СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕЙТРОННОЙ ТРУБКИ Российский патент 2015 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к изготовлению электродов и мишеней нейтронных трубок для генерации потоков нейтронов и может быть использовано при разработке генераторов нейтронов для исследования геофизических и промысловых скважин.

Известен способ изготовления газонаполненной нейтронной трубки, предусматривающий бомбардирование нейтронно-образующей мишени ионами дейтерия и дополнительно бомбардирование ионами более тяжелого газа, например аргона, ксенона, одновременно или попеременно с бомбардированием ионами дейтерия. Патент Российской Федерации №2052849, МПК G21G 4/02, 1996 г.

Известен способ изготовления мишени нейтронной трубки, предназначенный для использования в скважинно-геофизической аппаратуре. Способ включает в себя напыление титановой пленки на мишень внутри газонаполненной нейтронной трубки. Напыление производится на металлической основе мишени, которая нагрета до 500-650°C. Обеспечивается повышение термостойкости мишени. Патент Российской Федерации №2222064, МПК G21G 4/02, 2004 г.

Известен способ изготовления газонаполненной нейтронной трубки, в котором металл наносится на мишень во время перерывов в работе генератора, насыщая ее дейтерием и тритием из газа, находящегося в объеме газонаполненной нейтронной трубки. Напылитель активного к водороду металла на мишень содержит оправу, изготовленную из вакуумного диэлектрического материала, в которой выполнены пазы, где размещены электроды с возможностью возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной оси трубки электрода поджига. Подвижность электродов поджига позволяет с помощью сильфонов без нарушения вакуума изменять снаружи газонаполненной трубки зазор между ними и распыляемым электродом, добиваясь гарантированного пробоя зазора и образования дуги под воздействием напряжения электропитания распылителя. Очень сложная реализация. Патент Российской Федерации №2273118, МПК G21G 4/02, 2006 г.

Известен способ изготовления газонаполненной нейтронной трубки, в котором нейтроны получают бомбардировкой составной мишени в рабочем режиме генерации ионами дейтерия, ускоренными до энергии, при которой пробег ионов дейтерия в мишени больше суммарной толщины ее слоев. Непрерывно измеряют уровень нейтронного потока, при уменьшении потока ниже минимального уровня отключают подачу дейтерия в источник ионов, подают в него тритий и облучают мишень ионами трития при ускоряющем напряжении, равном 0,5+0,05 от уровня напряжения ускорения ионов дейтерия в рабочем режиме регенерации. Периодически выключают подачу трития в источник ионов, а генерацию нейтронов производят путем подачи в него дейтерия и измеряют уровень нейтронного потока до момента, пока приращение уровня нейтронного потока между двумя последовательными измерениями уменьшится до величины, равной ошибке измерения, после чего производят генерацию нейтронов в рабочем режиме. Патент Российской Федерации №2287196, МПК G21G 4/02, 2006 г. Все приведенные выше аналоги имеют сложную технологию насыщения мишени газонаполненной нейтронной трубки дейтерием и тритием.

Известен способ изготовления газонаполненной нейтронной трубки, включающий напыление пленки адсорбента на металлическую основу мишени. Установку мишени в газонаполненную нейтронную трубку, сборку газонаполненной нейтронной трубки. Набивку мишени газонаполненной нейтронной трубки равносмешанным пучком ионов дейтерия и трития в составе газонаполненной нейтронной трубки, высоковольтную тренировку и набивку мишени газонаполненной нейтронной трубки ионами дейтерия и трития в пропорции 50% Д + 50% Т при ускоряющем напряжении U_T около 90 кВ и токе через трубку 80 мкА. Как правило, суммарное время высоковольтной тренировки и набивки мишени составляет 10-15 часов. R.C. Campbell, Bull. Amer. Phys. Soc, 29, 1, 54 (1954); G. Philipp, Nucl. Instr. And Meth, 37, 313 (1965); K. Piebiger, Z. Naturforsch, 11 A, 607 (1956); K. Piebiger, Z. Naturforsch, 9, 213 (1957).

Недостатком известных технических решений по изготовлению газонаполненной нейтронной трубки является то, что в процессе набивки мишени ионами дейтерия и трития в составе газонаполненной нейтронной трубки происходит отслоение скандиевой или титановой пленки от медной подложки за счет локального повышения концентрации дейтерия и трития в пленке.

Известен способ изготовления газонаполненной нейтронной трубки, включающий напыление пленки адсорбента на металлическую основу мишени, установку мишени в газонаполненную нейтронную трубку, и набивку мишени равносмешанным пучком ионов дейтерия и трития, в котором мишень газонаполненной нейтронной трубки предварительно насыщают дейтерием до атомного отношения η не менее 1,6, где η - отношение количества атомов дейтерия к количеству атомов пленки адсорбента. Патент Российской Федерации №2327243, МПК: G21G 4/02, 2008 г.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки аналогов и прототипа.

Задачей данного изобретения является повышение надежности и ресурса газонаполненной нейтронной трубки и увеличение ее нейтронного потока, за счет увеличения атомарной составляющей ионов и уменьшения давления рабочего газа при неизменном токе через газонаполненную нейтронную трубку.

Техническим результатом изобретения является повышение нейтронного потока ускорительной газонаполненной нейтронной трубки и ресурса трубки.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления нейтронной трубки, включающем сборку, электровакуумную обработку, активирование генератора водорода, заполнение рабочим газом и высоковольтную тренировку, на электроды ионного источника наносят покрытие из сплава Pd-Ba с составом Pd (98-99) вес.% и Ba (1-2) вес.%, толщиной от 1 до 5 мкм, проводят вакуумную дегазацию деталей с покрытием при температуре от (500 до 800)°C, в течение (1,5±0,5) часов, при рабочем напряжении (2,5±0,5) кВ ионного источника и вытягивающем отрицательном напряжении (от -20 до -30) кВ, устанавливают ток разряда в источнике ионов, соответствующий рабочему току нейтронной трубки, при увеличении значения разрядного тока (более 250 мкА), уменьшают давление в нейтронной трубке, снижая разрядный ток до исходной величины, фиксируют окончание роста разрядного тока в ионном источнике и прерывают процесс активирования, проводят реактивацию газогенератора, а затем выполняют высоковольтную тренировку трубки.

Нижняя граница температурного режима 500°C при предварительном обезгаживании деталей с нанесенным покрытием обусловлена тем, что должна быть больше той, при которой проводится финишная термавакуумная обработка прибора (больше 380°C). Верхняя граница 800°C определяется начальной температурой активирования покрытия из Pd-Ba, которую превышать не допускается во избежание нежелательной сорбции покрытием сторонних газов, в т.ч. и из воздуха. При этом барий может образовывать окисные соединения, гидроокисные, которые впоследствии могут затруднять эмиссионные процессы на электродах ионного источника трубки.

Представленные экспериментальные данные получены на нейтронных трубках, в которых детали с покрытием Pd-Ba проходили предварительное обезгаживание при температуре (650±50)°C в течение (1,5±0,2) часов. Превышение указанной температуры (800°C) при проведении предварительного отжига приводило к уменьшению эмиссионных свойств в среднем на (12-16)%, а при меньших значениях нижней границы температуры (500°C) не происходил процесс дегазации из материалов подложки, что в конечном счете приводило к повышенному газовыделению в составе трубки из указанных деталей и выходу прибора из строя.

Время проведения операции термовакуумной обработки деталей с покрытием выбиралось исходя из условия установления стационарного потока газовыделения из деталей с покрытием.

Величина рабочего напряжения на электродах ионного источника ((2,5±0,5) кВ) представленных нейтронных трубок характерна для большинства каротажных ГНТ с ионными источниками пеннинговского типа с холодными вторично-эмиссионными катодами.

При увеличении величины разрядного тока, приведенного в формуле (более 250 мкА), начинают существенно проявляться процессы распыления элементов покрытия в ионном источнике и тем самым происходит уменьшение ресурса самого покрытия, что фиксируется в виде появления запыления на высоковольтном изоляторе трубке и снижения эмиссионных свойств ионного источника.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1, 2.

На фиг.1 схематично представлен расчет движения заряженных частиц в ионно-оптической системе газонаполненной нейтронной трубки при вытягивающем напряжении -20 кВ, количество частиц в пучке пропорционально рабочему току трубки (~80 мкА): 1 - фокусирующий электрод (заземлен); 2 - ускоряющий электрод (потенциал -20 кВ); 3 - мишень (потенциал -20кВ); 4 - высоковольтный изолятор; 5 - ионный пучок; 6 - ионный источник.

На электроды трубки наносят эмиссионное покрытие Pd-Ba толщиной от 1 до 5 мкм с процентным содержанием палладия (98-99) вес.% и бария (1-2) вес.%. После нанесения покрытия электроды отжигают в вакууме в течение 1 часа при температуре 800°C. Температуру выбирают из условия отсутствия процесса активирования эмиссионного слоя. После вакуумного отжига и до установки в трубку электроды хранят в вакуумной таре.

После вакуумного отжига, активирования генератора водорода, заполнения трубки рабочей смесью газов и герметизации проводят низковольтную обработку рабочих поверхностей электродов ионного источника и ионнооптической системы. В ионном источнике нейтронной трубки зажигают разряд с током на уровне (150-250) мкА при фиксированном постоянном анодном напряжении (2,0±0,5) кВ и фиксированном токе через газогенератор (установившемся давлении). На мишень и на ускоряющий электрод подают вытягивающее напряжение в диапазоне -20≤Uв≤-30 кВ. Затем при увеличении значения разрядного тока не более чем на 20% уменьшают давление в нейтронной трубке, снижают разрядный ток до исходной величины, а окончании роста разрядного тока в ионном источнике заканчивают активирование.

На фиг.2 представлена вольтамперная характеристика ионного источника газонаполненной нейтронной трубки до и после проведения процесса активировки поверхностей электродов ионного источника, содержащих покрытие из слава Pd-Ba. Как видно из фиг.2, для достижения такой же величины разрядного тока после проведения процесса активировки электродов ионного тока, содержащих покрытие из сплава Pd-Ba, ток газогенератора трубки (давление) удалось снизить в среднем на 20% (ток газогенератора Iгг приведен в относительных единицах): до активировки -Iгг=15 отн. ед., после активировки - Iгг=12 отн. ед.

По результатам исследований четырех газонаполненных дейтериево-тритиевых ускорительных трубок с Pd-Ba покрытием на электродах ионного источника после проведения процесса активирования их поверхности получено, что у всех рассматриваемых изделий рабочее давление, необходимое для генерации требуемых величин разрядных токов, снизилось в среднем на 15-25%. Массовое соотношение слоя палладия (98-99) вес.% и бария (1-2) вес.%.

Изобретение относится к способу изготовления электродов и мишеней нейтронных трубок для генерации потоков нейтронов и может быть использовано при разработке генераторов нейтронов для исследования геофизических и промысловых скважин. В заявленном способе на электроды ионного источника (6) наносят покрытие из сплава Pd-Ba с составом Pd (98-99) вес.% и Ba (1-2) вес.%, толщиной от 1 до 5 мкм, проводят вакуумную дегазацию деталей с покрытием при температуре от (500 до 800)°C, в течение (1,5±0,5) часов, при рабочем напряжении (2,5±0,5) кВ ионного источника и вытягивающем отрицательном напряжении (от -20 до -30) кВ, устанавливают ток разряда в источнике ионов, соответствующий рабочему току нейтронной трубки с движением ионного пучка (5) между фокусирующим электродом (1) и ускоряющим электродом (2) по направлению к мишени (3), при увеличении значения разрядного тока более 250 мкА уменьшают давление в нейтронной трубке, снижая разрядный ток до исходной величины, фиксируют окончание роста разрядного тока в ионном источнике и прерывают процесс активирования, проводят реактивацию газогенератора, а затем выполняют высоковольтную тренировку трубки. Техническим результатом является повышение нейтронного потока и ресурса трубки. 2 ил.

Способ изготовления нейтронной трубки, включающий сборку, электровакуумную обработку, активирование генератора водорода, заполнение рабочим газом и высоковольтную тренировку, отличающийся тем, что на электроды ионного источника наносят покрытие из сплава Pd-Ba с составом Pd (98-99) вес.% и Ba (1-2) вес.%, толщиной от 1 до 5 мкм, проводят вакуумную дегазацию деталей с покрытием при температуре от (500 до 800)°C, в течение (1,5±0,5) часов, при рабочем напряжении (2,5±0,5) кВ ионного источника и вытягивающем отрицательном напряжении (от -20 до -30) кВ, устанавливают ток разряда в источнике ионов, соответствующий рабочему току нейтронной трубки, при увеличении значения разрядного тока (более 250 мкА), уменьшают давление в нейтронной трубке, снижая разрядный ток до исходной величины, фиксируют окончание роста разрядного тока в ионном источнике и прерывают процесс активирования, проводят реактивацию газогенератора, а затем выполняют высоковольтную тренировку трубки.