Opublikowano: 30.VI.1969 56831 KI. 21 g, 21/01 MKP G 21 g UKD i\ Twórca wynalazku: dr inz. Czeslaw Bobrowski Wlasciciel patentu: Akademia Górniczo-Hutnicza (Instytut Techniki Jadrowej), Kraków (Polska) Miniaturowa lampa neutronowa Przedmiotem wynalazku jest miniaturowa lam¬ pa neutronowa, która znajduje zastosowanie jako sonda generatora neutronów w poszukiwaniach zlóz geologicznych, w badaniach strukturalnych fizyki ciala stalego, w fizyce jadrowej, w biologii i medycynie oraz w innych dziedzinach nauki i techniki.Znane sa lampy neutronowe, w których stosuje sie zródla jonów typu Penninga lub lukowe zród¬ lo jonów. W lampach tych, emitowane przez zród¬ la jonów elektrony poruszaja sie wzdluz osi sy¬ metrii lampy, wskutek czego dla uzyskania du¬ zego pradu jonowego, wymagana jest odpowiednia dlugosc komory zródla jonów oraz duza moc za¬ rzenia katody. W wyniku tego lampy odznacza¬ ja sie duzymi wymiarami geometrycznymi i znacz¬ nym ciezarem, co powoduje ograniczenie zakresu wykorzystywania tych lamp.Niedogodnosci te usuwa miniaturowa lampa neutronowa wedlug wynalazku, zawierajaca zród¬ lo jonów, skladajace sie z dwóch wspólsrodko- wych cylindrów, z których wewnetrzny cylinder z katoda i zasobnikiem deuteru, wykonany z ma¬ terialu ferromagnetycznego, jest polaczony z mag¬ nesem stalym, a cylinder zewnetrzny wykonany z materialu niemagnetycznego, jest zaopatrzony w dwie zamykajace, ferromagnetyczne pokrywy, których wewnetrzne powierzchnie maja wglebie¬ nia, przy czym pokrywa, laczaca sie z magnesem, ma szereg symetrycznych otworów. Calosc jest 15 25 30 umieszczona w próznioszczelnym cylindrze szkla¬ nym, zakonczonym z jednej strony metalowym krazkiem, na którym jest osadzona tarcza tryto- wa, zaopatrzona w oslone z otworem, a z drugiej strony cylinder jest wyposazony w metalowe przepusty.Miniaturowa lampa neutronowa wedlug wyna¬ lazku jest uwidoczniona w przykladowym rozwia¬ zaniu na rysunku, na którym fig. 1. przedstawia przekrój podluzny lampy, a fig. 2. — przekrój po¬ przeczny lampy w plaszczyznie A — A.Lampa neutronowa wedlug wynalazku sklada sie z próznioszczelnego, szklanego cylindra 1, za¬ konczonego z jednej strony metalowym kraz¬ kiem 2 polaczonym z cylindrem 1 próznioszczel¬ nym zlaczem 3 (fig. 1 i 2). Do krazka 2, na.któ¬ rym jest osadzona trytowa tarcza 4, jest przy¬ twierdzona oslona 5 z otworem 6, sluzacym do formowania wiazki jonów deuteru, bombarduja¬ cych tarcze 4. Z drugiej strony cylinder 1 jest za¬ konczony cokolem, wyposazonym w metalowe przepusty 7 oraz pompowa rurke 8, sluzaca do napelniania lampy deuterem. Cylinder 1 zawiera zródlo jonów, skladajace sie z dwóch wspólsrod- kowych cylindrów 9 i 10, z których wewnetrzny cylinder 9 jest wykonany z materialu ferromag¬ netycznego, na przyklad z niklu lub stali, a zew¬ netrzny cylinder 10 z materialu niemagnetycznego, na przyklad z miedzi, 5683156831 Wewnatrz cylindra 9 jest umieszczony zasobnik 11 deuteru, zaopatrzony w grzejna spirale 12, oraz katoda 13 z siatka 14, stanowiaca czesc pobocznicy cylindra 9. Cylinder 9 Jest polaczony z umieszczo¬ nym wspólosiowo stalym magnesem 15, wyikona- 5 nym najkorzystniej w ksztalcie walca, którego dlugosc równa sie róznicy dlugosci cylindrów 9 i 10. Zewnetrzny cylinder 10 jest zaopatrzony w dwie zamykajace, ferromagnetyczne pokrywy 16 i 17, których wewnetrzne powierzchnie maja stoz- 1] kowe wglebienia, przy czym w pokrywie 16 jest t ^sadzony cylinder 9. Pokrywa 17 ma szereg otwo- y'row 18» symetrycznie rozmieszczonych na okregu, *o srednicy nieco wiekszej od srednicy cylindra 9.Przestrzen, zawarta pomiedzy cylindrami 9 i 15 10, stanowi toroidalnego ksztaltu komore 19 zródla jonów, której elementy tworzace obudowe, a wiec cylindry 9 i 10, siatka 14, magnes 15, pokrywy 16 i 17, sa polaczone ze soba metalicznie, natomiast zasobnik 11 deuteru i katoda 13 sa odizolowane 20 od obudowy komory 19. W czasie pracy zródla jonów, do elementów 9, 10, 14, 15, 16 i 17, two¬ rzacych obudowe komory 19 zródla jonów, jest przylozone dodatnie napiecie, wynoszace 100— 200 V, natomiast katoda 13 znajduje sie na po- 25 tenej ale zerowym.Emitowane przez katode 13, elektrony, sa przy¬ spieszane przez siatke 14 w kierunku komory 19.Ze wzgledu na to, ze wektory predkosci elektro¬ nów sa prostopadle do linii sil pola magnetycz- so nego, wytworzonego przez magnes 15, na elek¬ trony dziala sila Lorentza, któraJest prostopadla do wektorów predkosci elektronów oraz linii sil pola magnetycznego. Sila ta powoduje zakrzywie¬ nie toru elektronów, które poruszaja sie ze stala 35 predkoscia po orbicie kolowej dookola cylindra 9.Poruszajace sie elektrony zderzaja sie z czastecz¬ kami deuteru, powodujac jego jonizacje. Powstale jony deuteru sa wyciagane poprzez otwory 18 w pokrywie 17 do trytowej tarczy 4, która wraz z oslona 5 znajduje sie w czasie generacji neutro¬ nów na ujemnym potencjale, w .stosunku do zród¬ la jonów, wynoszacym od 100 do 150 kV. Jony deuteru zderzajac sie z jadrami trytu wywoluja reakcje jadrowa, w wyniku której powstaja jadra helu oraz neutrony o sredniej energii 14 MeV.Cisnienie deuteru w lampie jest utrzymywane przy pomocy zasobników 11 deuteru, zawieraja¬ cych sproszkowany tytan lub cyrkon, charakte¬ ryzujacy sie silna absorpcja izotopów wodoru.Zachowanie stalego cisnienia deuteru zalezy od 50 temperatury tytanu wzglednie cyrkonu, która re¬ guluje sie za pomoca grzejnej spirali 12. Procesy absorpcji i desorpcji deuteru sa odwracalne i pow¬ tarzalne, co ulatwia regulacje cisnienia deuteru w lampie. Umieszczenie zasobnika 11 deuteru w po- 55 blizu katody 13 powoduje przenikanie czesci energii cieplnej, wydzielonej w katodzie 13, co zmniejsza moc zarzenia zasobnika 11.Prad jonowy, plynacy do tarczy trytowej moz¬ na wyrazic nastepujacym równaniem: 60 Ij = Ikl (1 - e"al*p) e-a(ll+41j)p (1) w którym,: Ij oznacza — prad deuteronów, doplywajacy bez zderzen do tarczy trytowej 65 40 45 Ik oznacza — prad elektronowy, emitowany przez katode <| „ — prawdopodobienstwo jonizacji, be¬ dace stosunkiem liczby zderzen elektronów z deuteronami, wy¬ wolujacymi jonizacje, do calkowi- witej liczby zderzen a „ — wartosc istala, równa 1,3-3.10* 1/mTr p „ — cisnienie deuteru w torach Tr lx „ — odcinek dlugosci cylindra, z któ¬ rego deuterony plyna do katody (, — odcinek dlugosci cylindra, z któ¬ rego deuterony plyna do tarczy trytowej „ — odcinek dlugosci pomiedzy cylind¬ rem a tarcza trytowa tzw. prze¬ strzen przyspieszajaca Z równania (1) wynika, ze prad jonowy wzrasta ze wzrostem odcinka 12 dlugosci cylindra. Dzieki zastosowaniu w lampie wedlug wynalazku, kolo¬ wego ruchu wiazki elektronów, odcinek 12 wzrósl do nieskonczonosci. Przez obliczenie pierwszej po¬ chodnej równania (1) wzgledem cisnienia deuteru i przyrównanie jej do zera, uzyskuje sie równa¬ nie, optymalnego cisnienia deuteru w lampie, wy¬ razone nastepujacym wzorem: 1, U '-ir"4+vRi7) (2) w którym symbole oznaczone sa jak we wzorze (1). Ze wzoru (2) wynika, ze cisnienie deuteru w lampie jest niewielkie i wynosi zaledwie 10—5— 10—6 Tr. Dzieki temu do ogrzewania zasobnika deuteru mozna wykorzystac ogrzewanie posrednie poprzez spirale katody.Miniaturowa lampa neutronowa wedlug wyna¬ lazku ma dzieki wykorzystaniu kolowego ruchu elektronów niewielkie rozmiary, mianowicie: dlu¬ gosc jej wynosi okolo 75 mm i srednica okolo 40 mm. Przy tych malych wymiarach geometrycz¬ nych i niewielkim ciezarze, wynoszacym okolo 0,1 kg, lampa odznacza sie duzym pradem jono¬ wym, wynoszacym okolo 1,5 mA i znacznym wy¬ datkiem neutronów, wynoszacym 10*—HO10 neu- tronów/isek. Ponadto lampe charakteryzuje prosta budowa i" latwosc obslugi oraz przydatnosc do za¬ stosowania w miejscach trudno dostepnych. Lam¬ pa wedlug wynalazku wykazuje minimalny pobór mocy, dlugi czas uzytkowania i niskie koszty eksploatacji. PL