ГАЗОНАПОЛНЕННАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА Российский патент 2009 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к газонаполненным нейтронным трубкам для каротажных работ на нефтяных, газовых и рудных месторождениях.

Известные малогабаритные газонаполненные нейтронные трубки с ионным источником Пеннинга, работающие в импульсно-частотном режиме при постоянном ускоряющем напряжении 80-90 кВ, отличаются друг от друга ионно-оптической системой (аксиальная или иммерсионная) и видом ионных источников:

- ионный источник с одним кольцевым цилиндрическим магнитом, установленным вне объема трубки, имеющей аксиальную ионно-оптическую систему, B.C.Васин, В.А.Тукарев, Т.О.Хасаев, Р.Х.Якубов, Научная сессия МИФИ-2005, Сборник научных трудов, том 5, Москва 2005, 212-213, аналог;

- ионный источник с одним кольцевым цилиндрическим магнитом, установленным на аноде источника внутри трубки, с аксиальной ионно-оптической системой, патент СССР №1590019, МПК: H05H 5/02, G21G 4/02;

- ионный источник с одним кольцевым магнитом, установленным у выходного отверстия антикатода внутри объема трубки, с аксиальной ионно-оптической системой, O.Reifenschweiler, Nucleonics, 18, 12, 69 (1960);

- ионный источник с одним дисковым магнитом, установленным со стороны катода источника, вне объема трубки, с иммерсионной ионно-оптической системой, J.Yu et al. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. Bill (1996) 148-150; B.C.Васин, Р.Х.Якубов, Разработка газонаполненной нейтронной трубки для скважинного генератора нейтронов, ФГУП РФЯЦ - ВНИИЭФ, Сборник докладов Четвертой научно-технической конференции, 1-3 ноября 2005 г., Саров, 2006, с.310-312;

- ионный источник с двумя магнитами: дисковым и кольцевым, установленными внутри объема трубки; Timus D., Neutron generating tubes NSA, 1968, т.22, №15, 32361, прототип.

Существующие дейтерий-тритиевые малогабаритные газонаполненные нейтронные трубки, работающие на ядерной реакции T(d,n)He⁴ и используемые в нейтронных генераторах для скважинной геофизической аппаратуры, генерируют 14 МэВ - нейтроны и обеспечивают нейтронные потоки не выше 10⁸ нейтр./с.

Недостатками известных малогабаритных трубок с ионным источником являются: сложность уменьшения диаметра из-за наличия кольцевого цилиндрического магнита, устанавливаемого снаружи трубки, повышенное энергопотребление и недостаточно высокий срок службы; недостаточно высокий нейтронный поток (не выше 10⁸ нейтр./с); сложность крепления магнита внутри трубки на аноде источника, проблема сохранения термостойкости магнита при высокотемпературной обработке трубки на вакуумном посту, а также проблема сохранения вакуума из-за наличия магнита в объеме трубки; сложность установки кольцевого магнита внутри трубки вблизи полости антикатода ионного источника.

Данное изобретение исключает недостатки аналогов и прототипа.

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

Технический результат достигается тем, что в газонаполненной нейтронной трубке, содержащей корпус, в котором расположены иммерсионная ионно-оптическая система, мишень, магнитогазоразрядный ионный источник с дисковым магнитом катода и кольцевым магнитом вокруг полого антикатода, кольцевой магнит выполнен из двух полуколец и скреплен пружинной металлической немагнитной стяжкой и установлен в теле антикатода во внешнем пазу корпуса, а дисковый магнит расположен в полости проходного изолятора ионного источника, его магнитное поле направлено навстречу магнитному полю дискового магнита и выбрано из условия: B_d≥2B_c≥240 мТл,

где B_d - максимальная магнитная индукция дискового магнита;

B_c - максимальная магнитная индукция кольцевого магнита.

Глубина полости антикатода, ее диаметр, расстояние между магнитами, также высота анода связаны соотношениями: 2.5≤S/h≤3.0 и 2.0≤D/l≤2.5, где l - глубина полости антикатода; S - расстояние между магнитами, h - высота анода; D - диаметр полости антикатода.

Сущность предлагаемого устройства поясняется на фиг.1-3.

На фиг.1 схематично представлен поперечный разрез газонаполненной нейтронной трубки, 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 ионно-оптическая 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.

На фиг.3 схематично представлен разрез ионного источника газонаполненной нейтронной трубки.

Ионный источник газонаполненной нейтронной трубки снабжен дисковым магнитом 1 и кольцевым магнитом 5, причем разноименные полюса магнитов расположены навстречу друг 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 K1, фиг.3).

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 трубки ~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, а трубка дает низкий нейтронный поток.

Экспериментальные усредненные данные, полученные при проведении исследований пяти нейтронных трубок фиг.1 с ионными источниками, имеющими конфигурацию магнитных полей K1, K2, и пяти 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.

Изобретение 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 устройства 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 нейтронный поток ≥10⁸ нейтр./с при скважностях только от 4 до 10 (трубки неработоспособны при частотах ~400 Гц и длительностях модуляционных импульсов ~100 мкс).

Изобретение обеспечивает концентрацию плазмы импульсного газового разряда вблизи выходного отверстия для ионов 6 в полости антикатода 4 (фиг.1 и фиг.2.1; 2.2) 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, стремящаяся 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 ионно-оптическую систему трубки 7. Это облегчает получение ионного тока ~85 мкА, протекающего через иммерсионную ионно-оптическую систему трубки 7 при ускоряющем напряжении ~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 газонаполненным нейтронным трубкам для каротажных работ на нефтяных, газовых и рудных месторождениях. Газонаполненная нейтронная трубка содержит корпус, в котором расположены иммерсионная ионно-оптическая система, мишень, магнитогазоразрядный ионный источник с дисковым магнитом катода и кольцевым магнитом вокруг полого антикатода. Кольцевой магнит выполнен из двух полуколец и скреплен пружинной металлической немагнитной стяжкой и установлен в теле антикатода во внешнем пазу корпуса, а дисковый магнит расположен в полости проходного изолятора ионного источника, его магнитное поле направлено навстречу магнитному полю дискового магнита и выбрано из условия B_d≥2B_c≥240 мТл, где B_d - максимальная магнитная индукция дискового магнита; B_c - максимальная магнитная индукция кольцевого магнита. Технический результат: повышение нейтронного потока, уменьшение энергопотребления, уменьшение рабочего давления, повышение надежности и ресурса работы, уменьшение диаметра прибора. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Газонаполненная нейтронная трубка, содержащая корпус, в котором расположены иммерсионная ионнооптическая система, мишень, магнитогазоразрядный ионный источник с дисковым магнитом катода и кольцевым магнитом вокруг полого антикатода, отличающаяся тем, что кольцевой магнит выполнен из двух полуколец и скреплен пружинной металлической немагнитной стяжкой и установлен в теле антикатода во внешнем пазу корпуса, а дисковый магнит расположен в полости проходного изолятора ионного источника, его магнитное поле направлено навстречу магнитному полю дискового магнита и выбрано из условия:
B_d≥2B_c≥240 мТл,
где B_d - максимальная магнитная индукция дискового магнита;
B_c - максимальная магнитная индукция кольцевого магнита.

2. Газонаполненная нейтронная трубка по п.1, отличающаяся тем, что глубина полости антикатода, ее диаметр, расстояние между магнитами, а также высота анода связаны соотношениями:
2,5≤S/h≤3,0; и 2,0≤D/l≤2,5,
где l - глубина полости антикатода;
S - расстояние между магнитами,
h - высота анода;
D - диаметр полости антикатода.