СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НЕЙТРОННОГО ПОТОКА ГАЗОНАПОЛНЕННОЙ НЕЙТРОННОЙ ТРУБКИ Российский патент 2009 года по МПК G21G4/02 G01V5/04 H01J27/04 

Изобретение относится к способам изготовления газонаполненных нейтронных трубок и формированию нейтронного потока.

Известен способ формирования нейтронного потока газонаполненной нейтронной трубки, в котором формируют траектории движения ионов постоянным магнитным полем, параллельным направлению движения ионов. Патент Российской Федерации №2242098, H05H 3/06, 2004.

Известен способ формирования нейтронного потока газонаполненной нейтронной трубки, в котором поддерживают траектории движения ионов аксиально-неоднородным магнитным полем, охватывающим анод, и дополнительным плоским аксиально намагниченным постоянным магнитом, причем поля постоянного магнита, цилиндрической формы с аксиально-неоднородным магнитным полем и плоским аксиально намагниченным постоянным магнитом направляют навстречу друг к другу разноименными полюсами. Опубликованная заявка на изобретение №2006113516/06, G21G 4/00, ВНИИА, 2007.

Известен способ формирования нейтронного потока газонаполненной нейтронной трубки с ионным источником типа Пеннинга, в котором формируют в области катода магнитное поле, равное нулю, что обеспечивает условия замкнутого дрейфа электронов в объеме источника за счет ортогональности электрических и магнитных полей в его объеме. Патент Российской Федерации №1590019, МПК: G21G 4/02, 1996.

Известен способ формирования нейтронного потока газонаполненной нейтронной трубки с ионным источником типа Пеннинга, в котором в ионном источнике формируют магнитное поле двумя магнитами: дисковым и кольцевым, устанавливаемыми внутри объема трубки. Timus D., Neutron generating tubes NSA, 1968, т.22, №15, 32361. Прототип.

Существующие способы формирования нейтронного потока в газонаполненных нейтронных трубках, основанные на ядерной реакции T(d,n)He⁴, генерируют 14 МэВ - нейтроны и обеспечивают нейтронные потоки не выше 10⁸ н/с.

Недостатками известных способов получения нейтронного потока является низкий нейтронный поток не выше 10⁸ н/с, низкая термостойкость магнита при высокотемпературной обработке трубки на вакуумном посту, низкий вакуум из-за наличия магнита в объеме трубки.

Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом изобретения является повышение нейтронного потока, уменьшение рабочего давления, повышение надежности и ресурса работы, уменьшение диаметра прибора.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования нейтронного потока газонаполненной нейтронной трубки с ионным источником, в котором создают магнитное поле дисковым и кольцевым магнитами, у выходного отверстия для ионов в полости антикатода ионного источника формируют азимутально-симметричный переход магнитного поля через нулевое значение.

Параметры дискового и кольцевого магнитов выбирают из условий:

B_d≥2В_с≥240 мТл; 2,5≤S/h≤3,0; 2,0≤D/1≤2,5, где:

B_d - максимальная магнитная индукция дискового магнита;

B_c - максимальная магнитная индукция кольцевого магнита;

S - расстояние между магнитами; D - диаметр полости в антикатоде;

l - глубина полости в антикатоде; h - высота анода.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично представлен поперечный разрез газонаполненной нейтронной трубки с иммерсионной ионно-оптической системой, где: «0» - нулевое значение суммарного магнитного поля; 1 - дисковый магнит; 2 - катод; 3 - анод; 4 - антикатод; 5 - кольцевой магнит; 6 - выходное отверстие для ионов; 7 - иммерсионная ионнооптическая система; 8 - мишень.

На фиг.2 представлены различные конфигурации магнитных полей вдоль оси газонаполненной нейтронной трубки, где K1 - конфигурация В-поля, когда разноименные полюса магнитов расположены навстречу друг другу; K2 - конфигурация В-поля, когда одноименные полюса магнитов расположены навстречу друг другу; K3 - конфигурация В-поля при одном дисковом магните 1.

Рассмотрим способ на примере формирования полей двумя стационарными магнитами. Ионный источник газонаполненной нейтронной трубки снабжен дисковым 1 и кольцевым 5 магнитами, у которых разноименные полюса расположены навстречу друг к другу.

Образуемое между магнитами 1 и 5 магнитное В-поле в полости антикатода 4 вблизи отверстия для выхода ионов 6 меняет свое направление на противоположное, переходя через нулевое значение поля в точке «0» полости антикатода 4 (фиг.2, конфигурация поля К1).

Если дисковый 1 и кольцевой 5 магниты установлены одинаковыми полюсами навстречу друг другу, то магнитное поле в ионном источнике имеет конфигурацию K2 (фиг.2). В этом случае источник трубки в рабочем режиме (при токе около 85 мкА и ускоряющем напряжении 85 кВ) потребляет энергию в 1,5 раза больше.

Если в ионном источнике установить один дисковый магнит 1, то конфигурация В-поля приобретет вид K3. В этом случае в рабочем режиме ионный источник потребляет энергию в 3,5 раза больше и понижается выход нейтронного потока.

Экспериментальные усредненные данные, полученные при проведении исследований нейтронных трубок (фиг.1) с ионными источниками, имеющими конфигурацию магнитных полей K1, K2, и нейтронных трубок, имеющих конфигурацию магнитного поля K3, обобщены и представлены в таблице.

Экспериментальные данные получены на частоте f=1000 Гц, при длительности модуляционных импульсов 100 мкс и при скважности S=10.

Способ обеспечивает получение нейтронных потоков, превышающих интенсивность 10⁸ нейтр./с при скважностях S модуляционных импульсов, подаваемых на анод 3 ионного источника, от 4 до 25.

Скважность S=1/τ·f, где: τ - длительность модуляционных прямоугольных импульсов напряжения амплитудой 2,5 кВ, подаваемых на анод ионного источника; f - частота следования модуляционных импульсов.

Стабильная работа при скважностях модуляционных импульсов около 25 обеспечена протеканием низких токов через ионный источник и уменьшением давления рабочего газа в трубке при сохранении тока (~85 мкА) через трубку. Варианты трубок с ионными источниками, имеющими конфигурацию В-полей K2 и K3, работая при более высоких токах через ионный источник и повышенных давлениях в ионно-оптической системе, обеспечивают нормальную работоспособность при скважностях только от 4 до 10 (трубки неработоспособны при частотах ~400 Гц и длительностях модуляционных импульсов ~100 мкс).

Данный способ обеспечивает концентрацию плазмы импульсного газового разряда вблизи выходного отверстия для ионов 6 в полости антикатода 4 (фиг.1) ионного источника трубки за счет эффекта «диамагнетизма плазмы в неоднородном магнитном поле» в месте азимутально-симметричного перехода В-поля через нулевое значение «0» (фиг.2, конфигурация K1).

В неоднородном магнитном поле на частицы плазмы (и нейтральный водород) действует диамагнитная сила. Она стремится вытолкнуть частицы плазмы (и нейтральный водород) из области сильного поля в область более слабого поля (в нашем случае при работе трубки плазма и рабочий газ в ионном источнике сконцентрированы в области точки «0» полости антикатода 4 у выходного отверстия для выхода ионов 6 (фиг.1, фиг.2, конфигурация K1).

Повышение концентрации плазмы в области «0» полости антикатода увеличивает количество ионов, выводимых из плазмы через выходное отверстие 6 антикатода 4 в иммерсионную ионнооптическую 7 систему трубки. Это облегчает получение ионного тока порядка 85 мкА, протекающего через иммерсионную ионнооптическую систему 7 трубки при ускоряющем напряжении около 85 кВ и уменьшенном до 250 мкА токе через ионный источник за счет уменьшения давления рабочего газа в объеме трубки.

Уменьшение рабочего давления в трубке приводит к уменьшению столкновений пучка быстрых ионов с молекулами рабочего газа при их транспортировке через ионнооптическую систему 7.

Для удобства сборки кольцевой магнит, выполненный из Sm-Co, после намагничивания до 260-290 мТл разделяют на два полукольца, устанавливают в паз корпуса трубки у полости антикатода и скрепляют металлической немагнитной стяжкой (два магнитных полукольца, установленных в единое кольцо, - расталкиваются).

Изобретение относится к способам изготовления газонаполненных нейтронных трубок и формированию нейтронного потока. Способ формирования нейтронного потока газонаполненной нейтронной трубки с ионным источником заключается в том, что создают магнитное поле дисковым и кольцевым магнитами, у выходного отверстия для ионов в полости антикатода ионного источника формируют азимутально-симметричный переход магнитного поля через нулевое значение. Параметры дискового и кольцевого магнитов выбирают из условий:

B_d≥2B_c≥240 мТл; 2,5≤S/h≤3,0; 2,0≤D/l≤2,5, где B_d - максимальная магнитная индукция дискового магнита; B_c - максимальная магнитная индукция кольцевого магнита; S - расстояние между магнитами; D - диаметр полости в антикатоде; l - глубина полости в антикатоде; h - высота анода. Технический результат - повышение нейтронного потока, уменьшение рабочего давления, повышение надежности и ресурса работы, уменьшение диаметра прибора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ формирования нейтронного потока газонаполненной нейтронной трубки с ионным источником, в котором создают магнитное поле дисковым и кольцевым магнитами, отличающийся тем, что у выходного отверстия для ионов в полости антикатода ионного источника формируют азимутально-симметричный переход магнитного поля через нулевое значение.

2. Способ формирования нейтронного потока газонаполненной нейтронной трубки с ионным источником по п.1, отличающийся тем, что параметры дискового и кольцевого магнитов выбирают из условий:
B_d≥2B_c≥240 мТл; 2,5≤S/h≤3,0; 2,0≤D/l≤2,5,
где B_d - максимальная магнитная индукция дискового магнита;
B_c - максимальная магнитная индукция кольцевого магнита;
S - расстояние между магнитами;
D - диаметр полости в антикатоде;
l - глубина полости в антикатоде;
h - высота анода.