RU155328U1

RU155328U1 - PULSED NEUTRON GENERATOR

Info

Publication number: RU155328U1
Application number: RU2015124121/07U
Authority: RU
Inventors: Лариса Петровна Абакумова; Владимир Тимофеевич Бобылев; Юрий Павлович Кузнецов; Сергей Иванович Брагин
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2015-10-10
Also published as: RU155328U8

Abstract

Импульсный нейтронный генератор, содержащий размещенные в герметичном металлическом корпусе, залитом диэлектриком, конденсатор накопительный, зарядный дроссель, вакуумную нейтронную трубку, конденсатор источника питания вакуумной нейтронной трубки, электрическую схему её питания, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов с многорядными вторичными обмотками и многослойной бумажно-пленочной изоляцией, выступающей за пределы рядов, выполненных на сердечниках из магнитного материала, выход которых соединен с чашеобразными экранами и расположенной в них вакуумной нейтронной трубкой, а также установленные на крышке генератора температурный компенсатор и высоковольтный герметичный проходной изолятор, отличающийся тем, что высоковольтные трансформаторы выполнены на замкнутых магнитопроводах из электротехнической стали, продольные оси обмоток которых расположены перпендикулярно продольной оси нейтронной трубки и корпуса, части слоев межрядовой изоляции вторичных обмоток, выступающие за пределы рядов, надрезаны с обеих сторон послойно равномерно по диаметру, причем надрезы в последующем слое размещены между надрезами в предыдущем слое, надрезанная часть изоляции завернута на наружную поверхность обмоток трансформаторов и закреплена.A pulsed neutron generator, which is housed in a sealed metal case filled with a dielectric, a storage capacitor, a charging reactor, a vacuum neutron tube, a capacitor of a vacuum neutron tube power source, an electric circuit of its power, consisting of two high-voltage transformers with multi-row secondary windings and a multilayer paper-film insulation protruding beyond the rows made on cores of magnetic material, the output of which is connected to a cup-shaped screen and the vacuum neutron tube located in them, as well as a temperature compensator and a high-voltage sealed bushing installed on the generator cover, characterized in that the high-voltage transformers are made on closed magnetic cores of electrical steel, the longitudinal axis of the windings of which are perpendicular to the longitudinal axis of the neutron tube and the case, parts of the inter-row insulation layers of the secondary windings protruding beyond the rows are cut from both sides in a uniform layerwise diameter y, wherein the incisions in the subsequent layer positioned between the slits in the previous layer, the incised portion of the insulation is wrapped to the outer surface of the transformer windings and secured.

Description

Полезная модель относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначена для использования при разработке нейтронных и рентгеновских генераторов.The utility model relates to the field of physical instrumentation, in particular to neutron radiation sources, and is intended for use in the development of neutron and x-ray generators.

Известен малогабаритный генератор нейтронов, содержащий нейтронную трубку и высоковольтный источник напряжения питания, выполненный на накопительном конденсаторе, включенном между высоковольтным источником питания и первичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора (в случае биполярного питания нейтронной трубки - первичными обмотками высоковольтных импульсных трансформаторов). Геофизическая аппаратура. Недра, вып. 43, 1970 г., с. 132-146. Однако этот генератор нейтронов имеет большие габариты и малый ресурс работы.A small-sized neutron generator is known that contains a neutron tube and a high-voltage power supply source, made on a storage capacitor connected between the high-voltage power source and the primary winding of a high-voltage pulse transformer (in the case of a bipolar power supply of a neutron tube, the primary windings of high-voltage pulse transformers). Geophysical equipment. Subsoil, issue. 43, 1970, p. 132-146. However, this neutron generator has large dimensions and a small resource of work.

Известен генератор импульсного потока ионизирующего излучения нейтронов, содержащий расположенные по оси металлического корпуса высоковольтный трансформатор с чашеобразным электродом, в котором размещена ускорительная трубка со схемой ее питания, выполненной на накопительном конденсаторе, включенном между высоковольтным источником питания и первичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора. Авторское свидетельство СССР №679082, МПК H05H 1/00, 1973 г. Генератор имеет малый ресурс работы.A known generator of a pulsed stream of ionizing neutron radiation, containing located on the axis of the metal casing, a high-voltage transformer with a bowl-shaped electrode, in which there is an accelerating tube with a power circuit made on a storage capacitor connected between the high-voltage power source and the primary winding of the high-voltage pulse transformer. USSR author's certificate No. 679082, IPC H05H 1/00, 1973. The generator has a small operating resource.

Известен импульсный нейтронный генератор, содержащий вакуумную нейтронную трубку и электрическую схему питания вакуумной нейтронной трубки, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов, конденсатора накопительного, схемы формирования ускоряющего импульса, конденсатора источника питания нейтронной трубки и зарядного дросселя, размещенных в герметичном корпусе, в котором все элементы электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки выполнены в виде тел вращения с центральными отверстиями, соединены между собой механически и электрически с помощью резьбовых электрических контактов с центральными отверстиями, а с вакуумной нейтронной трубкой - через чашеобразные резьбовые втулки с центральным и боковыми отверстиями, установленные на мишени и аноде вакуумной нейтронной трубки, вакуумная нейтронная трубка и электрическая схема питания помещены в полый тонкостенный цилиндр с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра герметичного корпуса. Между наружной стенкой тонкостенного цилиндра и внутренней стенкой герметичного корпуса образована наружная полость, заполненная жидким диэлектриком, сообщающаяся с внутренней полостью, образованной центральными отверстиями в охлаждаемых элементах электрической схемы питания вакуумной нейтронной трубки. Патент Российской Федерации №2368024, МПК: G21G 4/02, 2009 г. (выбран в качестве прототипа).Known pulsed neutron generator containing a vacuum neutron tube and a power circuit for a vacuum neutron tube, consisting of two high-voltage transformers, a storage capacitor, an accelerating pulse generation circuit, a capacitor of a neutron tube power source and a charging choke, placed in a sealed enclosure in which all the elements of the electric power schemes of a vacuum neutron tube are made in the form of bodies of revolution with central holes, interconnected mechanically ki and electrically using threaded electrical contacts with central holes, and with a vacuum neutron tube through cup-shaped threaded bushings with central and side holes mounted on the target and anode of the vacuum neutron tube, the vacuum neutron tube and the power supply circuit are placed in a hollow thin-walled cylinder with outer diameter smaller than the inner diameter of the sealed enclosure. Between the outer wall of the thin-walled cylinder and the inner wall of the sealed housing, an outer cavity is formed, filled with a liquid dielectric, communicating with the inner cavity formed by the central holes in the cooled elements of the power supply circuit of the vacuum neutron tube. Patent of the Russian Federation No. 2368024, IPC: G21G 4/02, 2009 (selected as a prototype).

Прототип имеет ограниченный ресурс работы из-за невысокого КПД высоковольтного трансформатора, большие размеры (длину).The prototype has a limited service life due to the low efficiency of the high voltage transformer, large dimensions (length).

Последовательное расположение высоковольтного трансформатора и нейтронной трубки приводит к существенному увеличению размеров генератора.The sequential arrangement of the high-voltage transformer and the neutron tube leads to a significant increase in the size of the generator.

Для обеспечения электрической прочности между рядами вторичной обмотки высоковольтного трансформатора, необходимо значительное выступание бумажно-пленочной изоляции за пределы рядов обмотки (приблизительно на 25-30 мм), что приводит к увеличению длины генератора.To ensure electric strength between the rows of the secondary winding of the high voltage transformer, it is necessary to significantly protrude the paper-film insulation outside the rows of the winding (approximately 25-30 mm), which leads to an increase in the length of the generator.

КПД высоковольтных трансформаторов прототипа невысок, так как обмотки трансформаторов намотаны на разомкнутых ферромагнитных сердечниках.The efficiency of high-voltage transformers of the prototype is low, since the transformer windings are wound on open ferromagnetic cores.

Кроме того, соосное расположение обмоток трансформаторов и корпуса отрицательно влияет на КПД высоковольтных трансформаторов, так как корпус образует "короткозамкнутый виток" по отношению к обмоткам высоковольтных трансформаторов. Для уменьшения влияния корпуса на параметры высоковольтных трансформаторов между ними установлены экраны из ферромагнитного материала большой толщины.In addition, the coaxial arrangement of the transformer windings and the housing negatively affects the efficiency of high-voltage transformers, since the housing forms a "short-circuited coil" with respect to the windings of the high-voltage transformers. To reduce the influence of the case on the parameters of high-voltage transformers, screens of large thickness ferromagnetic material are installed between them.

Задачей полезной модели является разработка малогабаритного, нейтронного генератора с большим ресурсом работы.The objective of the utility model is to develop a small-sized, neutron generator with a long service life.

Техническим результатом полезной модели являются повышение ресурса работы генератора и уменьшение габаритов.The technical result of the utility model is to increase the life of the generator and reduce the size.

Технический результат достигается тем, что импульсный нейтронный генератор содержит размещенные в герметичном металлическом корпусе, залитом диэлектриком, конденсатор накопительный, зарядный дроссель, вакуумную нейтронную трубку, конденсатор источника питания вакуумной нейтронной трубки, электрическую схему ее питания, состоящую из двух высоковольтных трансформаторов с многорядными вторичными обмотками и многослойной бумажно-пленочной изоляцией, выступающей за пределы рядов, выполненных на сердечниках из магнитного материала, выходы которых соединены с чашеобразными экранами и расположенной в них вакуумной нейтронной трубкой. На крышке генератора установлены температурный компенсатор и высоковольтный герметичный проходной изолятор. Высоковольтные трансформаторы выполнены на замкнутых сердечниках из электротехнической стали, продольные оси обмоток которых расположены перпендикулярно продольной оси нейтронной трубки и корпуса. Части слоев межрядовой изоляции вторичных обмоток, выступающие за пределы рядов, надрезаны с обеих сторон послойно равномерно по диаметру, причем надрезы в последующем слое размещены между надрезами в предыдущем слое, надрезанная часть изоляции завернута на наружную поверхность обмоток трансформаторов и закреплена.The technical result is achieved by the fact that a pulsed neutron generator contains a capacitor, a charge reactor, a vacuum neutron tube, a capacitor of a vacuum neutron tube power source, an electric power circuit consisting of two high-voltage transformers with multi-row secondary windings located in a sealed metal case filled with a dielectric; and multilayer paper-film insulation that extends beyond the rows made on cores of magnetic material, you the passages of which are connected to the cup-shaped screens and the vacuum neutron tube located in them. A temperature compensator and a high-voltage sealed bushing are installed on the generator cover. High-voltage transformers are made on closed cores of electrical steel, the longitudinal axis of the windings of which are perpendicular to the longitudinal axis of the neutron tube and the casing. The parts of the inter-row insulation layers of the secondary windings protruding beyond the rows are cut from both sides in a uniform layerwise diameter, the cuts in the next layer being placed between the cuts in the previous layer, the cut part of the insulation is wrapped on the outer surface of the transformer windings and fixed.

Сущность полезной модели поясняется чертежами:The essence of the utility model is illustrated by drawings:

На фиг. 1 представлен предложенный импульсный нейтронный генератор, где: 1 - металлический корпус, 2 - вакуумная нейтронная трубка, 3 - высоковольтный трансформатор отрицательной полярности импульсов, 4 - высоковольтный трансформатор положительной полярности импульсов, 5- замкнутый магнитопровод, 6 - сердечник, 7 - первичная обмотка, 8 - вторичная многорядная обмотка, 9 - многослойная бумажно-пленочная изоляция, 10 - чашеобразные металлические экраны, 11 - надрезы, 12 - зарядный дроссель, 13 - конденсатор источника питания нейтронной трубки, 14 - накопительные конденсаторы, 15 - крышка генератора, 16 - температурный компенсатор, 17 - высоковольтный герметичный проходной изолятор.In FIG. 1 shows the proposed pulsed neutron generator, where: 1 - a metal casing, 2 - a vacuum neutron tube, 3 - a high voltage transformer of negative pulse polarity, 4 - a high voltage transformer of positive pulse polarity, 5 - closed magnetic circuit, 6 - core, 7 - primary winding, 8 - secondary multi-row winding, 9 - multilayer paper-film insulation, 10 - cup-shaped metal screens, 11 - cuts, 12 - charging inductor, 13 - capacitor of a neutron tube power source, 14 - storage coils nensators, 15 - generator cover, 16 - temperature compensator, 17 - high-voltage sealed bushing.

На фиг. 2 представлен разрез А-А фиг. 1, где 5 - замкнутый магнитопровод, 6 - сердечник, 7 - первичная обмотка высоковольтного трансформатора, 8 - вторичная многорядная обмотка высоковольтного трансформатора, 9 - многослойная бумажно-пленочная изоляция, 10 - чашеобразный металлический экран, 11 - надрезы.In FIG. 2 shows a section aa of FIG. 1, where 5 is a closed magnetic circuit, 6 is the core, 7 is the primary winding of a high voltage transformer, 8 is a secondary multi-row winding of a high voltage transformer, 9 is a multilayer paper-film insulation, 10 is a cup-shaped metal screen, 11 are cuts.

На фиг. 3 представлено расположение обмоток трансформатора па сердечнике, где 5 - замкнутый магнитопровод, 6 - сердечник, 7 - первичная обмотка высоковольтного трансформатора, 8 - вторичная многорядная обмотка высоковольтного трансформатора, 9 - многослойная бумажно-пленочная изоляция, 11 - надрезы.In FIG. 3 shows the location of the transformer windings on the core, where 5 is a closed magnetic circuit, 6 is the core, 7 is the primary winding of a high voltage transformer, 8 is a secondary multi-row winding of a high voltage transformer, 9 is a multilayer paper-film insulation, 11 are cuts.

На фиг. 4 представлен вид Б фиг. 3, где 5 - замкнутый магнитопровод, 6 - сердечник, 9 - многослойная бумажно-пленочная изоляция, 11 - надрезы.In FIG. 4 is a view B of FIG. 3, where 5 is a closed magnetic circuit, 6 is a core, 9 is a multilayer paper-film insulation, 11 are cuts.

К2 - выходы вторичных обмоток соединены с чашеобразными металлическими экранами 10.K2 - the outputs of the secondary windings are connected to a cup-shaped metal screens 10.

Генератор выполнен в металлическом корпусе 1, залитом жидким диэлектриком, внутри которого размещена нейтронная трубка 2, высоковольтные импульсные трансформаторы 3 и 4, содержащие замкнутые магнитопроводы 5. На сердечниках 6 симметрично относительно его горцев расположены первичные обмотка 7 и поверх первичных - вторичные многорядные обмотки 8 намотанные одновременно с многослойной бумажно-пленочной изоляцией 9, выходящей за пределы рядов.The generator is made in a metal case 1, filled with a liquid dielectric, inside which a neutron tube 2 is placed, high-voltage pulse transformers 3 and 4, containing closed magnetic circuits 5. Primary windings 7 are symmetrically placed on the cores 6 and secondary multi-row windings 8 are wound on top of the primary ones simultaneously with multilayer paper-film insulation 9, which extends beyond the ranks.

Многослойная бумажно-пленочная изоляция приблизительно на 25-30 мм выступает за пределы рядов вторичных обмоток с двух сторон.Multilayer paper-film insulation approximately 25-30 mm protrudes beyond the rows of secondary windings on both sides.

Магнитопроводы 5 и сердечники 6 выполнены из электротехнической стали, например, Э310.Magnetic cores 5 and cores 6 are made of electrical steel, for example, E310.

Часть слоев многослойной бумажно-пленочной изоляции 9, выходящая за пределы рядов, надрезана послойно равномерно по диаметру, причем надрезы 11 в последующем слое размещены между надрезами 11 в предыдущем слое и надрезанная часть изоляции завернута на наружную поверхность трансформаторов и закреплена технологически, например, нитками.Part of the layers of multilayer paper-film insulation 9, extending outside the rows, is cut in layers uniformly in diameter, with cuts 11 in the next layer being placed between cuts 11 in the previous layer and the cut part of the insulation is wrapped on the outer surface of the transformers and secured technologically, for example, with threads.

После сборки нитки удаляются, а завернутая часть изоляции обмоток удерживается замкнутыми магнитопроводами 5 и элементами конструкции.After assembly, the threads are removed, and the wrapped part of the insulation of the windings is held by closed magnetic circuits 5 and structural elements.

Такое выполнение загибов формирует барьерную электрическую изоляцию вторичных обмоток высоковольтных трансформаторов, находящихся под полным напряжением (60-65) кВ относительно первичной низковольтной обмотки и магнитопровода, находящегося под потенциалом корпуса генератора. Выводы вторичных обмоток К2 соединены с чашеобразными экранами 10, внутри которых размещена мишенная и анодная часть нейтронной трубки.This design of the bends forms a barrier electrical insulation of the secondary windings of high-voltage transformers under full voltage (60-65) kV relative to the primary low-voltage winding and magnetic circuit, which is under the potential of the generator housing. The conclusions of the secondary windings K2 are connected to the cup-shaped screens 10, inside which the target and anode parts of the neutron tube are placed.

Высоковольтные трансформаторы 3, 4 выполнены на замкнутых магнитопроводах, продольные оси обмоток 7 и 8 которых расположены перпендикулярно продольной оси нейтронной трубки 2 и корпуса нейтронного генератора 1.High-voltage transformers 3, 4 are made on closed magnetic circuits, the longitudinal axis of the windings 7 and 8 of which are located perpendicular to the longitudinal axis of the neutron tube 2 and the case of the neutron generator 1.

Внутри корпуса 1 размещен зарядный дроссель 12, конденсатор источника питания нейтронной трубки 13, накопительный конденсатор 14.Inside the housing 1 there is a charging choke 12, a capacitor of a neutron tube power source 13, a storage capacitor 14.

Для обеспечения электрической прочности генератор залит жидким диэлектриком. На крышке генератора 15 установлен температурный компенсатор 16 и высоковольтный герметичный проходной изолятор 17.To ensure electrical strength, the generator is filled with a liquid dielectric. On the cover of the generator 15, a temperature compensator 16 and a high-voltage sealed bushing 17 are installed.

В качестве жидкого диэлектрика в генераторе использовано трансформаторное масло ТКП.TKP transformer oil is used as a liquid dielectric in the generator.

Благодаря такому расположению обмоток высоковольтного трансформатора по отношению к корпусу, эффект "короткозамкнутого витка" отсутствует, а КПД предложенного трансформатора в два раза выше прототипа, создается более равномерное электрическое поле, в результате удается обеспечить оптимальный рабочий режим для ускорительной трубки, повысить ресурс работы генератора при минимальных размерах и меньших энергозатратах.Due to this arrangement of the windings of the high-voltage transformer with respect to the case, there is no “short-circuit” effect, and the efficiency of the proposed transformer is two times higher than the prototype, a more uniform electric field is created, as a result, it is possible to provide an optimal operating mode for the accelerator tube, to increase the generator operating life when minimum sizes and less energy consumption.

Генератор работает следующим образом.The generator operates as follows.

При срабатывании коммутирующего элемента (на чертеже не показан) накопительный конденсатор 14, заряженный до напряжения 4,5 кВ, разряжается через первичные обмотки трансформаторов 3 и 4. Па вторичных обмотках формируются импульсы напряжения 50-60 кВ длительностью 4 мкс, отрицательной и положительной полярности и подаются на мишень и анод импульсной нейтронной трубки 2. Трансформатор положительной полярности 4 формирует импульс напряжения поджига ионного источника, в результате которого происходит разряд конденсатора источника 13 через анод и катод нейтронной трубки 2. Образовавшиеся ионы дейтерия бомбардируют мишенный электрод вакуумной нейтронной трубки 2. На мишени в результате реакции 1Д2+1Т3→ 2Не4+n образуются нейтроны с энергией 14 МэВ и вторичные электроны.When the switching element is activated (not shown in the drawing), the storage capacitor 14, charged to a voltage of 4.5 kV, is discharged through the primary windings of transformers 3 and 4. At the secondary windings, voltage pulses of 50-60 kV with a duration of 4 μs, negative and positive polarity are formed and fed to the target and the anode of the pulsed neutron tube 2. A transformer of positive polarity 4 generates a voltage pulse of ignition of the ion source, which results in the discharge of the capacitor of the source 13 through the anode and the cathode of the neutron tube 2. The formed deuterium ions bombard the target electrode of the vacuum neutron tube 2. On the target, as a result of the 1D2 + 1T3 → 2He4 + n reaction, 14 MeV neutrons and secondary electrons are formed.

Таким образом, создание импульсного нейтронного генератора в соответствии с предложенным техническим решением позволило уменьшить его габариты и массу приблизительно на 30%, обеспечить оптимальный рабочий режим для ускорительной трубки, повысить ресурс работы, за счет снижения потерь на эффект "коротко-замкнутого витка", введения загибки изоляции высоковольтных трансформаторов, выполнение их на замкнутых магнитопроводах из электротехнической стали с перпендикулярным расположением продольных осей обмоток трансформаторов относительно корпуса генератора.Thus, the creation of a pulsed neutron generator in accordance with the proposed technical solution made it possible to reduce its dimensions and weight by approximately 30%, provide an optimal operating mode for the accelerator tube, increase the service life by reducing losses on the effect of the “short-circuit”, introduction bending insulation of high-voltage transformers, their execution on closed magnetic circuits of electrical steel with a perpendicular arrangement of the longitudinal axes of the transformer windings on the generator frame.

Claims

A pulsed neutron generator, which is housed in a sealed metal case filled with a dielectric, a storage capacitor, a charging choke, a vacuum neutron tube, a capacitor of a vacuum neutron tube power source, an electric circuit of its power, consisting of two high-voltage transformers with multi-row secondary windings and a multilayer paper-film insulation protruding beyond the rows made on cores of magnetic material, the output of which is connected to a cup-shaped screen and the vacuum neutron tube located in them, as well as a temperature compensator and a high-voltage sealed bushing installed on the generator cover, characterized in that the high-voltage transformers are made on closed magnetic cores of electrical steel, the longitudinal axis of the windings of which are perpendicular to the longitudinal axis of the neutron tube and the case, parts of the inter-row insulation layers of the secondary windings protruding beyond the rows are cut from both sides in a uniform layerwise diameter y, wherein the incisions in the subsequent layer positioned between the slits in the previous layer, the incised portion of the insulation is wrapped to the outer surface of the transformer windings and secured.