RU2228554C2

RU2228554C2 - Neutron vacuum tube

Info

Publication number: RU2228554C2
Application number: RU2002113356/06A
Authority: RU
Inventors: Р.П. Плешакова; Ю.Г. Бессарабский; ков Ю.К. Пресн; Ю.К. Пресняков
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2004-05-10

Abstract

FIELD: fast neutron pulsating flux generation. SUBSTANCE: proposed vacuum neutron tube has sealed vacuum envelope accommodating ion source, set of ion-optical electrodes, means for maintaining working pressure in neutron tube, and target assembly incorporating target, additional intermediate substrate, main substrate, and copper radiator. Additional intermediate substrate is diamond base substrate coated with alkali-earth metal saturated with hydrogen radionuclides. EFFECT: enhanced speed of heat removal from target active surface. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для генерации импульсных потоков быстрых нейтронов, в частности к малогабаритным ускорительным нейтронным трубкам, и может быть использовано в генераторах нейтронов народнохозяйственного назначения.The invention relates to devices for generating pulsed fluxes of fast neutrons, in particular to small-sized accelerating neutron tubes, and can be used in neutron generators for national purposes.

Известна импульсная газонаполненная нейтронная трубка (НТ) (см., например, Shope L.A., Berg R.S., О Neal M.L., Barnaby B.E. The Operation and Life of the Zetatron Neutron Tube in Borehole Logging Application. - Int. Jorn. Appl. Radiat. Isotopes, v.34, № 1, 1983, p.269), которая представляет собой вакуумно-герметичную оболочку с размещенными в ней следующими основными узлами:Known pulsed gas-filled neutron tube (NT) (see, for example, Shope LA, Berg RS, About Neal ML, Barnaby BE The Operation and Life of the Zetatron Neutron Tube in Borehole Logging Application. - Int. Jorn. Appl. Radiat. Isotopes , v. 34, No. 1, 1983, p. 269), which is a vacuum-tight enclosure with the following main nodes located in it:

- источником ионов (ИИ);- ion source (AI);

- ионно-оптической системой электродов (ИОС);- ion-optical electrode system (IOS);

- средствами поддержания рабочего давления;- means of maintaining working pressure;

- мишенным узлом.- target node.

Принцип действия данной НТ состоит в извлечении из ИИ ионов радионуклидов водорода (дейтерия, трития или их смеси), формировании ионного пучка и ускорении ионов с помощью ионно-оптической системы в направлении мишенного узла, который состоит из подложки, нанесенного на нее тонкого слоя щелочноземельного металла (пленки толщиной ≈1 мкм), хорошо поглощающего радионуклиды водорода и насыщенного ими. Как правило, подложку изготавливают из молибдена, сорбирующий слой - из титана; мишень насыщают тритием, дейтерием или их смесью, а ускоряют ионы дейтерия. Тогда при взаимодействии ускоренных до ≈100 кэВ ионов, например дейтронов с ядрами трития, содержащимися в гидриде титана, происходит ядерная реакция T(d, n)⁴Не или D(d, n)³Не с выходом 14 или 2,5 МэВ нейтронов соответственно.The operating principle of this NT consists in extracting hydrogen radionuclide ions (deuterium, tritium, or a mixture thereof) from the AI, forming an ion beam and accelerating the ions using an ion-optical system in the direction of the target site, which consists of a substrate deposited on it a thin layer of alkaline earth metal (films with a thickness of ≈1 μm), which well absorbs and is saturated with hydrogen radionuclides. As a rule, the substrate is made of molybdenum, the sorbent layer is made of titanium; the target is saturated with tritium, deuterium, or a mixture thereof, and deuterium ions accelerate. Then, in the interaction of ions accelerated to ≈100 keV, for example, deuterons with tritium nuclei contained in titanium hydride, a nuclear reaction T (d, n) ⁴ He or D (d, n) ³ He occurs with a yield of 14 or 2.5 MeV neutrons respectively.

Известная НТ имеет недостаточно высокий срок службы, одной из причин которого является невысокая теплопроводность материала подложки мишени, изготовленной из молибдена, вследствие чего насыщенный слой (тритид титана) не может за время короткого импульса длительностью ≈1,0-2,0 мкс отвести тепло. Происходит перегрев мишени, особенно ее центральной части, вследствие чего радионуклиды водорода диффундируют в объем трубки и вглубь мишени от поверхности, что вызывает уменьшение концентрации трития на рабочей поверхности, особенно в центральной ее части.The known NT has a short service life, one of the reasons of which is the low thermal conductivity of the target substrate material made of molybdenum, as a result of which a saturated layer (titanium tritide) cannot remove heat during a short pulse of ≈1.0-2.0 μs. The target overheats, especially its central part, as a result of which hydrogen radionuclides diffuse into the tube volume and deep into the target from the surface, which causes a decrease in the concentration of tritium on the working surface, especially in its central part.

Известна также НТ с усовершенствованным мишенным узлом (см., например, Chapman G.Т., Morgan C.L., McConnel J.W. The Use of a small Accelerator as a Source of 14 MeV Neutrons for Shielding Studies. - IEЕЕ Transactions on Nuclear Science, v. NS - 28, № 2, 1981, p.1647), в которой мишень имеет более сложную структуру и представляет собой титановую пленку, насыщенную тритием, нанесенную на подложку, изготовленную из материала с большей теплопроводностью, чем молибден, например на медный диск.NT with an improved target node is also known (see, for example, Chapman G.T., Morgan CL, McConnel JW The Use of a small Accelerator as a Source of 14 MeV Neutrons for Shielding Studies. - IEEE Transactions on Nuclear Science, v. NS - 28, No. 2, 1981, p. 1647), in which the target has a more complex structure and is a titanium film saturated with tritium deposited on a substrate made of a material with higher thermal conductivity than molybdenum, for example, a copper disk.

Но скорость отвода тепла от центральной части мишени при использовании медной подложки недостаточна, и нейтронная трубка имеет те же недостатки, что и предыдущая.But the rate of heat removal from the central part of the target when using a copper substrate is insufficient, and the neutron tube has the same disadvantages as the previous one.

Прототипом изобретения является нейтронная трубка (см., например, патент США №3775216, кл. В 29 С 1/08, 73), содержащая внутри вакуумной оболочки источник ионов, импульсно-оптическую систему электродов, формирующую и ускоряющую пучок ионов, средства поддержания рабочего давления в НТ и углеродную мишень с еще большей теплопроводностью по сравнению с аналогом и расположенную на подложке, представляющей собой медный радиатор, что позволяет быстро (за время между импульсами) отвести тепло от реактивного слоя на массивный радиатор.A prototype of the invention is a neutron tube (see, for example, US patent No. 3775216, class B 29 C 1/08, 73), containing an ion source inside the vacuum shell, a pulsed optical electrode system, forming and accelerating the ion beam, means of maintaining the working pressure in the NT and a carbon target with even greater thermal conductivity compared to the analogue and located on a substrate that is a copper radiator, which allows you to quickly (during the time between pulses) to remove heat from the reactive layer to a massive radiator.

Но и при таком выполнении мишени происходит перегрев ее центральной части, что вызывает уменьшение концентрации трития на рабочей поверхности, особенно в центральной ее части, что приводит к уменьшению срока службы импульсной нейтронной трубки.But even with such a performance of the target, its central part overheats, which causes a decrease in the concentration of tritium on the working surface, especially in its central part, which leads to a decrease in the service life of a pulsed neutron tube.

Изобретение направлено на решение задачи быстрого снятия тепловой нагрузки с активной поверхности мишени, особенно центральной ее части, на всю поверхность подложки и тем самым на увеличение срока службы НТ путем изменения конструкции мишенного узла, что обеспечивает работу НТ с очень большими токами в импульсе и, соответственно, с большими тепловыми нагрузками на 1 см² активной поверхности мишени.The invention is directed to solving the problem of quickly removing heat load from the active surface of the target, especially its central part, to the entire surface of the substrate and thereby to increase the life of the NT by changing the design of the target assembly, which ensures the operation of the NT with very high currents per pulse and, accordingly , with large thermal loads per 1 cm ^{2 of the} active surface of the target.

Это достигается тем, что в импульсную нейтронную трубку, содержащую внутри вакуумно-герметичной оболочки источник ионов, ионно-оптическую систему электродов, мишенный узел и средства поддержания рабочего давления в НТ, в мишенный узел введена дополнительная промежуточная подложка на основе алмаза, на которую нанесена пленка щелочноземельного металла, насыщенного радионуклидами водорода, при этом дополнительная подложка мишени выполнена или в виде выращенной на основной подложке алмазоподобной пленки, или в виде матрицы с микропирамидами выращенного алмаза высотой ≈100 нм, или в виде массивов кристаллов синтетического алмаза с размером грани 0,4-0,8 мм, хаотически расположенных на основной подложке в количестве ≈300-400 шт/см² активной поверхности мишени.This is achieved by the fact that an additional intermediate substrate based on diamond, on which a film is deposited, is introduced into the target node into a pulsed neutron tube containing an ion source, an ion-optical electrode system, an ion-optical system of electrodes, a target assembly and means of maintaining working pressure in a NT alkaline earth metal saturated with hydrogen radionuclides, while the additional target substrate is made either in the form of a diamond-like film grown on the main substrate, or in the form of a matrix with micropyres dams of grown diamond ≈100 nm high, or in the form of arrays of synthetic diamond crystals with a face size of 0.4-0.8 mm, randomly located on the main substrate in the amount of ≈300-400 pcs / cm ^{2 of the} active surface of the target.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически изображена конструкция НТ с дополнительной подложкой в мишенном узле на основе алмазоподобной пленки, или матрицы в виде микропирамид, или массивов кристаллов синтетического алмаза.The invention is illustrated by the drawing, which schematically shows the design of NT with an additional substrate in the target site based on a diamond-like film, or a matrix in the form of micropyramids, or arrays of crystals of synthetic diamond.

Импульсная нейтронная трубка состоит из вакуумно-герметичной оболочки 1, в которой размещены источник ионов (ИИ) 2, ионно-оптическая система электродов (ИОС) 3 и мишенный узел, содержащий мишень 4, дополнительную промежуточную подложку 5, основную подложку 6 и медный радиатор 7.A pulsed neutron tube consists of a vacuum-tight shell 1, in which a source of ions (II) 2, an ion-optical electrode system (IOS) 3, and a target assembly containing a target 4, an additional intermediate substrate 5, a main substrate 6, and a copper radiator 7 are placed .

Принцип действия импульсной нейтронной трубки заключается в следующем. Извлеченные из ИИ 2 дейтроны ускоряются импульсом напряжения отрицательной полярности в ионно-оптической системе электродов 3 до энергии, при которой сечение ядерной реакции максимально. Дейтроны бомбардируют атомы трития, содержащиеся в мишени 4, взаимодействуют с ними, в результате чего образуются потоки нейтронов и выделяется энергия, в основном в центральной ее части, которую быстрее, чем другие материалы отводит дополнительная промежуточная подложка 5 из алмазной пленки (теплопроводность алмаза ≈1500 Вт/см², т.е. в 2 раза больше, чем, например, бериллиевой керамики) на всю поверхность основной подложки 6 и далее на массивный медный радиатор 7, который постепенно отдает тепло окружающей среде.The principle of operation of a pulsed neutron tube is as follows. The deuterons extracted from the AI 2 are accelerated by a voltage pulse of negative polarity in the ion-optical system of electrodes 3 to the energy at which the cross section of the nuclear reaction is maximum. Deuterons bombard the tritium atoms contained in target 4, interact with them, as a result of which neutron fluxes are generated and energy is released, mainly in its central part, which is faster than other materials removed by an additional intermediate substrate 5 from a diamond film (thermal conductivity of diamond ≈1500 W / cm ² , i.e. 2 times more than, for example, beryllium ceramics) on the entire surface of the main substrate 6 and further to the massive copper radiator 7, which gradually gives off heat to the environment.

Таким образом, введение дополнительной подложки из синтетического алмаза позволяет быстро и эффективно отвести тепло от центральной части мишени на всю поверхность основной подложки и далее на радиатор, что позволит избежать перегрева мишени в центральной ее части и потерь трития за счет диффузии вглубь подложки от ее рабочей поверхности и выделения его в вакуумный объем трубки, что приведет к увеличению срока службы импульсной нейтронной трубки.Thus, the introduction of an additional synthetic diamond substrate allows heat to be quickly and efficiently removed from the central part of the target to the entire surface of the main substrate and further to the radiator, which avoids overheating of the target in its central part and losses of tritium due to diffusion deep into the substrate from its working surface and releasing it into the vacuum volume of the tube, which will increase the life of the pulsed neutron tube.

Claims

1. A vacuum neutron tube, consisting of a vacuum-tight shell, inside of which there is an ion source, an ion-optical system of electrodes, means for maintaining the working pressure in the neutron tube and a target assembly, characterized in that the target assembly contains a main substrate and an additional intermediate substrate a diamond base on which a film of an alkaline earth metal saturated with hydrogen radionuclides is applied.

2. The vacuum neutron tube according to claim 1, characterized in that the additional intermediate target substrate is made in the form of a diamond-like film grown on the main substrate.

3. The vacuum neutron tube according to claim 1, characterized in that the additional intermediate target substrate is made in the form of a matrix with micropyramids of grown diamond.

4. The vacuum neutron tube according to claim 1, characterized in that the additional intermediate target substrate is made in the form of arrays of synthetic diamond crystals with a face size of 0.4-0.8 mm, randomly located on the main substrate in the amount of 300-400 pcs / cm ² active target surfaces.