ИСТОЧНИК ИОНОВ ДЛЯ НЕЙТРОННОЙ ТРУБКИ Российский патент 2016 года по МПК H05H1/24 

Область техники

Изобретение относится к устройствам для генерации плазмы, конкретно к электроразрядным импульсным источникам ионов плазмы для работы в составе вакуумных нейтронных трубок, и может быть использовано в ускорительной технике или в геофизическом приборостроении, например в импульсных генераторах нейтронов народно-хозяйственного назначения, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа.

Уровень техники

Принцип действия вакуумной нейтронной трубки состоит в генерации плазменного объема и извлечении из него ионов изотопов водорода, формировании и ускорении пучка ионов с помощью ионно-оптической системы электродов в направлении мишени. При взаимодействии ускоренных до энергии Е>100 кэВ ионов, например дейтронов, с ядрами трития или дейтерия, содержащимися в мишени, происходит ядерная реакция T(d,n)⁴He или D(d,n)³He с выходом нейтронов с энергией ~14 МэВ или ~2,5 МэВ, соответственно.

В вакуумных нейтронных трубках широко используются трехэлектродные (катод - поджигающий электрод - анод) искродуговые источники ионов, получение ионов дейтерия в которых основано на десорбции окклюдированного в металле (Ti, Zr) электродов дейтерия и его ионизации в дуговом разряде между катодом и анодом. Ресурс такого ионного источника определяется разрушением рабочей поверхности электродов, межэлектродного изолятора, а также уменьшением содержания дейтерия в рабочей поверхности электродов при термодесорбции (истощением). Увеличение энерговклада в ионный источник, с одной стороны, приводит к увеличению эмиссии дейтронов, а с другой, - уменьшает его ресурс [Щитов Н.Н., Щитов А.Н. Исследование источников ионов вакуумных нейтронных трубок // Вопросы атомной науки и техники, вып. 2 (25) «Технологии и материаловедение для производства изделий» - М.: ВНИИА им. Н.Л. Духова, 2008, с. 69-83].

Известен искровой трехэлектродный аксиально-симметричный ИИ, состоящий из цилиндрического катода, поджигающего электрода, расположенного на продольной оси ИИ и отделенного от катода трубчатым керамическим изолятором, а также дискового анода с центральным отверстием, размещенного на расстоянии 10 мм от торцевой поверхности катода [Vasiliev А.А., Iosseliani D.D., Kushin V.V. et al., Experimental study of injector based on the spark source with titanium cathode saturated with hydrogen // Problems of atomic science and technology (2004) №1. Serie: Nuclear Physics Investigation (42), p. 83-85]. Катод выполнен из титана (или циркония) и насыщен дейтерием. Поверхностный разряд между поджигающим электродом и катодом по внешней поверхности (торцу) изолятора десорбирует дейтерий из торцевой поверхности катода и инициирует основной разряд между катодом и анодом.

Известен также вакуумно-дуговой источник дейтронов в импульсной ускорительной нейтронной трубке [Патент РФ №2467526 С1, 14.06.2011], состоящий из соосно расположенных кольцевых катода и анода, насыщенных дейтерием, разделенных кольцевым изолятором. На внутреннем и внешнем обводах встречных боковых поверхностей катода и анода сформированы выступы с высотой, равной толщине изоляционных дисков (изоляторов), с образованием кольцевых полостей, в которых расположены катод и анод. Возможен также конструктивный вариант, при котором источник дейтронов содержит между катодом и анодом дополнительный кольцевой электрод поджига, отделенный от них кольцевыми изоляторами.

Несмотря на некоторые различия в геометрии электродов и изолятора в приведенных выше аналогах источников ионов инициирующим электрическим разрядам в таких источниках ионов присущи недостатки поверхностного и искрового разрядов.

Здесь под поверхностным разрядом между электродами, расположенными на поверхности изолятора, понимается его (разряда) разновидность с преимущественно или чисто тангенциальной составляющей электрического поля к поверхности диэлектрика, который реализуется в случаях, когда поверхностная емкость изолятора относительно второго электрода мала и не оказывает заметного влияния на развитие разряда. Такой поверхностный разряд сохраняет все свойства газового разряда. Величина напряжения пробоя определяется в основном давлением газа и расстоянием между электродами, а положение пробоя и канализации искрового разряда - наличием микронеоднородностей на кромках этих электродов и изолятора. Для такой конфигурации электроды-изолятор нет физических предпосылок для формирования развитого (сплошного или диффузного), а для кольцевых или цилиндрических электродов - азимутально-симметричного разряда. В результате, разряд привязывается, как правило, к тройной точке (электрод-изолятор-вакуум), наличие которой облегчает инициирование разряда [Григорьев А.Н., Павленко А.В., Ильин А.П., Карнаухов Е.И. Электрический разряд по поверхности твердого диэлектрика. 4.1. Особенности развития и существования поверхностного разряда, Известия Томского политехнического университета 2006, том 309, вып. 1]. Последующий дуговой разряд между катодом и анодом канализируется в местах привязки поджигающего разряда, что приводит к неэффективному использованию рабочих поверхностей электродов для десорбции дейтерия. Это ограничивает плотность дейтериевой плазмы и тока ионного пучка и, соответственно, нейтронный выход. Эффективность десорбции рабочего газа из пятна привязки искрового разряда к электродам падает со временем вследствие "истощения" пятна привязки разряда, что ограничивает ресурс работы ИИ и ВНТ.

Техническим результатом изобретения является рост величины и стабильности генерируемого потока нейтронов, а также продление ресурса работы вакуумной нейтронной трубки.

Раскрытие изобретения

Технический результат достигается тем, что в источнике ионов для нейтронной трубки, состоящим из соосно расположенных катода, насыщенного изотопами водорода, поджигающего электрода, отделенного от катода изолятором, и анода, поджигающий электрод и рабочая часть катода расположены на одной поверхности изолятора, а нерабочая часть катода расположена с противоположной стороны изолятора, образуя конденсатор, обкладками которого являются поджигающий электрод с поверхностью изолятора, по которой развивается поджигающий разряд, и нерабочая часть катода, толщина изолятора d выбирается из соотношения $$C_0=\frac{{\epsilon }_0\epsilon }{d}={10}^{-5}÷{10}^{-6}Ф/{м}^2$$ , где С₀ - удельная поверхностная емкость, ε₀ - электрическая постоянная, ε - диэлектрическая проницаемость.

Скользящий разряд осуществляют между двумя электродами, расположенными на одной поверхности диэлектрика. Но, в отличие от других видов поверхностного разряда, он характеризуется специальной конфигурацией электродов: низковольтный (заземленный) электрод соединен с электропроводящей поверхностью на противоположной стороне диэлектрика, выполненной, например, в виде обратного токопровода, либо напыленной поверхности, образуя конденсатор с обкладками в виде высоковольтного электрода с поверхностью изолятора, по которой развивается разряд, и электропроводящей поверхностью на противоположной стороне диэлектрика. Удельная поверхностная емкость такого конденсатора растет с увеличением диэлектрической проницаемости изолятора ε и снижением его толщины $$d\left(C_0=\frac{{\epsilon }_0\epsilon }{d}\right)$$ и становится значительно выше, чем в геометрии поверхностного разряда. Напряженность электрического поля в этом случае может усиливаться до 10² раз, т.к. определяется не длиной межэлектродного промежутка, а толщиной диэлектрика и его диэлектрической проницаемостью (разряд с преобладающей нормальной составляющей электрического поля) [Петрухин А.Н., Поздняков Н.И., Чесноков И.П., Якимчук Н.И. Изоляция и перенапряжения. 4.1. Разряды и пробои, Вятский ГУ, Киров, 2003]. Таким образом, возрастание величины С₀ ведет к снижению пробивного напряжения по поверхности диэлектрика и увеличению скорости развития разряда.

Влияние величины С₀ на протекание процесса разряда растет при росте частоты тока (растет емкостная проводимость за счет токов смещения), поэтому при воздействии на электроды высоковольтного импульса напряжения с высокой скоростью нарастания (до ~10¹² В/с) в разрядном промежутке возникают условия, характерные для наносекундного электрического пробоя [И.В. Курнин. Моделирование скользящего разряда как источника ионов для элементного масс-спектрометрического анализа диэлектриков, Научное приборостроение, 2006, т. 16, №4, с. 55-60]. При этом скорость развития разряда (10⁶÷10⁸ см/с) становится соизмеримой со скоростью протекания элементарных процессов в плазме разряда, что приводит к отклонению от лавинного (таунсендовского) и стримерного механизмов разряда, и даже при протекании больших токов (~10⁵ А) разряд остается диффузным, канал дугового разряда не образуется. Малая индуктивность и относительно большое сопротивление прижатого к поверхности диэлектрика завершенного скользящего разряда обеспечивают высокую мощность энерговыделения в канале разряда, что приводит к образованию плотной высокотемпературной плазмы с большой площадью излучающей поверхности. Излучение разряда на этой стадии содержит интенсивный УФ-компонент (вплоть до мягкого рентгена) [Дашук П.Н., Кулаков С.Л., Чистов Е.К. Восстановление спектра рентгеновского излучения скользящего разряда наносекундного диапазона // Письма в ЖТФ 1998, т. 24, вып. 7, стр. 39-44]. Это излучение создает свободные фотоэлектроны на расстояниях, значительно превышающих критические размеры первичных лавин, что существенно повышает эффективность инициирования основного разряда катод-анод, снижает его задержку относительно поджигающего импульса, что чрезвычайно важно при синхронной подаче поджигающего и ускоряющего импульсов в вакуумных нейтронных трубках.

Используя формулу Тэплера для длины канала скользящего разряда, можно оценить величину напряжения межэлектродного пробоя при скользящем разряде как U_п=U_p=χL^0.2(С₀)^-0.4, где χ - коэффициент, определяемый опытным путем, L - расстояние между электродами, С₀ - удельная поверхностная емкость электродов (учитывая слабое влияние скорости нарастания напряжения) [Редько В.В. и др., Изоляция кабельных изделий как объект электроискрового технологического контроля // Известия Томского Политехнического Университета, т. 317, №4 2010, стр. 111-114].

Незавершенный скользящий разряд в большинстве случаев (при высокой скорости изменения приложенного напряжения) также имеет многоканальную форму, близкую к диффузной, и высокие параметры плазмы разряда.

Подобные разряды могут работать в импульсно-периодическом режиме при частотах следования импульсов до 10²÷10³ Гц [Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника // - М.: Наука, 2004. - 704 с.].

Вышеупомянутые свойства скользящего разряда предоставляют существенные возможности для повышения эксплуатационных свойств как малогабаритных трехэлектродных ионных источников, так и вакуумных нейтронных трубок, использующих подобные источники.

Осуществление изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлен вариант реализации устройства - источника ионов - с конструктивными изменениями в соответствии с предлагаемым изобретением (вариант в цилиндрической геометрии с центральным поджигом). На чертеже правая часть соответствует принципиальной схеме одного из аналогов, а левая часть с конструктивными изменениями в соответствии с предлагаемым изобретением). Вакуумно-дуговой источник ионов состоит из цилиндрического катода с рабочей частью (к которой привязывается разряд) 1 и нерабочей частью 2, анода 5, насыщенных изотопом водорода, например дейтерием, дополнительного цилиндрического электрода 3 для поджига разряда между катодом и анодом, изоляторов 4, изолирующих поджигающий электрод от катода. К противоположной поверхности примыкает нерабочая часть катода 2, образуя конденсатор с обкладками в виде поджигающего электрода 3 с поверхностью изолятора 4, по которой развивается разряд, и нерабочей части катода 2.

Соотношение основных параметров изолятора (толщины d и диэлектрической проницаемости ε) оценивается, исходя из уровня величины удельной поверхностной емкости $$C_0=\frac{{\epsilon }_0\epsilon }{d}={10}^{-5}÷{10}^{-6}Ф/{м}^2$$ , обеспечивающей уровень пробивного напряжения U_p на уровне сотен вольт. В качестве диэлектрика можно использовать титанат бария, титанат цинка, слюду, карбид кремния, алюмооксидную керамику и др.

Внесенные изменения геометрии ИИ и выбор параметров изолятора (величины диэлектрической проницаемости и толщины) увеличивают удельную емкость промежутка «поджигающий электрод с поверхностью изолятора - нерабочая часть катода» до значений 10^-5÷10^-6 Ф/м² и кардинально изменяют физическую природу поджигающего разряда, делая возможным развитие многоканального азимутально-симметричного скользящего разряда между поджигающим электродом и рабочей частью катода по поверхности изолятора.

Источник ионов работает следующим образом. Катод и анод соединяются через коммутатор с высоковольтным источником напряжения (коммутатор и источник не показаны). При подаче от генератора поджигающих импульсов (не показан) импульса с величиной напряжения, оцененной из формулы для пробивного напряжения в разделе "Раскрытие изобретения", на электрод поджига 3 возникает пространственно-развитый азимутально-симметричный завершенный скользящий разряд между поджигающим электродом и рабочей частью заземленного катода 1 по внутренней поверхности изолятора 4, который (поджигающий разряд) в свою очередь эффективно инициирует азимутально-симметричный пространственно развитый дуговой разряд между катодом и анодом 5. Из электродных пятен образовавшейся вакуумной дуги испускаются плазменные потоки, содержащие дейтроны, т.к. катод (или электроды) источника содержат дейтерий в окклюдированном состоянии. В процесс десорбции дейтерия при этом вовлекается большая часть рабочей поверхности электродов, что повышает плотность и объем плазменного образования, плотность ионного тока и, соответственно, нейтронный выход. Высокая скорость развития поджигающего разряда повышает эффективность десорбции дейтерия из катода и анода в дуговом разряде и снижает уровень примесей в ускоренном пучке ионов (вследствие большей инерционности тяжелых атомов примесей). Кроме того, токовая эрозия электродов распределяется по значительно большей поверхности электродов, чем при локализованном поверхностном разряде между электродами, что также результируется в повышении ресурса работы как ионного источника, так и вакуумной нейтронной трубки.

Высокая мощность энерговыделения в канале поджигающего скользящего разряда существенно повышает плотность ионного тока за счет снижения задержки развития основного разряда, а также делает целесообразным использование поджигающего электрода и керамического изолятора, насыщенных дейтерием, для повышения производительности десорбции последнего.

Следует отметить, что даже если величина напряжения поджига недостаточна для пробоя (завершенного скользящего разряда), развивающийся незавершенный разряд также обладает, как указывалось выше, высокими параметрами плазмы и излучающими свойствами, что способно эффективно инициировать основной разряд. Отсутствие сильноточной фазы обусловливает высокую однородность плазменного листа, созданного незавершенным скользящим разрядом на поверхности изолятора.

Положительными эффектами использования подобного вакуумно-дугового ионного источника являются возможность получения более высоких и предсказуемых параметров плазмы в ионном источнике, что в свою очередь существенно повышает величину и стабильность генерируемого потока нейтронов, а также ресурс работы вакуумной нейтронной трубки.

Подобный подход к формированию электродной системы ИИ для использования в импульсных вакуумных нейтронных трубках применим практически для всех известных электроразрядных вариантов их конструктивного исполнения.

Изобретение относится к устройствам для генерации плазмы, конкретно к электроразрядным импульсным источникам ионов плазмы для работы в составе вакуумных нейтронных трубок, и может быть использовано в ускорительной технике или в геофизическом приборостроении, например в импульсных генераторах нейтронов народно-хозяйственного назначения, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа. Технический результат - рост величины и стабильности генерируемого потока нейтронов, а также продление ресурса работы вакуумной нейтронной трубки. В источнике ионов для нейтронной трубки, состоящем из соосно расположенных катода, насыщенного изотопами водорода, поджигающего электрода, отделенного от катода изолятором, и анода, поджигающий электрод и рабочая часть катода расположены на одной поверхности изолятора, а нерабочая часть катода расположена с противоположной стороны изолятора, образуя конденсатор, обкладками которого являются поджигающий электрод с поверхностью изолятора, по которой развивается поджигающий разряд, и нерабочая часть катода, толщина изолятора d выбирается из соотношения $$C_0=\frac{{\epsilon }_0\epsilon }{d}={10}^{-5}÷{10}^{-6}Ф/{м}^2$$ , где С₀ - удельная поверхностная емкость, ε₀ - электрическая постоянная, ε - диэлектрическая проницаемость. 1 ил.

Источник ионов для нейтронной трубки, состоящий из соосно расположенных катода, насыщенного изотопами водорода, поджигающего электрода, отделенного от катода изолятором, и анода, характеризующийся тем, что поджигающий электрод и рабочая часть катода расположены на одной поверхности изолятора, а нерабочая часть катода расположена с противоположной стороны изолятора, образуя конденсатор, обкладками которого являются поджигающий электрод с поверхностью изолятора, по которой развивается поджигающий разряд, и нерабочая часть катода, толщина изолятора d выбирается из соотношения , где C₀ - удельная поверхностная емкость, ε₀ - электрическая постоянная, ε - диэлектрическая проницаемость.