RU209870U1 - Vacuum neutron tube - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области прикладной физики и может быть использована при разработке генераторов нейтронов на вакуумных нейтронных трубках для активационного анализа сплавов и соединений. Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности и ресурса работы вакуумной нейтронной трубки. Технический результат достигается тем, что в вакуумной нейтронной трубке, содержащей вакуумно-герметичный изоляционный корпус, в котором размещены управляемый трехэлектродный источник ионов, анод и катод которого насыщены изотопом водорода, мишенный и сеточный электроды, вакуумно-герметичный корпус нейтронной трубки выполнен в виде первого и второго полых цилиндров из керамического материала с объемным электрическим сопротивлением, величина которого определяется сопротивлением нагрузки для первого полого цилиндра и сопротивлением смещения для второго полого цилиндра, при этом первый полый цилиндр вакуумно-герметично присоединен к анодному и сеточному электродам нейтронной трубки, а второй полый цилиндр - к сеточному и мишенному электродам, и имеют с ними электрический и тепловой контакты. 1 ил.The utility model relates to the field of applied physics and can be used in the development of neutron generators based on vacuum neutron tubes for activation analysis of alloys and compounds. The technical result of the utility model is to increase the stability and service life of the vacuum neutron tube. The technical result is achieved by the fact that in a vacuum neutron tube containing a vacuum-tight insulating housing, in which a controlled three-electrode ion source is placed, the anode and cathode of which are saturated with a hydrogen isotope, target and grid electrodes, the vacuum-tight housing of the neutron tube is made in the form of the first and second hollow cylinders made of ceramic material with bulk electrical resistance, the value of which is determined by the load resistance for the first hollow cylinder and the displacement resistance for the second hollow cylinder, while the first hollow cylinder is vacuum-hermetically connected to the anode and grid electrodes of the neutron tube, and the second hollow cylinder - to the grid and target electrodes, and have electrical and thermal contacts with them. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области прикладной физики и может быть использована при разработке нейтронных и рентгеновских генераторов, а также нейтронных и рентгеновских трубок.The utility model relates to the field of applied physics and can be used in the development of neutron and x-ray generators, as well as neutron and x-ray tubes.

Известна вакуумная нейтронная трубка, содержащая корпус, размещенные в нем управляемый трехэлектродный источник ионов, катод и анод которого насыщены изотопами водорода, и мишень. Мишень и источник ионов расположены в противоположных торцах корпуса трубки навстречу друг другу. Г. И. Кирьянов. Генераторы быстрых нейтронов. - М.: Энергоатомиздат. 1990. - С. 122.Known vacuum neutron tube containing a housing placed in it controlled three-electrode ion source, the cathode and anode which are saturated with hydrogen isotopes, and the target. The target and the ion source are located at opposite ends of the tube body towards each other. G. I. Kiryanov. Fast neutron generators. - M.: Energoatomizdat. 1990. - S. 122.

Недостатком трубки является малый ресурс работы.The disadvantage of the tube is a small resource of work.

Известна также вакуумная нейтронная трубка, содержащая размещенные в герметичном запаянном стеклянном или керамическом корпусе управляемый 3-электродный искровой источник, который состоит из кольцевого анода, катода и поджигающего электрода и мишень. Мишень выполнена в виде диска из молибдена с напыленным слоем титана. Рабочие газы постоянно окклюдированы в элементах нейтронной трубки: в мишени - тритий или дейтерий, на аноде и катоде ионного источника - дейтерий. Сборник материалов Межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, 2004, с. 72.A vacuum neutron tube is also known, containing a controlled 3-electrode spark source placed in a sealed sealed glass or ceramic case, which consists of an annular anode, a cathode and an igniting electrode and a target. The target is made in the form of a molybdenum disk with a deposited titanium layer. The working gases are constantly occluded in the elements of the neutron tube: in the target - tritium or deuterium, on the anode and cathode of the ion source - deuterium. Collection of materials of the Intersectoral scientific and technical conference "Portable neutron generators and technologies based on them", All-Russian Research Institute of Automation named after V.I. N.L. Dukhova, 2004, p. 72.

Недостатком этой трубки является ограниченный ресурс работы трубки из-за отсутствия антидинатронной сетки, т.е. системы подавления вторичной электронной эмиссии, возникающей в результате бомбардировки мишени трубки ионами дейтерия. Следствием этого является быстрый выход из строя ионного источника трубки и малый срок службы трубки.The disadvantage of this tube is the limited service life of the tube due to the absence of an antidynatron grid, i.e. systems for suppressing secondary electron emission resulting from the bombardment of the tube target with deuterium ions. The consequence of this is a rapid failure of the tube ion source and a short tube life.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является вакуумная нейтронная трубка, содержащая размещенные внутри вакуумно-герметичного запаянного стеклянного корпуса управляемый 3-электродный искровой источник, который состоит из кольцевого анода, катода и поджигающего электрода и мишень. Мишень выполнена в виде диска из молибдена с напыленным слоем титана. Для формирования и ускорения пучков ионов и подавления вторичной электронной эмиссии, возникающей в результате бомбардировки мишени трубки ионами дейтерия, служит ионно-оптическая система электродов и антидинатронная сетка, соединенная с сеточным электродом на корпусе нейтронной трубки. Патент РФ №2316835, МПК G21G 4/02, H05H 3/06, H05H 5/03, 10.02.2008.The closest technical solution chosen for the prototype is a vacuum neutron tube containing a controlled 3-electrode spark source placed inside a vacuum-sealed sealed glass case, which consists of an annular anode, a cathode and an igniting electrode and a target. The target is made in the form of a molybdenum disk with a deposited titanium layer. To form and accelerate ion beams and suppress secondary electron emission resulting from the bombardment of the tube target with deuterium ions, an ion-optical system of electrodes and an antidynatron grid connected to the grid electrode on the body of the neutron tube are used. RF patent No. 2316835, IPC G21G 4/02, H05H 3/06, H05H 5/03, 02/10/2008.

Корпус нейтронной трубки представляет собой вакуумно-герметичную оболочку из двух стеклянных цилиндров соединенных между собой металлостеклянным спаем с помощью сеточного электрода. На одном торце оболочки закреплен мишенный электрод на другом анодный электрод управляемого 3-электродного искрового источника.The body of the neutron tube is a vacuum-tight shell of two glass cylinders interconnected by a glass-to-metal junction using a grid electrode. A target electrode is fixed at one end of the shell, and the anode electrode of a controlled 3-electrode spark source is fixed at the other.

Между мишенным и сеточным электродами при помощи сопротивления смещения прикладывается разность потенциалов, которая обеспечивает подавление вторичной электронной эмиссии.A potential difference is applied between the target and grid electrodes with the help of a bias resistance, which ensures suppression of the secondary electron emission.

Сеточный электрод выполнен в виде V-образного кольца из металла вакуумно-герметично спаянного с двух сторон со стеклянными цилиндрами. Выполнение четырех металлостеклянных спаев существенно усложняет конструкцию изоляционного корпуса нейтронной трубки, приводит к увеличению длины нейтронной трубки, осевому смещению двух стеклянных цилиндров относительно друг друга. В местах спая стекла с металлом имеются «воздушные пузыри» диаметром до 0,3 мм, как отдельные включения, так и в виде цепочек. Острая кромка ковара имеет радиус скругления R=0,2 мм, ввиду этого появляется большая напряженность электрического поля. При срабатывании трубки возникают коронные разряды, особенно с «воздушных пузырей». Для уменьшения напряженности электрических полей места спая стекла с коваром закрывают металлическими чашеобразными экранами, в чашах которых размещают нейтронную трубку.The grid electrode is made in the form of a V-shaped metal ring vacuum-hermetically soldered on both sides with glass cylinders. The implementation of four glass-to-metal junctions significantly complicates the design of the insulating body of the neutron tube, leads to an increase in the length of the neutron tube, axial displacement of the two glass cylinders relative to each other. In places where glass is welded to metal, there are "air bubbles" up to 0.3 mm in diameter, both individual inclusions and in the form of chains. The sharp edge of the kovar has a radius of rounding R=0.2 mm, in view of this, a large electric field strength appears. When the tube is triggered, corona discharges occur, especially from "air bubbles". To reduce the strength of the electric fields, the junctions of the glass with the kovar are covered with metal bowl-shaped screens, in the bowls of which a neutron tube is placed.

Кроме того, стекло как изолятор имеет электрическое сопротивление несколько мегаом, поэтому наибольший градиент напряженности приходится именно на места спая стекла и ковара. Для того чтобы создать более равномерное поле иногда вводят распределитель электрического поля (см., например, А.С. №679082).In addition, glass as an insulator has an electrical resistance of several megaohms, so the greatest gradient of tension falls precisely on the junctions of glass and kovar. In order to create a more uniform field, an electric field distributor is sometimes introduced (see, for example, A.S. No. 679082).

При длительной работе генератора и выработке ресурса иногда происходит несрабатывание источника нейтронной трубки. Сопротивление нейтронной трубки в таком режиме составляет сотни мегаом, при этом возникает режим «холостого хода» высоковольтного трансформатора, а напряжение на его вторичной обмотке достигает величины от 200 до 220 кВ.When the generator runs for a long time and the resource is exhausted, the neutron tube source sometimes fails. The resistance of the neutron tube in this mode is hundreds of megaohms, and in this case, the "idle" mode of the high-voltage transformer occurs, and the voltage on its secondary winding reaches a value from 200 to 220 kV.

Для устранения этого недостатка параллельно вторичной обмотке высоковольтного трансформатора иногда вводится дополнительная обмотка намотанная проводом с высоким удельным электрическим сопротивлением.To eliminate this drawback, an additional winding wound with a wire with high electrical resistivity is sometimes introduced in parallel with the secondary winding of a high-voltage transformer.

Величина сопротивления несколько выше, чем сопротивление нейтронной трубки в момент ее срабатывания (25-35 кОм) (см., например, патент РФ №2551840).The resistance value is somewhat higher than the resistance of the neutron tube at the time of its operation (25-35 kOhm) (see, for example, RF patent No. 2551840).

То есть для стабильной работы трубки необходимо введение дополнительных конструктивных элементов: металлических чашеобразных экранов, распределителя электрического поля, дополнительной обмотки, сопротивления смещения, намотанного проводами с высоким удельным электрическим сопротивлением.That is, for the stable operation of the tube, it is necessary to introduce additional structural elements: metal bowl-shaped screens, an electric field distributor, an additional winding, a bias resistance wound with wires with high electrical resistivity.

Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности и ресурса работы вакуумной нейтронной трубки.The technical result of the utility model is to increase the stability and service life of the vacuum neutron tube.

Технический результат достигается тем, что в вакуумной нейтронной трубке, содержащей вакуумно-герметичный изоляционный корпус, в котором размещены управляемый трехэлектродный источник ионов, анод и катод которого насыщены изотопом водорода, мишенный и сеточный электроды, корпус нейтронной трубки выполнен в виде первого и второго полых цилиндров из керамического материала с объемным электрическим сопротивлением, величина которого определяется сопротивлением нагрузки для первого полого цилиндра и сопротивлением смещения для второго полого цилиндра, при этом первый полый цилиндр вакуумно-герметично присоединен к анодному и сеточному электродам нейтронной трубки, а второй полый цилиндр - к сеточному и мишенному электродам, и имеют с ними электрический и тепловой контакт.The technical result is achieved by the fact that in a vacuum neutron tube containing a vacuum-tight insulating housing, which houses a controlled three-electrode ion source, the anode and cathode of which are saturated with a hydrogen isotope, target and grid electrodes, the neutron tube housing is made in the form of the first and second hollow cylinders made of ceramic material with bulk electrical resistance, the value of which is determined by the load resistance for the first hollow cylinder and the bias resistance for the second hollow cylinder, while the first hollow cylinder is vacuum-hermetically connected to the anode and grid electrodes of the neutron tube, and the second hollow cylinder is connected to the grid and target electrodes, and have electrical and thermal contact with them.

Сущность полезной модели поясняется на чертеже, где:The essence of the utility model is illustrated in the drawing, where:

1 - корпус (вакуумно-герметичная оболочка);1 - housing (vacuum-tight shell);

2 - катод;2 - cathode;

3 - поджигающий электрод;3 - ignition electrode;

4 - анод;4 - anode;

5 - газопоглотители;5 - getters;

6 - мишенный электрод;6 - target electrode;

7 - мишень;7 - target;

8 - сеточный электрод;8 - grid electrode;

9 - первый полый цилиндр;9 - the first hollow cylinder;

10 - второй полый цилиндр.10 - the second hollow cylinder.

Вакуумная нейтронная трубка состоит из вакуумно-герметичного корпуса 1, выполненного в виде двух полых цилиндров 9 и 10 из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, в котором размещены трехэлектродный источник ионов с катодом 2, поджигающим электродом 3, анодом 4,насыщенные тяжелыми изотопами водорода, средства поддержания рабочего давления - газопоглотители 5, мишенный электрод 6 с накладной мишенью 7, сеточный электрод 8, вакуумно-герметично соединенный с полыми цилиндрами 9 и 10.The vacuum neutron tube consists of a vacuum-tight housing 1, made in the form of two hollow cylinders 9 and 10 made of a material with high electrical resistivity, in which a three-electrode ion source with a cathode 2, an ignition electrode 3, an anode 4, saturated with heavy hydrogen isotopes, means of maintaining the working pressure - gas getters 5, target electrode 6 with an attached target 7, grid electrode 8, vacuum-hermetically connected to hollow cylinders 9 and 10.

В зависимости от типа трубки величина сопротивления первого полого цилиндра 9 колеблется в пределах от 25-35 кОм, а величина сопротивления второго полого цилиндра 10 колеблется в пределах от 800 Ом до 2 кОм. Полые цилиндры вакуумно-герметично соединены между собой через втулки из ковара 29НК-НТ0,8 ГОСТ14080-78 с помощью пайки и имеют между собой электрический и тепловой контакт. В качестве материала цилиндров использована вакуумно-плотная керамика. Первый полый цилиндр 9 и второй полый цилиндр 10 выполнены из специального керамического материала с объемным электрическим сопротивлением, величина которого определяется сопротивлением нагрузки и сопротивлением смещения. Специальная керамика с необходимым объемным электрическим сопротивлением может быть получена методом керамической технологии, способом горячего прессования из порошка. Требуемое сопротивление зависит от состава порошка, технологии прессования и температуры обжига. Кроме того, полые цилиндры могут быть изготовлены из керамического материала с необходимым сопротивлением другими способами, например, из полупроводниковой керамики или нанесением резистивного слояDepending on the type of tube, the resistance value of the first hollow cylinder 9 ranges from 25-35 kOhm, and the resistance value of the second hollow cylinder 10 ranges from 800 Ohm to 2 kOhm. Hollow cylinders are vacuum-hermetically connected to each other through bushings made of kovar 29NK-NT0.8 GOST14080-78 by soldering and have electrical and thermal contact between them. Vacuum-tight ceramics was used as the cylinder material. The first hollow cylinder 9 and the second hollow cylinder 10 are made of a special ceramic material with bulk electrical resistance, the value of which is determined by the load resistance and bias resistance. Special ceramics with the required volumetric electrical resistance can be obtained by ceramic technology, by hot pressing from powder. The required resistance depends on the composition of the powder, the pressing technology and the firing temperature. In addition, hollow cylinders can be made of ceramic material with the required resistance in other ways, for example, from semiconductor ceramics or by applying a resistive layer.

Цилиндры изготавливаются в одном технологическом процессе одного диаметра, но разной длины. Разница в длине приблизительно на порядок.Cylinders are made in one technological process of the same diameter, but different lengths. The difference in length is about an order of magnitude.

Нейтронная трубка работает следующим образом.The neutron tube works as follows.

На анод 4 подается напряжение постоянного тока, недостаточное для пробоя вакуумного промежутка, но создается «предпробойная» напряженность электрического поля.Anode 4 is supplied with a DC voltage that is insufficient to breakdown the vacuum gap, but a “pre-breakdown” electric field strength is created.

При подаче на поджигающий электрод 3 высоковольтного импульса (5-15 кВ) между катодом 2 и поджигающим электродом 3 происходит «пробой». Область между анодом 4 и катодом 2 ионизируется, вследствие чего резко снижается электрическая прочность промежутка «анод - катод», что приводит к загоранию дугового разряда. В результате рабочий газ (дейтерий) десорбируется из анода 4 и катода 2. Образовавшаяся плазма движется в выходному отверстию анодного электрода 4 и выходит в ускорительный промежуток «катод - мишенный электрод» трубки, в котором ионы дейтериевой плазмы ускоряются импульсом напряжения 120-150 кВ. При бомбардировке мишени 7, насыщенной дейтерием или тритием, в результате ядерной реакции образуются нейтроны с энергией 2,5 МэВ или 14 МэВ и вторичные электроны. В результате протекания тока нейтронной трубки через ускорительный зазор на электрическом сопротивлении полого цилиндра 10 создается разность потенциалов между сеточным 8 и мишенным 6 электродами нейтронной трубки. Эта разность потенциалов обеспечивает запирание вторичных электронов, образовавшихся в процессе бомбардировки мишени нейтронной трубки ионами дейтерия или трития, что позволяет уменьшить паразитный ток трубки и повысить тем самым срок ее службы.When a high-voltage pulse (5-15 kV) is applied to the ignition electrode 3, a “breakdown” occurs between the cathode 2 and the ignition electrode 3. The area between the anode 4 and cathode 2 is ionized, as a result of which the electrical strength of the anode-cathode gap is sharply reduced, which leads to the ignition of an arc discharge. As a result, the working gas (deuterium) is desorbed from the anode 4 and cathode 2. The resulting plasma moves into the outlet of the anode electrode 4 and enters the accelerating gap "cathode - target electrode" of the tube, in which deuterium plasma ions are accelerated by a voltage pulse of 120-150 kV. When target 7 is bombarded, saturated with deuterium or tritium, as a result of a nuclear reaction, neutrons with an energy of 2.5 MeV or 14 MeV and secondary electrons are formed. As a result of the neutron tube current flowing through the accelerating gap, a potential difference is created on the electrical resistance of the hollow cylinder 10 between the grid 8 and target 6 electrodes of the neutron tube. This potential difference provides locking of secondary electrons formed during the bombardment of the neutron tube target with deuterium or tritium ions, which makes it possible to reduce the parasitic current of the tube and thereby increase its service life.

При работе нейтронной трубки в штатном режиме электрическое сопротивление полого цилиндра 9 не оказывает влияния на формирование ускоряющего напряжения, так как вторичная обмотка высоковольтного трансформатора имеет на порядок меньшее сопротивление. При работе генератора в то время, когда источник ионов нейтронной трубки не срабатывает, режим «холостого хода» высоковольтного трансформатора не происходит, так как вторичная обмотка подключена к параллельному электрическому сопротивлению полого цилиндра 9, т.е. к нагрузке величиной от 25 до 30 кОм, что приводит к стабилизации напряжения на вторичной обмотке высоковольтного трансформатора, стабилизации нейтронного выхода и увеличению срока службы нейтронной трубки. Для обеспечения необходимого вакуума в объеме корпуса трубки 1 служат газопоглотители 5.When the neutron tube is operating in the normal mode, the electrical resistance of the hollow cylinder 9 does not affect the formation of the accelerating voltage, since the secondary winding of the high-voltage transformer has an order of magnitude lower resistance. When the generator is operating at a time when the ion source of the neutron tube does not work, the "idle" mode of the high-voltage transformer does not occur, since the secondary winding is connected to the parallel electrical resistance of the hollow cylinder 9, i.e. to a load of 25 to 30 kOhm, which leads to voltage stabilization on the secondary winding of the high-voltage transformer, stabilization of the neutron output and an increase in the service life of the neutron tube. To ensure the necessary vacuum in the volume of the tube body 1, getters 5 are used.

Результатом данного технического решения является повышение стабильности и ресурса работы вакуумной нейтронной трубки. При разработке конструкции импульсного нейтронного генератора это приводит к уменьшению габаритов, веса нейтронного генератора из-за отсутствия нагрузочного сопротивления и сопротивления смещения, как самостоятельных конструктивных элементов, функции которых выполняет полый цилиндр 9 и полый цилиндр 10 корпуса нейтронной трубки, выполненные из керамического материала с необходимым объемным электрическим сопротивлением. При этом образовавшийся свободный объем, который занимали сердечник с нагрузочным сопротивлением и каркас с сопротивлением смещения, может быть использован для уменьшения габаритов и веса нейтронного генератора.The result of this technical solution is to increase the stability and service life of the vacuum neutron tube. When developing the design of a pulsed neutron generator, this leads to a reduction in the dimensions and weight of the neutron generator due to the absence of load resistance and displacement resistance, as independent structural elements, the functions of which are performed by the hollow cylinder 9 and the hollow cylinder 10 of the neutron tube body, made of ceramic material with the necessary bulk electrical resistance. In this case, the resulting free volume, which was occupied by a core with a load resistance and a frame with a displacement resistance, can be used to reduce the size and weight of the neutron generator.

Claims (1)

Вакуумная нейтронная трубка, содержащая вакуумно-герметичный корпус, в котором размещены управляемый трехэлектродный источник ионов, анод и катод которого насыщены изотопом водорода, мишенный и сеточный электроды, отличающаяся тем, что вакуумно-герметичный корпус нейтронной трубки выполнен в виде первого и второго полых цилиндров из керамического материала с объемным электрическим сопротивлением, величина которого определяется сопротивлением нагрузки для первого полого цилиндра и сопротивлением смещения для второго полого цилиндра, при этом первый полый цилиндр вакуумно-герметично присоединен к анодному и сеточному электродам нейтронной трубки, а второй полый цилиндр - к сеточному и мишенному электродам, и имеют с ними электрический и тепловой контакты.Vacuum neutron tube containing a vacuum-tight housing, which houses a controlled three-electrode ion source, the anode and cathode of which are saturated with a hydrogen isotope, target and grid electrodes, characterized in that the vacuum-tight neutron tube housing is made in the form of the first and second hollow cylinders of ceramic material with bulk electrical resistance, the value of which is determined by the load resistance for the first hollow cylinder and the bias resistance for the second hollow cylinder, while the first hollow cylinder is vacuum-hermetically connected to the anode and grid electrodes of the neutron tube, and the second hollow cylinder is connected to the grid and target electrodes electrodes, and have electrical and thermal contacts with them.

Images