DE68915081T2

DE68915081T2 - Schutzvorrichtung von Neutronenröhren.

Info

Publication number: DE68915081T2
Application number: DE68915081T
Authority: DE
Inventors: Pierre Societe Civile S P Bach; Henri Societe Civile Bernardet
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1989-08-24
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2009-08-25
Also published as: US5013969A; FR2636774A1; EP0357133B1; JPH02114498A; DE68915081D1; EP0357133A1; JP2825024B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutaanordnung für eine Neutronenröhre mit einer Ionenquelle, deren Anode gegen die Kathode mit Hilfe einer Quelleversorgung auf ein positives Potential gebracht wird, und dieses beschleunigte Ionenbündel landet auf ein Target, das auf einem elektrischen Isolierträger angebracht und auf ein negatives von einer Hochspannungsversorgung geliefertes Potential gebracht wird, wobei die Schutaanordnung aus elektrischen Elementen besteht, die den Röhrenstrom und/oder die Targetspannung begrenzen.
In ihrer üblichen Anwendung werden Neutronenröhren unter Bedingungen betrieben, die mit der Fähigkeit zum Wärmeableiten kompatibel sind, insbesondere aus dem Target und seinem Träger.
Ihre Definitionen sind außerdem für breitdynamische Betriebsarten entwickelt:
Dauerbetrieb macht von den elektrischen und thermischen Isolierungen vorgeschriebene Dimensionierung erforderlich,
- Schnellwiederholungs-Pulsierbetrieb für Extraktionsstrukturen, die verhältnismäßig hohe Ionenströme zulassen.
Die Ionenquellen selbst, die oft vom Penning-Typ sind, werden mit Extraktionsöffnungen mit ziemlich großen Abmessungen versehen, um das Erhalten eines hohen Extraktionsertrags mit einem niedrigen Betriebsdruck zu ermöglichen. Außerdem können sie unter Bogenentladungsbedingungen mit Druckwerten arbeiten, die noch mit einem Betrieb der Röhre kompatibel sind, und die sehr hohen Spannungen, die an diese Röhren gelegt werden können, ermöglichen das Extrahieren großer Ionenströme in kurzen Zeitabschnitten.
Alle diese Erwägungen ergegen, daß es insbesondere für Röhren mit geringen Abmessungen möglich ist, eine Neutronenröhre weit über ihren normalen Gebrauch hinaus zu verwenden, beispielsweise zur Verwendung mit einem intensiven pulsierenden Neutronenfluß. Dies läßt sich wie folgt erreichen:
- die Vergrößerung des Röhrenstroms durch eine Vergrößerung des Entladungsstroms der Ionenquelle unter Bogenbetriebsbedingungen mit einer höheren Anodenspannung,
- eine mögliche Vergrößerung der Targetspannung um einen Faktor nahe bei 1,5.
Die üblicherweise in die Speiseschaltungen der Ionenquellenanode und des Targets zum Schützen der Speisung und der Röhre aufgenommenen elektrischen Begrenzer können fortgelassen und durch neue für eine neue Verwendung geeignete Elemente ersetzt werden.
Ein derartiger Begrenzeraufbau ist insbesondere bekannt aus der Veröffentlichung: PHYSICA IV Nr. 11, Dezember 1937, S. 119O...1199, aus dem Artikel "Un tube neutronique sans pompage" von F.M. PENNING und J.H.A. MOUBIS.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Hersteller der Röhre ein Mittel zum Vermeiden derartiger Änderungen zu geben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungen durch Aufnehmen der Elemente in die Neutronenröhre unveränderbar gemacht wird, so daß ein Versuch zum Ändern der elektrischen Parameter zum Bestimmen der Nennbetriebsbedingungen der Röhre das Öffnen der Röhre erforderlich macht.
Die Röhrenstrombegrenzerelemente enthalten einen Widerstand in Verbindung mit der positiven Klemme der Quellenspeisung und der Anode der Ionenquelle und einen Begrenzer, der einen Grenzwert für die Spannung einstellt, der etwas höher ist als der spezifizierte Wert, und der zwischen der positiven Klemme und der negativen Klemme der geerdeten Quellenversorgung angeschlossen ist.
Der Widerstand und der Spannungsbegrenzer können in einem leckfreien Gehäuse angeordnet werden, das durch leckfreie Durchgänge gespeist wird, oder in einem abgeschlossenen Glaskolben angebracht werden. Sie können mittels Siebdrucktechnologie erzeugt werden oder sie können aus gemischten Anordnungen von Siebdruckelementen und diskreten Bauteilen bestehen, die mit der Qualität des erforderlichen Vakuums für die Neutronenröhre kompatibel ist.
Die Targetspannung wird von einem Widerstand, der zwischen der negativen Klemme der Hochspannungsversorgung und dem Target angeschlossen, und von einem Spannungsbegrenzer begrenzt, der zwischen der negativen Klemme und der positiven Klemme der geerdeten Hochspannungsversorgung angeschlossen ist. Dieser Widerstand kann eine der folgenden Formen haben:
- einen Siebdruckwiderstand, der wendelförmig auf der Außenfläche eines Isolierzylinders als Träger für das Target angeordnet ist,
einen isolierten Widerstandsdraht (Hochtemperaturtechnologie), der Windung für Windung gewickelt oder in Form einer Scheibenspule ausgeführt ist,
- Hochspannungswiderstandselemente in Reihenschaltung, die an der Innenseite einer Aluminiumoxidhülle (oder in einem anderen Isoliermaterial das mit Röhrentechnologie und Höchstspannungsanforderungen kompatibel ist) angebracht sind, die mit der Röhre in Verbindung stehen kann oder sich in einer Gasatmosphäre abhängig von der Technologie der Widerstandselemente (auf Temperatur Halten, Entgasung), vom Verbindungs- und Aufbauverfahren (elektrisches Feld in Widerständen und Verbindungsdräliten) und vom Höchstpegel des vom Hersteller im Widerstand zugelassenen Spannungsabfalls abhängig ist.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung werden nachstehend einige Formen des Aufbaus von Anordnungen beschrieben, die als nicht einschränkende Beispiele gegeben werden. Es zeigen
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Speisungen der Neutronenröhre mit Strom- und Spannungsbegrenzerelementen,
Fig. 2a, 2b und 2c einige Bauformen der Röhrenstrombegrenzerelemente, Fig. 3 und 4 ein erstes und ein zweites Beispiel der Anordnung von Strombegrenzerelementen in der Neutronenröhre,
Fig. 5 ein Beispiel der Anordnung der Targetspannungsbegrenzerelemente um den Targetträger, und
Fig. 6 ein weiteres Beispiel der Anordnung der Targetspannungbegrenzerelemente in einer elektrischen Isolierhülle.
Elemente, die einem anderen in diesen Figuren entsprechen, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Die Neutronenröhre nach Fig. 1 ist mit einer Ionenquelle versehen, wobei die Ionen aus einer Mischung von Deuterium und Tritium im Behälter 1 erhalten werden, und die Quelle enthält eine Anode 2, eine Kathode 3 und einen Dauermagneten 4, der ein axiales Magnetfeld erzeugt. Das Ionenbündel aus dieser Quelle wird von der Beschleunigungselektrode 5 beschleunigt und landet auf das Target 6. Der Röhrenkolben besteht aus einem geerdeten leitenden Teil 7 und einem isolierenden Teil 8, der den an der Beschleunigungselektrode befestigten Targetträger 9 umgibt.
Obige Beschreibung bezieht sich auf eine Penning-Röhre, kann aber einfach auf weitere Röhrentypen erweitert werden (elektrostatische Beschränkung, Mehrspitzen, usw.).
Die Ionenquelle wird aus dem Gleichspannungsgenerator 10 mit einem Spannungswert Vaa gespeist und dessen Negativpol mit der Masse der Röhre verbunden ist, während sein positiver Pol mit der Anode 2 über den Widerstand 11 verbunden ist und dessen Wert Ra beträgt.
Der Entladungsstrom in der Neutronenröhre kann schematisch in zwei Betriebsbedingungen aufgeteiit werden:
- Niederdruckbetrieb, für den der Enfladungsstrom Id sich abhängig vom Druck PDT in der Röhre und von der Anoden/Kathodenspannung Vak entsprechend nachstehender Formel ändert:
worin γ und ν nahe bei 1 liegen. Diese Formel zeigt, daß der Anstieg des Entladungsstroms durch einen Anstieg des Drucks PDT mit einer oberen Begrenzung entsprechend des Bogenbetriebs oder durch einen Anstieg der Anoden/Kathodenspannung Vak erhalten wird. Im letztgenannten Fall ist es erforderlich, das Magnetfeld B derart zu vergrößern, daß ein konstantes Verhältnis Vak/B erhalten wird.
- ein starker Strombetrieb entsprechend dem Bogenbetrieb. In diesem Fall ist der Entladungsstrom in der Praxis durch die externe Speiseschaltung begrenzt und die Spannung Vako an den Klemmen der Anoden/Kathodenstruktur ist fast konstant. Daher gilt folgendes:
Vaa = RaId + VakO
Der Strom Id wird dabei wie folgt geschrieben:
Id = Vaa - Vako/Ra
In beiden Betriebstypen wird der Strom Id durch die Speisespannung Vaa und durch den Widerstandswert Ra begrenzt.
Die Anordnungen, die der Erfindung zur Aufgabe liegen, ermöglichen es daher, auf diese zwei Parameter einzuwirken, und enthalten den Widerstand 11 mit dem Wert Ra, der dem maximalen momentanen Fluß kompatibel ist, den der Hersteller eingeführt hat, und einen Spannungsbegrenzer 12 (Entladungsstufe, Varistor, Gasdiode) mit der Impedanz Za und in Verbindung mit den Speiseklemmen 10, die die Betriebsspannung auf einen etwas höheren Wert als die vom Hersteller gewünschte Speisespannung begrenzt und die Zuverlässigkeit der Röhre gewährleistet.
Unter Berücksichtigung der schnellen Entwicklung der Neutronenemission in Abhängigkeit von der Targetspannung ist eine Anordnung auf demselben Prinzip wie die für die Anode benutzte Anordnung möglich. Sie enthält den Gleichspannungs generator 13, der den Wert Vac hat und dessen positiver Pol geerdet ist, während sein negativer Pol mit der Beschleunigungselektrode über den Widerstand 14 mit dem Wert Rc verbunden ist. Diese Begrenzung des Targetstroms Ic kann durch Spannungsbegrenzung mit Hilfe eines Begrenzers 15 (Entladungsstufe oder Varistor) mit der Impedanz Zc ergänzt und mit den Klemmen des Stromgenerators 13 verbunden werden.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellten Begrenzungsanordnungen können gleichzeitig oder getrennt voneinander verwendet werden. Es gibt dabei zwei Typen:
- Röhrenstrombegrenzung durch Begrenzung des Stroms der Ionenquelle,
- Targetspannungsbegrenzung durch Begrenzung der Speisespannung des Targets.
Die entsprechenden Strukturen sind von der Struktur der Röhre abhängig und die angegebenen Beschreibungen (Bauteiltypen, Stellenbeispiele) bestehen nur aus nicht einschränkenden Veranschaulichungen. Ein gemeinsamer Punkt für alle Lösungen ist ihre Kompatibilität insbesondere mit thermischen Anforderungen, die aus der Technologie für die Herstellung der Röhren entstehen.
Bevor Einzelheiten einiger Ausführungsbeispiele von Begrenzeranordnungen dieser zwei Typen gegeben werden, sei nochmals darauf gewiesen, daß die momentane Neutronenemission Qn allgemein mit den elektrischen Parametern verknüpft ist: Röhrenstrom ITU und Targetspannung Vc durch eine Formel vom Typ:
worin 0,3< k< 1 und 3< β< 4 bei 80 kV< Vc< 150 kV ist. Dies gilt für ITU in Amperen, Vc in Kilovolt, Qn in Neutronen/s und für Drücke der hydrierten Gasmischung niedriger als oder gleich 7,5.10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;² Torr).
Die Röhrenstrombegrenzerelemente können zur Bildung einer einzigen Begrenzereinheit 16 angeordnet werden. In Fig. 2a, 2b und 2c sind einige Ausführungsbeispiele der Anordnungen dargestellt.
In Fig. 2a sind der Widerstand 11 und der Spannungsbegrenzer 12 in einem leckfreien Gehäuse BO angeordnet, das durch leckfreie Durchgänge PAS1 und PAS2 gespeist wird.
In Fig. 2b sind der Widerstand 11 und der Spannungsbegrenzer 12 in einer abgedichteten Röhre TU angeordnet.
In Fig. 2c sind der Widerstand 11 und der Spannungsbegrenzer 12 vom Durchschlagtyp in Siebdrucktechnologie verwirklicht und müssen mit der Qualität des Vakuums kompatibel sein, was für eine Neutronenröhre unabkömmlich ist. Der Widerstand 11 besteht aus einem Siebdruckbalken B zwischen den Speisekontakten P&sub1; und P&sub2;. Die Entladungsstufe 12 besteht aus der Rille 5 zwischen dem Kontakt P&sub1; und dem Kontakt P&sub3; oder zwischen dem Balken B und dem Kontakt P&sub3;. Die ganze Anordnung ist auf der Isolierplatte PL (Aluminiumoxid, Glas) abgeschieden und mit der Technologie der Röhre kompatibel (hohe Temperatur und niedrige Entgasungsgeschwindigkeit).
In Fig. 3 und 4 sind zwei Beispiele der Anordnung der Anodenstrombegrenzereinheit in der erfindungsgemäßen Neutronenröhre dargestellt.
In Fig. 3 wird die Anode 2 mechanisch von der Isolierwand 17 an der Ionenquellenseite festgehalten. Das leckfreie Gehäuse 16 mit den Begrenzerelementen 11 und 12 ist mit Isolieraustritten 18 und 19 versehen, die für seine Spannungsspeisung und für seine Verbindung mit der Anode dienen. Diese Verbindung wird durch eine Isolierhülse 20 geschützt.
In Fig. 4 ist mit Hilfe des elektrischen Isolierträgers 21 die Anode direkt auf dem leckfreien Gehäuse 16 angebracht, durch den die Verbindung des Begrenzerwiderstands 11 nach der Anode 2 hergestellt wird. Die Ent1adungsstufe (oder Varistor) 12 ist mit der Spannungsspeisung durch den Isolierungsdurchgang 22 verbunden. Das Gehäuse 16 ist mit dem Träger des Behälters 23 und mit dem Röhrenrähmen 7 über eine Dreizungen-Lötverbindung 24 verbunden.
Die Begrenzereinheit 16 kann durch Verwendung verschiedener Bauteiltypen, durch direktes Anbringen diskreter Bauteile (Widerstand, Entladungsstufe) in Parallelschaltung mit dem Sockel der Röhre erzeugt werden. Die Technologie dieser Bauteile muß mit Ultrahochvakuum kompatibel sein. Mischungsanordnungen von Siebdruckelementen und diskreten Bauteilen kann auch abhängig von ihrer Kornpatibilität mit Ultrahochvakuum zusammengesetzt werden.
Unter Berücksichtigung der schnellen Entwicklung der Neutronenemission in Abhängigkeit von der Targetspannung wird eine Anordnung unter Anwendung desselben Prinzips wie das für die Anode mit Hilfe eines Hochspannungswiderstands erhalten, der in verschiedenen Formen erzeugt werden kann.
In Fig. 5 ist ein Widerstand 14 auf der Außenseite des Isolierzylinders 9 angeordnet, der als Träger für das Target 6 dient. Das auf der Basis des Zylinders angeordnete Ende is mit dem negativen Pol der Hochspannungsversorgung verbunden und das an der Oberseite des Zylinders angeordnete Ende mit der Beschleunigungselektrode 5 verbunden.
Dieser Widerstand 14 kann beispielsweise aus Siebdruckelementen zusammengesetzt werden, die auf der Außenseite des Zylinders 9 in Form einer Wendel oder aus isoliertem Widerstandsdraht entsprechend der Hochtemperaturtechnologie abgeschieden und Windung für Windung oder in Scheibenform gewickelt werden.
Die Beschleunigungselektrode 5 wird vom Isolierträger 26 festgehalten.
In Fig. 6 besteht der Widerstand 14 aus Widerständen in Reihenschaltung und ist an der Innenseite eines Aluminiumoxidkolbens 27 als Träger für die Beschleunigungselektrode 5 in Verbindung mit dem oberen Ende des Widerstands abgeschieden, wobei das Target 6 von der Isolierwand 8 der Röhre getragen wird.
Diese Strombegrenzung mit Hilfe des Widerstands 14 kann durch Spannungsbegrenzung mittels einer Entladungsstufe (oder eines Varistors) 28 an der Innenseite des Aluminiumoxidkolbens gefördert und zwischen Erde und der Dreifahnen- Lötverbindung 29 in Verbindung mit dem negativen Pol der Hochspannungstargetversorgung angeordnet werden.
Das Innere des Aluminiumoxidkolbens 27 kann entweder in Verbindung mit der Röhre stehen oder sich in einer Gasatmosphäre in Abhängigkeit davon befinden, ob die Öffnung 30 geöffnet oder geschlossen ist. Die Losung wird von der Kompatibilität der Varistoren und Widerstände mit Ulträhochvakuum und von der Technologie der Widerstände abhängig sein (auf Temperatur Halten, Entgasung). Die Targetspannungsbegrenzungselemente könnten beispielsweise unter einem Druck von einem zu einigen Bar in Gas vom Schwefelhexafluortyp angeordnet werden.

Claims

1. Schutzanordnung für eine Neutronenröhre mit einer Ionenquelle, deren Anode (2) gegen die Kathode (3) mit Hilfe einer Quelleversorgung (10) auf ein positives Potential gebracht wird, und dieses beschleunigte Ionenbündel 1andet auf ein Target (6), das auf einem elektrischen Isolierträger (9) angebracht und auf ein negatives von einer Hochspannungsversorgung geliefertes Potential gebracht wird, wobei die Schutaanordnung aus elektrischen Elementen (11,12; 15) besteht, die den Röhrenstrom und/oder die Targetspannung begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungen durch Aufnehmen der Elemente in die Neutronenröhre unveränderbar gemacht wird, so daß ein Versuch zum Ändern der elektrischen Parameter zum Bestimnjen der Nennbetriebsbedingungen der Röhre das Öffnen der Röhre erforderlich macht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrenstrombegrenzerelemente einen Widerstand (11), der zwischen der positiven Klemme der Quellenspeisung (10) und der Anode (2) der Ionenquelle angeschlossen ist, und einen Spannungsbegrenzer (12) auf einen etwas höheren Wert als der spezifizierte Wert enthält, der zwischen der positiven Klemme und der negativen Klemme der mit Masse verbundenen Quellenspeisung angeschlossen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrenstrombegrenzerelemente in einem durch die leckdichten Durchgänge (PAS1, PAS2) gespeisten leckfreien Gehäuse (16) angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrenstrombegrenzerelemente (11, 12) in einem abgedichteten Glaskolben (TV) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrenstrombegrenzerelemente (11, 12) in mit der erforderlichen Vakuumqualität der Neutronenröhre kompatibler Siebdrucktechnologie verwirklicht sind, wobei der Widerstand aus einem Siebdruckbalken (B) besteht und der Begrenzer durch eine Rille gebildet wird, die den Balken (B) von einem anderen Siebdruckelement trennt, wobei die Einheit auf einer Isolierplatte (PL)(A1uminiumoxid, Glas, usw....) angebracht wird.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrenstrombegrenzerelemente (11, 12) aus Aufstellungen gemischter Siebdruckelementen und diskreter Bauteile abhängig von ihrer Kompatibilität mit dem Ultravakuum bestehen.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetspannung durch einen Widerstand (14) zwischen der negativen Hochspannungsspeise klemme (13) und dem Target (6) und einen Spannungsbegrenzer (15) zwischen der negativen Klemme und der an Masse gelegten positiven Hochspannungsspeiseklemme begrenzt wird.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (14) ein Siebdruckwiderstand ist, der in Wendelform auf der äußeren Oberfläche eines elektrisch isolierenden Zylinders als Targetträger angebracht ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus elektrisch isoliertem Widerstandsdraht (Hochtemperaturtechnologie) zusammengesetzt und Windung für Windung gewickelt oder als Platte hergestellt ist.

10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (14) aus reihengeschalteten und in einer Aluminiumoxidhülle (27) angeordneten Hochspannungswiderständen gebildet wird, die mit der Röhre in Verbindung oder unter einer Gasatmosphäre nach der Technologie der Widerstände (auf Temperatur Halten, Entgasung), der Verbindungsweise und dem Zusammenbau (elektrisches Feld auf dem Pegel der Widerstände und der Anschlußdrähte) und dem vom Hersteller durch den Widerstand zugelassenen höchsten Spannungsabfallpegel stehen kann.