мишень, расположенные вдоль оси корпуса, отличающаяся тем, что источник ионов выполнен автоэмиссионным в виде вакуумного диода, состоящего из многоострийного анода и катода, расположенного на расстоянии ≤1 мм симметрично относительно острий многоострийного анода, при этом анод и катод покрыты пленкой титана с окклюдированным дейтерием.2. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что катод находится под плавающим потенциалом.3. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что катод выполнен перфорированным, причем сквозные отверстия катода расположены соосно с остриями многоострийного анода.4. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что к промежутку анод мишень приложено постоянное магнитное поле параллельно направлению движения ионов.