ВАКУУМНАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА Российский патент 2005 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к нейтронной технике, в частности к устройствам для генерации потока быстрых нейтронов, и может быть использовано при проведении нейтронного активационного анализа, для медицинских применений, геологоразведки нефтяных месторождений и для иных применений, использующих нейтронные потоки.

Известны вакуумные нейтронные трубки (см., например, авт.св. СССР №648019, кл. H 01 J 3/04, 1978 г.), состоящие из вакуумно-герметичной оболочки со средствами поддержания вакуума во время работы трубки, искродугового источника ионов и нейтронообразующей мишени.

Эти трубки имеют невысокую стабильность и низкий ресурс из-за сильной эрозии электродов, обусловленной спецификой используемого разряда для получения ионного пучка.

Эти недостатки устранены в источнике нейтронов (см., например, патент США №5745536, кл. G 21 G 4/02, опубл. 28.04.1998 г.), состоящий из электронного прожектора, формирующего электронный пучок, энергия которого используется для создания вторичного пучка ионов, источника ионов, представляющего собой керамическую втулку с центральным керамическим штырем и помещенным между ними кольцом, содержащим окклюдированный дейтерий, и мишени, образующей нейтроны и содержащей дейтерий или тритий или их смесь.

Принцип работы прототипа состоит в следующем: первичный электронный пучок создает поверхностный разряд между керамическими поверхностями источника ионов. За счет энергии, выделившейся при поверхностном разряде, дейтерий, содержащийся в кольце, изготовленном из титана или иного металла, способного абсорбировать дейтерий, освобождается за счет электронно-стимулированного испарения. Освобожденный дейтерий ионизируется вторичными электронами поверхностного разряда. Образовавшиеся ионы затем экстрагируются из зоны поверхностного разряда, ускоряются до энергии, достаточной для начала термоядерных реакций, и бомбардируют мишень. В результате реакций срыва, происходящих в мишени при взаимодействии с быстрыми ионами, образуются нейтроны с характерной энергией, определяемой составом окклюдированного в мишени газа.

Однако в плазме поверхностного разряда трубки образуются не только ионы дейтерия, но и ионы газов, адсорбированные поверхностью керамики и обусловленные продуктами распада керамики. Хотя их концентрация существенно ниже, чем при дуговом разряде, характерном для трубок, но, тем не менее, полученный подобным образом пучок ионов нельзя рассматривать как идеально чистый.

Кроме того, в данной конструкции неизбежна бомбардировка ионами поверхности катода электронного прожектора. Оксидный слой катода весьма чувствителен к ионной бомбардировке и его эмиссионная способность при этом сильно ухудшается.

Предложенный в прототипе способ защиты поверхности катода за счет перераспределения ионного тока с помощью применения дополнительной сетки, помещенной сверху керамических втулок, сложен в изготовлении и малоэффективен.

Необходимость изготовления кольцеобразной мишени с центральным отверстием для размещения электронного прожектора чрезмерно сильно усложняет конструкцию и технологию изготовления мишени трубки, так как при монтаже электронного прожектора требуется защита мишени с целью ее предохранения при проведении процесса пайки или сварки

На устранение вышеуказанных недостатков направлено предложенное изобретение.

Для этого в вакуумной нейтронной трубке, выполненной в виде герметичного корпуса, с размещенными в нем источником ионов, представляющим собой систему "электронный прожектор-эмиттирующий ионы анод", и нейтронообразующей мишенью, внутреннее пространство трубки разделено на два герметичных объема диафрагмой с отверстием, в котором герметично закреплен анод, обращенный к мишени, в одном из объемов размещен катод электронного прожектора, а в другом - мишень, при этом анод может быть выполнена из вакуумно-плотной фольги, толщиной, не превышающей длины пробега электронов прожектора в фольге, включающей изотопы водорода, например, дейтерий, тритий или их смесь в виде окклюдированного или адсорбированного слоя на поверхности, или из полимерной пленки, на которую нанесено металлическое покрытие, в отверстие диафрагмы трубки введена решетка для крепления анода, а электронный прожектор представляет собой автоэмиссионный источник электронов и содержит модулятор для управления величиной электронного тока и отклоняющую систему для осуществления сканирующего режима облучения фольги с целью ее защиты от перегрева при этом анод подключен к плюсовому выводу источника питания, а остальные электроды трубки находятся под нулевым потенциалом, а питание электронного прожектора и ускорителя ионов осуществляется от независимых источников питания.

На чертеже представлена схема вакуумной нейтронной трубки.

Вакуумная нейтронная трубка состоит из корпуса 1, внутреннее пространство которого разделено металлической диафрагмой 2 с отверстием, в котором герметично закреплен анод 3, выполненный из вакуумно-плотной фольги или полимерной пленки с металлическим покрытием, на два герметичных объема, в одном из которых помещен катод 4 электронного прожектора, модулятор 5 и отклоняющая система 6, а в другом расположена мишень 7. Анод 3 снабжен решеткой 8 для крепления вакуумно-плотной фольги или полимерной пленки.

Таким образом, в вакуумной нейтронной трубке один из объемов используется для размещения электронного прожектора 4, формирующего электронный пучок, а второй - для ионов дейтерия, образовавшихся за счет электронностимулируемого испарения. В этом случае вакуумные и геометрические условия в обеих частях трубки могут быть независимыми.

Толщина фольги зависит от используемых для питания трубки ускоряющих напряжений. Титановая фольга может одновременно содержать окклюдированный дейтерий со стороны мишени 7 и служить одновременно вакуумным затвором и источником ионов. Освобождение дейтерия происходит за счет электронно-стимулируемого испарения, а ионизация - электронами за счет вторичной электронной эмиссии и прошедшими сквозь фольгу электронами. Вместо титана может быть использована фольга из любого металла, способного абсорбировать дейтерий (скандий, цирконий, ниобий, палладий и т.д.). При этом возможна работа как в режиме облучения фольги широким пучком электронов, так и в режиме сканирования по поверхности остросфокусированным пучком электронов при соответствующей конструкции эмиттера. Тем самым в отличие от искродугового источника происходит локальный разогрев поверхности фольги до температуры испарения дейтерия. Эта температура достаточно легко подбирается путем изменения энергии первичных электронов. Изменяя яркость электронного эмиттера, а также энергию первичных электронов, можно легко изменить ионный ток, его плотность, а также массовый состав ионного пучка. В отличие от неуправляемого искродугового пробоя данный метод получения ионов является управляемым.

Для обеспечения механической прочности в отверстии в диафрагме может быть размещена решетка 8 для крепления анода 3. Конструкция решетки 8, ее геометрические размеры, форма и количество отверстий могут быть произвольными. Она может быть изготовлена из меди или иного металла (титан, вольфрам, молибден, нержавеющая сталь) и затем на нее может быть напылен пористый титан или иной металл, насыщенный дейтерием по стандартной технологии, используемой при изготовлении мишеней, что унифицирует и, следовательно, удешевляет процесс изготовления трубки. В этом случае могут быть использованы фольги или тонкие пленки из произвольных материалов, в том числе и полимерные, например, из лавсана, майлара и т.д.

Радикальным решением в предложенной нейтронной трубке является разделение внутреннего пространства трубки на два вакуумно-изолированных объема, разделенных прозрачной для электронов тонкой и вакуумно-плотной фольгой.

Использование: в нейтронной технике для генерации потока быстрых нейтронов. Сущность изобретения: в вакуумной нейтронной трубке, выполненной в виде герметичного корпуса с размещенными в нем источником ионов, представляющим собой систему «электронный прожектор-эмиттирующий ионы анод», и нейтронообразующей мишенью; внутреннее пространство разделено на два герметичных объема диафрагмой с отверстием, в котором герметично закреплен анод, обращенный к мишени. В одном из объемов размещен катод электронного прожектора, а в другом - мишень. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, повышение эффективности за счет увеличения эмиссионной способности катода. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вакуумная нейтронная трубка, выполненная в виде герметичного корпуса с размещенными в нем источником ионов, представляющим собой систему «электронный прожектор-эмиттирующий ионы анод», и нейтронообразующей мишенью, отличающаяся тем, что внутреннее пространство трубки разделено на два герметичных объема диафрагмой с отверстием, в котором герметично закреплен анод, обращенный к мишени, в одном из объемов размещен катод электронного прожектора, а в другом - мишень.2. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что анод выполнен из вакуумно плотной фольги толщиной, не превышающей длины пробега электронов прожектора в фольге, включающей изотопы водорода, например, дейтерий, тритий или их смесь в виде окклюдированного или абсорбированного слоя на поверхности.3. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что анод выполнен из полимерной пленки, на которую нанесено металлическое покрытие.4. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что в отверстие диафрагмы введена решетка для крепления анода.5. Вакуумная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что электронный прожектор представляет собой автоэмиссионный источник электронов.6. Вакуумная нейтронная трубка по п.5, отличающаяся тем, что электронный прожектор содержит модулятор для управления величиной электронного тока.7. Вакуумная нейтронная трубка по п.5, отличающаяся тем, что электронный прожектор содержит отклоняющую систему, установленную для осуществления сканирующего режима облучения фольги с целью ее защиты от перегрева.8. Вакуумная нейтронная трубка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что анод электронного прожектора подключен к плюсовому выводу источника питания, а остальные электроды трубки находятся под нулевым потенциалом.