Генератор импульсного потока нейтронов с газонаполненной нейтронной трубкой Российский патент 2024 года по МПК H05H3/06 G21G4/02 

Изобретение относится к приборам и устройствам, генерирующим импульсные нейтронные потоки, и может быть использовано для нейтронного каротажа нефтегазовых скважин, для анализа состава вещества горных пород или для различных научных исследований.

Импульсный нейтронный генератор содержит заземленный корпус с размещенной в нем запаянной газонаполненной нейтронной трубкой c пеннинговским ионным источником. Пеннинговский ионный источник состоит из анода и двух катодов, находящихся под отрицательным потенциалом относительно анода, помещенных в продольное (направленное параллельно оси системы) магнитное поле. Анод обычно выполнен в виде цилиндра. Далее расположены ускоряющий электрод и нейтронобразующая мишень, находящиеся под высоким (относительно катодов) отрицательным потенциалом и гальванически развязанные от ионного источника с помощью высоковольтного изолятора.

Известен генератор нейтронов, содержащий запаянную нейтронную трубку с газоразрядным источником ионов, включающую термокатод, управляющую сетку, соединенную с модулятором, заземленные катод и антикатод, анод, мишень, соединенную с источником ускоряющего напряжения. Кирьянов Г. И. Генераторы быстрых нейтронов. - Москва: Издательство «Аспект Пресс», 2016. - С. 212-217. В данном приборе импульсный нейтронный поток генерируется путем модуляции электронного тока с термокатода подачей импульса напряжения на управляющую сетку.

Недостатком генератора является затянутый задний фронт нейтронных импульсов из-за наличия анодного напряжения и нерекомбинировавших заряженных частиц в источнике ионов после запирания сеткой тока с термокатода. Нерекомбинировавшие ионы извлекаются после импульса на управляющей сетки из источника, и, ускоряясь на мишень, генерируют нейтроны.

Известен нейтронный генератор, содержащий запаянную нейтронную трубку, состоящую из ионного источника с термокатодом, цилиндрического изолятора (из алюмооксидной керамики), массивного медного мишенного электрода, ускоряющего электрода, экстрагирующего электрода и газогенератора. Патент США № US 5293410, МПК G21B 1/00, 08.03.1994.

Ионный источник (ИИ) собран с помощью параллельных фланцев, расположенных перпендикулярно оси трубки и обеспечивающих токовводы и механическое соединение компонентов ионного источника. ИИ включает цилиндрический полый анод, ориентированный вдоль оси нейтронной трубки (НТ) и изготовленный либо из сетки, либо из спирали. Обычно на анод подается положительный ионизирующий потенциал (постоянный или импульсный) в диапазоне 100-300 В по отношению к катоду. ИИ также включает катод, расположенный вблизи внешней стенки анода, преимущественно посередине анода. Термокатод припаян с помощью ламелей к другому фланцу.

Из-за низкого потенциала разряда медленно движущиеся ионы образуют хвост нейтронного импульса после выключения импульса анодного напряжения. Присутствие этого заднего хвоста отрицательно сказывается на форме нейтронной вспышки, которая должна обладать резким передним и задним фронтами. Для улучшения параметров токового импульса к экстрактору добавлен отсекающий электрод в форме сеточного экрана, который закреплен, например, точечной сваркой на апертуре экстрагирующего электрода. Сеточный экран (отсекающего электрода) изготовлен из молибдена и обладает высокой прозрачностью. На сеточный экран подаются импульсы напряжения (положительной полярности и амплитудой от 100 до 300 В), синхронизованные с импульсами анодного напряжения. Этот небольшой положительный потенциал предотвращает попадание медленных ионов, покидающих ИИ, позволяя отсекать последнюю часть ионного пучка, что создает условия для формирования резкого заднего фронта нейтронного импульса.

Недостатком известного генератора являются усложнение конструкции за счет введения дополнительного сеточного электрода, усложнения схемы питания и синхронизации дополнительного импульса на сеточный электрод, необходимости применения схем накала термокатода.

Известен нейтронный генератор, содержащий проводящий заземленный корпус с размещенной в нем запаянной нейтронной трубкой с мишенью, анодом, катодом, антикатодом и термокатодом, соединенным одним концом с катодом. Патент РФ № 2784836, МПК H05H 3/06, G21G 4/02, 30.11.2022.

Источник ускоряющего напряжения включен между проводящим корпусом и мишенью. Анод соединен с корпусом, термокатод подключен к источнику питания через трансформатор. Модулятор создает на выходе импульсы отрицательной полярности с положительными выбросами. Антикатод подключен к модулятору, катод подключен к модулятору через диод. На выходе модулятора формируются импульсы отрицательного напряжения с положительными выбросами. Между импульсами электрическое поле в газоразрядной камере отсутствует, и ионизация не происходит. После возникновения на выходе модулятора импульса отрицательного напряжения в газоразрядной камере источника возникает электрическое поле, и зажигается разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. В период действия положительного импульса ионы не могут проникнуть в ускоряющий промежуток между антикатодом и мишенью трубки, и образования нейтронов не происходит. При помощи диода, катод которого подключен к выходу модулятора, положительный выброс на заднем фронте подается только на антикатод. Это формирует электрическое поле, направляющее ионы в сторону, противоположную мишени.

Недостатком известного генератора являются усложнение конструкции за счет введения дополнительной гальванической развязки антикатода, усложнения схемы питания и синхронизации дополнительного импульса на антикатод, дополнительного питание термокатода. Также неизвестно влияние газового разряда и, в частности, бомбардировки термокатода ионами изотопов водорода на ресурс и параметры термокатода, неизвестно влияние встречного электронного пучка на термокатод (т.е. его бомбардировка вторичными электронами образованными в результате ионизации остаточного газа ускоренными ионами и вторичной ион-электронной эмиссии с поверхности нейтрон образующей мишени). Бомбардировка заряженными частицами термокатода приведет к нестабильности работы и повлияет на общий ресурс прибора.

Известен импульсный генератор нейтронов с газонаполненной нейтронной трубкой, состоящей из источника ускоряющего напряжения, включенного между корпусом генератора плазмы (пеннинговского типа) и мишенью, модулятора, включенного между катодами и анодом генератора плазмы и источника питания газогенератора. Боголюбов Е.П., Васин В.С., Коротков С.А., Кузнецов Ю.П., Пресняков Ю.К., Рыжков В.И., Хасаев Т.О. Нейтронные генераторы ВНИИА на газонаполненных нейтронных трубках и их применение. - Сборник докладов международной научно-технической конференция «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе». 2004 г., Москва, Россия, с. 80-82. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Импульсный поток нейтронов в прототипе получают путем модуляции анодного напряжения. В интервалы времени, когда к аноду прикладывается положительное напряжение, в пеннинговской ячейки генератора плазмы зажигается разряд, ионы вытягиваются из разряда и ускоряются на мишень для генерации нейтронов.

Недостатком прототипа является большое время переднего фронта и большое время задержки между управляющим импульсом напряжения на аноде и появлением тока разряда и вытягиваемого тока, и, как следствие, большое время задержки нейтронного импульса.

Это происходит из-за того, что увеличение переднего фронта импульса и времени задержки связано с нехваткой первичных электронов в пеннинговской ячейке генератора плазмы в момент зажигания разряда при подаче на анод положительного напряжения.

Искажения нейтронных импульсов и уменьшение среднего потока нейтронов ограничивают области применения нейтронных генераторов и информативность методов, основанных на их использовании в каротажной аппаратуре.

Данные недостатки устраняются путем приложения положительного потенциала на анод в паузе между импульсами напряжения.

Техническим результатом изобретения является снижение времени переднего фронта и снижение времени задержки между управляющим импульсом напряжения на аноде и появлением тока разряда и вытягиваемого тока и, как следствие, уменьшение времени задержки нейтронного импульса.

Технический результат достигается тем, что генератор импульсного потока нейтронов с газонаполненной нейтронной трубкой, содержащий газонаполненную нейтронную трубку, источник питания газогенератора, источник ускоряющего напряжения, модулятор; газонаполненная нейтронная трубка содержит пеннинговский ионный источник, газогенератор, ускоряющий электрод, мишень; модулятор включает источник постоянного анодного напряжения, соединенный с корпусом и с блоком коммутации, при этом блок коммутации выполнен по двухтактной схеме на основе двух коммутаторов и подключен к аноду ионного источника, корпус заземлен; источник питания газогенератора включен между геттером и корпусом; источник ускоряющего напряжения включен между корпусом и ускоряющим электродом, который соединен с мишенью; катод и антикатод соединены с корпусом, между корпусом и блоком коммутации включен источник напряжения смещения, который в паузе между импульсами напряжения на анод пеннинговского ионного источника нейтронной трубки подает дополнительное положительное напряжение смещения U_см от 20 В до 200 В и при этом положительное напряжение смещение не должно превышать 10 % от амплитуды импульса напряжения на аноде.

В паузе между импульсами оставшиеся от предыдущего импульса электроны не уходят сразу на анод по силовым линиям магнитного поля, а продолжают медленно осциллировать в пеннинговской ячейке, при этом их энергии недостаточно для ионизации. Таким образом, к следующему импульсу в разрядной ячейке уже есть необходимое количество электронов для начала лавинообразного развития и быстрого зажигания разряда.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: 1 - геттер; 2 - катод; 3 - анод; 4 - антикатод; 5 - ускоряющий электрод; 6 -мишень; 7 - источник питания газогенератора, 8 - источник ускоряющего напряжения, 9 - источник постоянного анодного напряжения, 10 - источник напряжения смещения, 11 - блок коммутации, 12 - корпус.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение нейтронного генератора газонаполненной нейтронной трубкой с пеннинговским ионным источником (штрих-пунктиром выделена газонаполненная нейтронная трубка с пеннинговским ионным источником).

На фиг. 2 приведены зависимости времени задержки вспышки t_delay от давления при положительном (+20 В, +200 В), отрицательном (-50 В) смещении «нулевой» линий импульса напряжения и без подачи смещения.

На фиг. 3 приведены зависимость времени нарастания фронта t_front от давления при положительном (+60 В), отрицательном (-50 В) смещении «нулевой» линий импульса напряжения, а также при различных напряжениях на аноде (2 кВ и 3 кВ) без подачи смещения.

Генератор импульсного потока нейтронов с газонаполненной нейтронной трубкой содержит (фиг. 1) газонаполненную нейтронную трубку, источник 7 питания газогенератора, источник 8 ускоряющего напряжения, модулятор; газонаполненная нейтронная трубка содержит пеннинговский ионный источник, имеющий в своем составе катод 2, анод 3, антикатод 4; газогенератор, ускоряющий электрод 5, мишень 6; модулятор включает источник 9 постоянного анодного напряжения, соединенный с корпусом 12 и с блоком 11 коммутации, при этом блок 11 коммутации выполнен по двухтактной схеме на основе двух коммутаторов и подключен к аноду 3 ионного источника, корпус 12 заземлен; источник 7 питания газогенератора включен между геттером 1 и корпусом 12; источник 8 ускоряющего напряжения включен между корпусом 12 и ускоряющим электродом 5, который соединен с мишенью 6; катод 2 и антикатод 4 соединены с корпусом 12, между корпусом 12 и блоком 11 коммутации включен источник 10 напряжения смещения, который в паузе между импульсами напряжения на анод 3 пеннинговского ионного источника нейтронной трубки подает дополнительное положительное напряжение смещения U_см от 20 В до 200 В и при этом положительное напряжение смещение не должно превышать 10 % от амплитуды импульса напряжения на аноде 3.

В качестве источника напряжения смещения может использоваться любой источник питания, например АКИП-1129.

Все элементы: 1 - геттер; пеннинговский ионный источник, имеющий в своем составе: 2 - катод, 3 - анод, 4 - антикатод, а также 6 - мишень; 7 - источник питания газогенератора, 8 - источник ускоряющего напряжения, 9 - источник постоянного анодного напряжения, 10 - источник напряжения смещения, 11 - блок коммутации, могут быть закреплены на корпусе 12 сборочными операциями, например, свинчиванием, для обеспечения жесткости всей конструкции.

Ускоряющий электрод 5 может быть закреплен на корпусе 12 через высоковольтный изолятор (на чертеже не показан) сборочными операциями, например, свинчиванием.

Импульсный нейтронный генератор (фиг. 1) состоит из геттера 1, пеннинговского ионного источника (имеющего в своем составе катод 2, анод 3 и антикатод 4) ускоряющего электрода 5 и мишени 6. Генератор прямоугольных импульсов состоит из источника 9 постоянного анодного напряжения, блока 11 коммутации и источника 10 напряжения смещения. Генератор прямоугольных импульсов, используемый для импульсно-периодического питания анода 3 пеннинговского ионного источника, обеспечивает формирование импульсов с амплитудой U_a от 1 до 4 кВ, длительностью t_pulse от 30 до 200 мкс и частотой следования υ от 0,4 до 10 кГц. Блок 11 коммутации является формирователем прямоугольных импульсов на аноде 3 ИИ и выполнен по двухтактной схеме на основе двух полупроводниковых коммутаторов, каждый из которых, например, составлен из двух последовательно включенных транзисторов (например, IGBT).

Для формирования дополнительного напряжения смещения на аноде 3 пеннинговского ионного источника в паузе между импульсами питания используется «развязанный от земли» источник 10 напряжения смещения. Согласно экспериментальным данным положительный потенциал смещения на аноде 3 обычно задается U_см от 20 до 200 В и не должен превышать 10 % от амплитуды импульса напряжения на аноде 3. Обычно используют положительный потенциал смещение на аноде 3 приблизительно 80 В.

Превышение потенциала смещение выше 10% от амплитуды напряжения на аноде 3 приведет не к полному затуханию разряда, а к всего лишь к уменьшению его интенсивности, что является неприемлемым. Потенциал на ускоряющем электроде 5 и мишени 6 U_ex задается с помощью источника 8 ускоряющего напряжения. U_ex имеет значения от -20 до -100 кВ относительно корпуса 12. Ток накала нагревателя геттера 1, который является резервуаром рабочего газа в ИИ, регулируется от источника 7 питания газогенератора от 3 до 5 В.

Устройство работает следующим образом.

На ускоряющий электрод 5 и мишень 6 нейтронной трубки с помощью источника 8 ускоряющего напряжения подается постоянное отрицательное напряжение (U_ex от -20 до -100 кВ), на геттер 1 (резервуар рабочего газа в НТ) подается от источника 7 питания положительное напряжение (U_getter от 3 до 5 В), при этом катод 2 и антикатод 4 ионного источника НТ заземлены на корпус 12 НТ, на анод 3 ионного источника нейтронной трубки подается импульсно-периодическое напряжение (с амплитудой U_a от 1 до 4 кВ, длительностью t_pulse от 30 до 200 мкс и частотой следования υ от 0,4 до 10 кГц) с помощью источника 9 постоянного анодного напряжения и блока 11 коммутации. В паузе между импульсами питания используя «развязанный от земли» источник 10 напряжения смещения - подается потенциал на анод 3. Величина положительного потенциала смещение на аноде 3 обычно задается U_см от 20 до 200 В.

Представленные ниже экспериментальные данные показывают, что достигается заявленный технический результат.

На фиг. 2 и 3 представлены зависимости времени задержки вспышки t_delay и времени нарастания фронта t_front в интервале давлений 1-6 мТорр при положительном и отрицательном смещении «нулевой» линии импульса напряжения. Как видно из представленных графиков, при подаче отрицательного смещения амплитудно-временные характеристики ухудшаются (например, при давлении 3 мТорр время задержки увеличивается с 11 до 14 мкс, время нарастания фронта практически не меняется). Напротив, подача небольшого положительного смещения (уже с +20 В) приводит к уменьшению времени задержки и времени переднего фронта. Например, при 3 мТорр время задержки уменьшается с 11 до 9 мкс (при смещении +60 В), уменьшается время переднего фронта с 2,0 до 1,7 мкс. Однако при увеличении давления данная разница исчезает (например, при 5мТорр время задержки уменьшается всего с 7,3 до 6,5 мкс (при смещении +60В), время переднего фронта в пределах погрешности остается на уровне ~1,5-1,7 мкс). Положительное смещение сохраняет амплитуду и форму токовой вспышки, эффект в уменьшение времени задержки эквивалентен увеличению напряжения на аноде 3. Таким образом, положительное смещение напряжения на аноде 3 в промежутке между импульсами уменьшает время задержки развития разряда t_delay и увеличивает, тем самым, длительность токовой (нейтронной) вспышки t_currentpulse и, как следствие, уменьшает время задержки нейтронного импульса.

Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно снижение времени переднего фронта и снижение времени задержки между управляющим импульсом напряжения на аноде и появлением тока разряда и вытягиваемого тока, и, как следствие, уменьшение времени задержки нейтронного импульса.

Изобретение относиться к приборам и устройствам, генерирующим импульсные нейтронные потоки, и может быть использовано для нейтронного каротажа нефтегазовых скважин, для анализа состава вещества горных пород или для различных научных исследований. Технический результат - снижение времени переднего фронта и времени задержки между управляющим импульсом напряжения на аноде и появлением тока разряда, вытягиваемого тока и, как следствие, нейтронного импульса. В паузе между импульсами оставшиеся с прошедшего импульса электроны не уходят сразу на анод по силовым линиям магнитного поля, а продолжают медленно осциллировать в пеннинговской ячейке, при этом их энергии недостаточно для ионизации. Таким образом, к следующему импульсу в разрядной ячейке уже есть необходимое количество электронов для начала лавинообразного развития и быстрого зажигания разряда. 3 ил.

Генератор импульсного потока нейтронов с газонаполненной нейтронной трубкой, содержащий газонаполненную нейтронную трубку, источник питания газогенератора, источник ускоряющего напряжения, модулятор; газонаполненная нейтронная трубка содержит пеннинговский ионный источник, газогенератор, ускоряющий электрод, мишень; модулятор включает источник постоянного анодного напряжения, соединённый с корпусом и с блоком коммутации, при этом блок коммутации выполнен по двухтактной схеме на основе двух коммутаторов и подключен к аноду ионного источника, корпус заземлен; источник питания газогенератора включен между геттером и корпусом; источник ускоряющего напряжения включен между корпусом и ускоряющим электродом, который соединён с мишенью; катод и антикатод соединены с корпусом, отличающийся тем, что между корпусом и блоком коммутации включен источник напряжения смещения, который в паузе между импульсами напряжения на анод пеннинговского ионного источника нейтронной трубки подает дополнительное положительное напряжение смещения U_см от 20 В до 200 В, при этом положительное напряжение смещения не должно превышать 10% от амплитуды импульса напряжения на аноде.