RU2479878C2

RU2479878C2 - Method of separating monoatomic hydrogen ions in ion sources and monoatomic ion separation pulsed neutron generating tube (versions)

Info

Publication number: RU2479878C2
Application number: RU2011113201/07A
Authority: RU
Inventors: Сергей Викторович Полосаткин; Евгений Сергеевич Гришняев; Александр Владимирович Бурдаков; Григорий Иванович Шульженко
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2011-04-05
Publication date: 2013-04-20
Also published as: RU2011113201A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention utilises the difference in initial kinetic energies of mono- and diatomic hydrogen ions to separate monoatomic ions and obtain an ion beam with high content of the monoatomic component. To this end, an ion source with electron circulation includes additional electrodes - reflector and collector, which form an electrostatic potential barrier which reflects diatomic ions but not monoatomic ions.

EFFECT: invention enables to increase content of the monoatomic component in an ion beam, which can be used to prolong the life and increase reliability of pulsed neutron generators.

5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для генерации импульсных потоков быстрых нейтронов, в частности к малогабаритным запаянным нейтроногенерирующим трубкам, и может быть использовано в низковольтной ускорительной технике, в частности при разработке импульсных генераторов нейтронов для нейтронно-активационного анализа, неразрушающего контроля, систем безопасности, а также для исследования геофизических и промысловых скважин методом импульсного нейтронного каротажа.The invention relates to devices for generating pulsed fast neutron fluxes, in particular to small-sized sealed neutron-generating tubes, and can be used in low-voltage accelerator technology, in particular when developing pulsed neutron generators for neutron activation analysis, non-destructive testing, safety systems, and also exploration of geophysical and production wells using pulsed neutron logging.

Из существующего развития техники известны газонаполненные импульсные нейтроногенерирующие трубки [В.М.Гулько и др. Ионно-вакуумные приборы для генерации нейтронов в электронной технике. - Киев: Тэхника, 1988], представляющие собой малогабаритные ускорители ионов изотопов водорода - дейтерия и трития, выполненные в виде отпаянных металлостеклянных или металлокерамических вакуумных оболочек. Составными частями нейтроногенерирующих трубок являются ионный источник, ионно-оптическая система, нейтроногенерирующая мишень, реверсивный накопитель водорода. С помощью реверсивного накопителя водорода в объеме трубки поддерживается постоянная рабочая концентрация газообразного дейтерия и трития. В ионном источнике молекулы водорода (здесь и далее термин "водород" и символ Н будут использоваться для обозначения любого из изотопов водорода) ионизируются, полученные ионы ускоряются в ионно-оптической системе и бомбардируют нейтроногенерирующую мишень. В нейтроногенерирующей мишени, представляющей собой слой насыщенного водородом металла, ускоренные ионы могут вступать в ядерную реакцию D+T=n+⁴Hе, в результате чего образуется поток высокоэнергетичных (14 МэВ) нейтронов. Модуляция ионного тока в ионном источнике позволяет получать импульсы нейтронного излучения, необходимые для применения нейтронных генераторов.From the existing development of technology, gas-filled pulsed neutron-generating tubes are known [V. M. Gulko et al. Ion-vacuum devices for generating neutrons in electronic technology. - Kiev: Tehnika, 1988], which are small-sized accelerators of hydrogen isotope ions - deuterium and tritium, made in the form of sealed metal-glass or metal-ceramic vacuum shells. The components of neutron-generating tubes are an ion source, an ion-optical system, a neutron-generating target, and a reversible hydrogen storage ring. Using a reversible hydrogen storage ring, a constant working concentration of gaseous deuterium and tritium is maintained in the tube volume. In the ion source, hydrogen molecules (hereinafter, the term "hydrogen" and the symbol H will be used to denote any of the hydrogen isotopes) are ionized, the ions obtained are accelerated in the ion-optical system and bombard the neutron-generating target. In a neutron-generating target, which is a layer of a hydrogen-saturated metal, accelerated ions can enter the nuclear reaction D + T = n + ⁴ He, resulting in the formation of a stream of high-energy (14 MeV) neutrons. Modulation of the ion current in the ion source allows you to get the neutron radiation pulses necessary for the use of neutron generators.

Известны конструкции нейтроногенерирующих трубок (например [Бессарабский Ю.Г., Боголюбов Е.П., Курдюмов И.Г. и др. "Управляемый скважинный излучатель нейтронов". Атомная энергия, т.77, в.3, 1994, с.226, и патент РФ 1590019, кл. G21G 4/02, 1993], нейтронная трубка ZETATRON [L.Shope et al. Operation and Life of the Zetatron: A Small Neutron Generator for Borehole Logging // IEEE Transactions on Nuclear Science, v.28, i 2, pp.1696-1699]), в которых для получения ионов используются источники Пеннинга, то есть источники с осцилляцией электронов в магнитном поле. Такие источники имеют ряд недостатков, а именно высокое рабочее напряжение, нестабильность режимов разряда, необходимость использования массивного магнита, большое время фронта и спада импульса нейтронного излучения.Known designs of neutron-generating tubes (for example, [Bessarabsky Yu.G., Bogolyubov EP, Kurdyumov IG, etc. “Controlled downhole neutron emitter”. Atomic energy, v.77, v.3, 1994, p.226 , and RF patent 1590019, class G21G 4/02, 1993], ZETATRON neutron tube [L.Shope et al. Operation and Life of the Zetatron: A Small Neutron Generator for Borehole Logging // IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 28, i 2, pp. 1696-1699]), in which Penning sources, that is, sources with electron oscillations in a magnetic field, are used to obtain ions. Such sources have a number of drawbacks, namely, a high operating voltage, instability of the discharge regimes, the need to use a massive magnet, a long time of the front and decay of the neutron radiation pulse.

Известна конструкция нейтроногенерирующей трубки [F.Chen, A.Liberman Neutron Generator, патент США 5293410, 8 марта 1994 г.], в которой для получения ионов применен ионный источник с горячим катодом и осцилляцией электронов в электростатическом поле полого анода, лишенная приведенных выше недостатков конструкций нейтроногенерирующих трубок с источниками Пеннинга. В то же время как ионные источники Пеннинга, так и ионный источник с электростатической осцилляцией электронов обладают существенным недостатком - малой (около 6%) долей одноатомных ионов водорода в генерируемом ионном источником потоке ионов.A known design of a neutron-generating tube [F. Chen, A. Liberman Neutron Generator, US patent 5293410, March 8, 1994], in which an ion source with a hot cathode and oscillation of electrons in the electrostatic field of a hollow anode, devoid of the above disadvantages is used to produce ions neutron generating tube designs with Penning sources. At the same time, both Penning ion sources and an electrostatic electron oscillation ion source have a significant drawback - a small (about 6%) fraction of monatomic hydrogen ions in the ion flux generated by the ion source.

Поток ионов из ионного источника содержит одноатомную (Н⁺, двухатомную (Н₂ ⁺) и трехатомную (Н₃ ⁺) компоненты. Основная доля ионного тока переносится ионами Н₂ ⁺. Ускорение двухатомных ионов Н₂ ⁺ приводит к бомбардировке мишени двумя ядрами изотопа водорода, имеющими энергию e·U/2, где U - ускоряющее напряжение, е - заряд электрона.The ion flux from the ion source contains monatomic (H ⁺ , diatomic (H ₂ ⁺ ) and triatomic (H ₃ ⁺ ) components. The bulk of the ion current is carried by H ₂ ⁺ ions. Acceleration of diatomic H ₂ ⁺ ions leads to the bombardment of the target by two nuclei of the hydrogen isotope having energy e · U / 2, where U is the accelerating voltage, e is the electron charge.

Из-за конструктивных ограничений, связанных с малыми габаритами и сложностью обеспечения высоковольтной изоляции, малогабаритные генераторы нейтронов работают при ускоряющих напряжениях не более 100 кВ. В этом диапазоне энергий сечение ядерной реакции ³H(d, n) ⁴Не и, соответственно, нейтронный выход резко зависят от энергии иона, бомбардирующего мишень, поэтому присутствие двухатомных ионов в ионном пучке приводит к снижению нейтронного выхода по сравнению с пучком одноатомных ионов. Так, при бомбардировке насыщенной дейтерием титановой мишени пучками одноатомных и двухатомных ионов трития с энергией 80 кэВ при равном токе пучка нейтронный выход для пучка одноатомных ионов в пять раз превосходит выход от пучка двухатомных ионов. Поэтому увеличение доли одноатомных ионов в ионном пучке приведет к улучшению эксплуатационных характеристик нейтроногенерирующей трубки.Due to design limitations associated with the small size and complexity of providing high-voltage isolation, small-sized neutron generators operate at accelerating voltages of not more than 100 kV. In this energy range, the cross section of the ³ H (d, n) ⁴ He nuclear reaction and, accordingly, the neutron yield sharply depend on the energy of the ion bombarding the target; therefore, the presence of diatomic ions in the ion beam leads to a decrease in the neutron yield as compared to the beam of monatomic ions. So, when bombarding a titanium target saturated with deuterium with beams of monoatomic and diatomic tritium ions with an energy of 80 keV at an equal beam current, the neutron yield for a beam of monatomic ions is five times higher than the output from the diatomic ion beam. Therefore, an increase in the proportion of monatomic ions in the ion beam will lead to an improvement in the operational characteristics of the neutron-generating tube.

Известны конструкции генераторов нейтронов [А.В.Андреев, И.Я.Барит, О.М.Варич и др. Ускоритель ионов на 400 кВ для элементного анализа вещества // Атомная энергия, 1989, т.66, вып.2, с.134; J.Farrrel Beam splitting to improve target lifetime in neutron generator. Патент США 3968377], в которых для сепарации одноатомных ионов используется магнитное поле, перпендикулярное направлению движения ионов, или скрещенное электрическое и магнитное поле. Такой метод сепарации имеет следующие недостатки:Known designs of neutron generators [A.V. Andreev, I.Ya. Barit, OM Varich and others. The 400 kV ion accelerator for elemental analysis of matter // Atomic Energy, 1989, v.66, issue 2, p .134; J. Farrrel Beam splitting to improve target lifetime in neutron generator. US patent 3968377], which uses a magnetic field perpendicular to the direction of movement of ions or a crossed electric and magnetic field to separate monatomic ions. This separation method has the following disadvantages:

1. Применение магнитов увеличивает массу и габариты генератора нейтронов.1. The use of magnets increases the mass and dimensions of the neutron generator.

2. При использовании постоянных магнитов рабочий температурный диапазон ограничивается температурой размагничивания (точкой Кюри) магнитов.2. When using permanent magnets, the operating temperature range is limited by the demagnetization temperature (Curie point) of the magnets.

3. Сепарация происходит после ускорения ионов, так что этот метод не приводит к снижению полного ионного тока.3. Separation occurs after ion acceleration, so this method does not reduce the total ion current.

В результате такой метод сепарации одноатомных ионов находит применение только в крупногабаритных стационарных генераторах нейтронов и не применяется в малогабаритных нейтронных трубках.As a result, this method of separation of monatomic ions is used only in large-sized stationary neutron generators and is not used in small-sized neutron tubes.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототипом) является конструкция нейтроногенерирующей трубки, предложенная в [F.Chen, A.Liberman Neutron Generator, патент США 5293410, опубл. 8.03.1994 г.]. Задачей, на которую направлено заявляемое изобретение, является увеличение доли одноатомных ионов, генерируемых ионным источником нейтроногенерирующей трубки. Данная задача решается за счет использования отличия в начальных кинетических энергиях одно- и двухатомных ионов водорода для их сепарации путем создания запирающего электростатического потенциала от +1 до +8 В между зоной генерации ионов и зоной ускорения. Для создания такого потенциала между полым анодом и экстрактором ионного источника может быть установлен дополнительный электрод - сепаратор, имеющий напряжение от +1 до +8 В относительно анода, предотвращающий выход двухатомных ионов водорода из полого анода в ускоряющий зазор нейтроногенерирующей трубки. В другом варианте конструкции внутри полого анода на оси нейтроногенерирующей трубки может быть установлен дополнительный электрод-коллектор, имеющий напряжение от -10 до -20 В относительно полого анода, притягивающий и поглощающий двухатомные ионы водорода, образующиеся внутри полого анода, и тем самым препятствующий их выходу в ускоряющий зазор нейтроногенерирующей трубки. Для увеличения эффективности ионного источника между полым анодом и корпусом нейтроногенерирующей трубки может быть расположен дополнительный электрод-отражатель, препятствующий выходу ионов из полого анода.Closest to the claimed technical solution (prototype) is the design of the neutron generating tube, proposed in [F. Chen, A. Liberman Neutron Generator, US patent 5293410, publ. March 8, 1994]. The task to which the claimed invention is directed is to increase the proportion of monatomic ions generated by an ion source of a neutron generating tube. This problem is solved by using the difference in the initial kinetic energies of mono- and diatomic hydrogen ions to separate them by creating a blocking electrostatic potential from +1 to +8 V between the ion generation zone and the acceleration zone. To create such a potential, an additional electrode can be installed between the hollow anode and the ion source extractor - a separator having a voltage of +1 to +8 V relative to the anode, which prevents the release of diatomic hydrogen ions from the hollow anode into the accelerating gap of the neutron generating tube. In another embodiment, an additional collector electrode may be installed inside the hollow anode on the axis of the neutron generating tube, having a voltage of -10 to -20 V relative to the hollow anode, attracting and absorbing diatomic hydrogen ions generated inside the hollow anode, and thereby preventing their exit into the accelerating gap of the neutron generating tube. To increase the efficiency of the ion source, an additional reflector electrode can be placed between the hollow anode and the casing of the neutron generating tube, which prevents ions from leaving the hollow anode.

Техническим результатом изобретения является увеличение доли одноатомных ионов, генерируемых ионным источником нейтроногенерирующей трубки. В качестве примера рассмотрим нейтроногенерирующую трубку, работающую при ускоряющем напряжении 80 кВ и имеющую нейтронный выход 10⁸ нейтронов/с. В трубке-прототипе с долей одноатомных ионов 6% для получения требуемого нейтронного выхода ионный ток должен составлять 15 мкА. Увеличение доли одноатомных ионов до 100%, достигаемое с помощью применения предлагаемого способа, позволяет уменьшить ток ионов в 4,5 раза (до 3,3 мкА) или при постоянном токе ионов уменьшить рабочее напряжение с 80 до 52 кВ.The technical result of the invention is to increase the proportion of monatomic ions generated by an ion source of a neutron generating tube. As an example, consider a neutron-generating tube operating at an accelerating voltage of 80 kV and having a neutron yield of 10 ⁸ neutrons / s. In the prototype tube with a share of monatomic ions of 6% to obtain the required neutron yield, the ion current must be 15 μA. The increase in the proportion of monatomic ions to 100%, achieved by using the proposed method, allows to reduce the ion current by 4.5 times (up to 3.3 μA) or to reduce the operating voltage from 80 to 52 kV at constant ion current.

Уменьшение ионного тока приводит к уменьшению энергопотребления нейтронного генератора, а также увеличению срока службы трубки (срок службы в значительной степени определяется процессами распыления мишени и накопления в ней радиационных дефектов и прямо пропорционален рабочему току ионов). Уменьшение рабочего напряжения позволяет существенно упростить конструкцию нейтронного генератора, увеличить надежность и уменьшить вероятность пробоев. Исходя из этого увеличение доли одноатомных ионов в ионном пучке нейтронной трубки позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики нейтроногенерирующей трубки.A decrease in the ion current leads to a decrease in the energy consumption of the neutron generator, as well as an increase in the life of the tube (the service life is largely determined by the processes of sputtering of the target and the accumulation of radiation defects in it and is directly proportional to the working current of ions). Reducing the operating voltage can significantly simplify the design of the neutron generator, increase reliability and reduce the likelihood of breakdowns. Proceeding from this, an increase in the fraction of monatomic ions in the ion beam of a neutron tube can significantly improve the operational characteristics of a neutron-generating tube.

Предлагаемый способ сепарации одноатомных ионов основан на следующих физических принципах. В источнике ионов с осциллирующими электронами ионы образуются за счет столкновений молекул изотопа водорода с ускоренными до анодного напряжения (200 эВ) электронами. Основными процессами, приводящими к образованию ионов, являются диссоциативная ионизация, приводящая к образованию одноатомного иона,The proposed method for the separation of monatomic ions is based on the following physical principles. In a source of ions with oscillating electrons, ions are formed due to collisions of hydrogen isotope molecules with electrons accelerated to an anode voltage (200 eV). The main processes leading to the formation of ions are dissociative ionization, leading to the formation of a monatomic ion,

и ионизация с образованием двухатомного ионаand ionization with the formation of a diatomic ion

Относительная доля одноатомных (Н⁺) и двухатомных (H₂ ⁺) ионов определяется отношением сечений процессов (1) и (2). По данным баз данных атомных процессов [R.K.Janev, W.D.Langer, К.Evans and D.E.Post, Elementary Processes in Hydrogen-Helium Plasmas, Springer Series on Atoms and Plasmas, Springer-Verlag 1987] максимальное отношение этих сечений, достигаемое при энергии электронов 200 эВ, составляет 1/15, что определяет долю одноатомных ионов в ионном пучке около 6%.The relative fraction of monatomic (H ⁺ ) and diatomic (H ₂ ⁺ ) ions is determined by the ratio of the cross sections of processes (1) and (2). According to atomic process databases [RKJanev, WDLanger, K. Evans and DEPost, Elementary Processes in Hydrogen-Helium Plasmas, Springer Series on Atoms and Plasmas, Springer-Verlag 1987], the maximum ratio of these cross sections achieved at an electron energy of 200 eV is 1/15, which determines the proportion of monatomic ions in the ion beam of about 6%.

Предлагаемый метод сепарации основан на том, что одноатомные и двухатомные ионы имеют различную начальную энергию. Начальная кинетическая энергия двухатомного иона, образующегося в процессе (1), определяется законом сохранения импульса при столкновении с электроном и не может превосходить

The proposed separation method is based on the fact that monoatomic and diatomic ions have different initial energies. The initial kinetic energy of the diatomic ion formed in the process (1) is determined by the law of conservation of momentum in a collision with an electron and cannot exceed

где Е_е - энергия электрона, J - потенциал ионизации молекулы H₂, m_e, m_H2 - массы электрона и молекулы изотопа водорода.where E _e is the electron energy, J is the ionization potential of the H ₂ molecule, m _e , m _H2 are the mass of the electron and the hydrogen isotope molecule.

В случае диссоциативной ионизации (процесс 2) закон сохранения импульса не ограничивает энергию ионов (поскольку вылетают сразу два массивные частицы - H⁺ и Н⁰). Диссоциативную ионизацию можно представить как ионизацию молекулы H₂ с переходом в возбужденное неустойчивое состояние. Энергия этого состояния определяет кинетическую энергию образующихся ионов.In the case of dissociative ionization (process 2), the law of conservation of momentum does not limit the ion energy (since two massive particles, H ⁺ and H ^0, immediately emit). Dissociative ionization can be represented as the ionization of an H ₂ molecule with a transition to an excited unstable state. The energy of this state determines the kinetic energy of the resulting ions.

Согласно результатам расчетов и измерений, приведенных в [.L.J.Kieffer and G.H.Dunn Dissociative lonization of H₂ and D₂ // Phys.Rev., v.158, n.1, p.61, 1967], образующиеся при диссоциативной ионизации ионы имеют энергии от 4 до 12 эВ. Таким образом, начальная энергия двухатомных ионов равна от 0 до 0,1 эВ, а начальная энергия одноатомных ионов от 4 до 12 эВ. Суть изобретения состоит в использовании различия в начальных энергиях одноатомных и двухатомных ионов для получения в нейтронной трубке пучка ионов с преимущественным содержанием одноатомных ионов. Для этого предлагается с помощью дополнительных электродов сформировать между зоной генерации ионов и зоной ускорения электростатический запирающий потенциал от +1 до +8 В. Одноатомные ионы, имеющие энергию выше запирающего потенциала, будут проходить из зоны генерации ионов в зону ускорения, а низкоэнергетические двухатомные ионы будут отражаться от потенциального барьера и возвращаться в зону генерации ионов.According to the results of calculations and measurements given in [.LJKieffer and GHDunn Dissociative lonization of H ₂ and D ₂ // Phys.Rev., V.158, n.1, p.61, 1967] resulting from the dissociative ionization of ions having energy from 4 to 12 eV. Thus, the initial energy of diatomic ions is from 0 to 0.1 eV, and the initial energy of monatomic ions is from 4 to 12 eV. The essence of the invention is to use the difference in the initial energies of monatomic and diatomic ions to obtain an ion beam in the neutron tube with a predominant content of monatomic ions. To do this, it is proposed using additional electrodes to form between the ion generation zone and the acceleration zone an electrostatic locking potential from +1 to +8 V. Monoatomic ions having energy higher than the locking potential will pass from the ion generation zone to the acceleration zone, and low-energy diatomic ions will bounce off the potential barrier and return to the ion generation zone.

Возможная конструкция нейтроногенерирующей трубки, в которой реализован предложенный метод сепарации ионов по массам, показана на Фиг.1. Общая схема трубки, назначение и конструкция основных узлов (за исключением ионного источника) идентичны предложенным в прототипе изобретения. Ионный источник трубки имеет следующую конструкцию. Термоэмиссионный катод 1 и корпус 3 находятся под нулевым потенциалом. Конфигурация электрических полей в трубке электродами трубки - полым анодом 2, сетчатыми сепаратором 7 и экстрактором 4, супрессором 5 и мишенью 6. Взаимное расположение электродов показано на Фиг.1.A possible design of a neutron-generating tube in which the proposed method of ion separation by mass is implemented is shown in FIG. The general scheme of the tube, the purpose and design of the main components (with the exception of the ion source) are identical to those proposed in the prototype of the invention. The ion source of the tube has the following design. Thermionic cathode 1 and housing 3 are at zero potential. The configuration of the electric fields in the tube by the electrodes of the tube - a hollow anode 2, mesh separator 7 and extractor 4, suppressor 5 and target 6. The relative position of the electrodes is shown in Fig.1.

На полый анод подано напряжение от +100 до +300 В. Сепаратор имеет потенциал от +1 до +8 В относительно потенциала анода, экстрактор - от -50 до -100 В относительно анода. На супрессор подается напряжение от -60 до -100 кВ, мишень имеет потенциал от +300 до +1000 В относительно супрессора.A voltage from +100 to +300 V is applied to the hollow anode. The separator has a potential of +1 to +8 V relative to the potential of the anode, the extractor has a potential of -50 to -100 V relative to the anode. A voltage from -60 to -100 kV is applied to the suppressor, the target has a potential from +300 to +1000 V relative to the suppressor.

Испускаемые катодом электроны ускоряются в зазоре катод - полый анод до энергии, равной потенциалу полого анода, и осциллируют во внутреннем объеме анода, производя ионизацию рабочего газа. Внутреннее пространство полого анода является зоной генерации ионов. Образующиеся в полом аноде ионы выходят в пространство между экстрактором и супрессором и ускоряются приложенным к супрессору высоким напряжением. Пространство между экстрактором 4 и супрессором 5 является зоной ускорения. Расположенный между торцом полого анода и экстрактором сепаратор создает потенциальный барьер, препятствующий выходу ионов из зоны генерации. При этом одноатомные ионы, имеющие энергию, большую, чем разность потенциалов между анодом и сепаратором, свободно проходят через сепаратор и попадают в зону ускорения, образованную экстрактором и супрессором, и затем бомбардируют нейтроногенерирующую мишень. Двухатомные ионы с энергией, меньшей, чем разность потенциалов между анодом и сепаратором, не могут преодолеть созданного сепаратором потенциального барьера, поэтому отражаются от сепаратора, через боковую и заднюю торцевую стороны полого анода выходят из зоны генерации ионов, после чего гибнут на находящимися под нулевым потенциалом корпусе 3 и катоде 1.The electrons emitted by the cathode are accelerated in the cathode-hollow anode gap to an energy equal to the potential of the hollow anode, and oscillate in the internal volume of the anode, ionizing the working gas. The interior of the hollow anode is the ion generation zone. The ions formed in the hollow anode exit into the space between the extractor and the suppressor and are accelerated by the high voltage applied to the suppressor. The space between the extractor 4 and the suppressor 5 is an acceleration zone. The separator located between the end face of the hollow anode and the extractor creates a potential barrier that prevents ions from leaving the generation zone. In this case, monatomic ions having an energy greater than the potential difference between the anode and the separator freely pass through the separator and fall into the acceleration zone formed by the extractor and suppressor, and then bombard the neutron-generating target. Diatomic ions with an energy less than the potential difference between the anode and the separator cannot overcome the potential barrier created by the separator, therefore they are reflected from the separator, leave the ion generation zone through the lateral and rear end sides of the hollow anode, and then die at zero potential case 3 and cathode 1.

Другой вариант конструкции показан на Фиг.2. Потенциалы корпуса, катода 1, полого анода 2, экстрактора 4, супрессора 5 и мишени 6 аналогичны конструкции, приведенной на фиг.1. В предлагаемой конструкции внутрь полого анода введен дополнительный электрод-коллектор 8, имеющий потенциал от -10 до -20 В относительно анода. Коллектор выполнен в виде тонкой металлической нити, так что поглощение быстрых электронов коллектором мало. Коллектор создает в зоне генерации ионов радиальное электрическое поле, притягивающее ионы. Потенциал коллектора подбирается таким образом, чтобы основная часть зоны генерации ионов имела потенциал от -0,1 до -4 эВ относительно анода. В этом случае медленные двухатомные ионы, образовавшиеся в зоне генерации ионов, притягиваются к коллектору и гибнут на нем. Фактически, внутри полого анода создается сепарирующий ионы электрический потенциал. Быстрые одноатомные ионы, имеющие энергию выше 4 эВ, свободно покидают зону генерации ионов и попадают в зону ускорения.Another embodiment is shown in FIG. 2. The potentials of the casing, cathode 1, hollow anode 2, extractor 4, suppressor 5 and target 6 are similar to the design shown in figure 1. In the proposed design, an additional collector electrode 8 having a potential from -10 to -20 V relative to the anode is inserted inside the hollow anode. The collector is made in the form of a thin metal filament, so that the absorption of fast electrons by the collector is small. The collector creates a radial electric field in the ion generation zone that attracts ions. The collector potential is selected so that the bulk of the ion generation zone has a potential from -0.1 to -4 eV relative to the anode. In this case, the slow diatomic ions formed in the ion generation zone are attracted to the collector and die on it. In fact, an electric potential is created inside the hollow anode. Fast monatomic ions with energies above 4 eV freely leave the ion generation zone and fall into the acceleration zone.

В приведенных схемах одноатомные ионы, первоначально двигающиеся в направлении боковой и задней торцевой стенок полого анода, выходят из зоны генерации ионов и гибнут на катоде и корпусе нейтронной трубки. Введение в схему дополнительного электрода-отражателя позволяет направить эти ионы в ускоряющий зазор и тем самым повысить эффективность ионного источника. Конструкция нейтроногенерирующей трубки с повышенной эффективностью показана на Фиг.3. Потенциалы корпуса, катода 1, полого анода 2, экстрактора 4, супрессора 5, мишени 6 и коллектора 8 аналогичны конструкции, приведенной на Фиг.2. В предлагаемой конструкции между полым анодом и корпусом нейтроногенерирующей трубки с боковой и задней торцевой стороны расположен дополнительный электрод-отражатель 9. Отражатель изготавливается из сетки с высокой прозрачностью, так что электроны свободно проходят через него. На отражатель подается напряжение от +20 до +50 В относительно полого анода. В этом случае одноатомные ионы с начальным направлением скорости, направленным в сторону боковой или задней торцевой поверхностей, после выхода из зоны генерации ионов отражаются от отражателя, возвращаются внутрь полого анода и после нескольких осцилляций попадают в зону ускорения. Таким образом может быть обеспечен полный сбор одноатомных ионов, образовавшихся в зоне генерации ионов.In the above schemes, monatomic ions, initially moving in the direction of the side and rear end walls of the hollow anode, exit the ion generation zone and die on the cathode and the neutron tube body. The introduction of an additional reflector electrode into the circuit makes it possible to direct these ions into the accelerating gap and thereby increase the efficiency of the ion source. The design of a neutron generating tube with increased efficiency is shown in FIG. 3. The potentials of the casing, cathode 1, hollow anode 2, extractor 4, suppressor 5, target 6 and collector 8 are similar to the design shown in FIG. 2. In the proposed design, between the hollow anode and the casing of the neutron generating tube, an additional reflector electrode 9 is located on the lateral and rear end sides. The reflector is made of a high transparency grid, so that the electrons pass freely through it. A voltage from +20 to +50 V relative to the hollow anode is applied to the reflector. In this case, monatomic ions with an initial velocity direction directed towards the side or rear end surfaces, after leaving the ion generation zone, are reflected from the reflector, returned inside the hollow anode, and after several oscillations fall into the acceleration zone. Thus, the complete collection of monatomic ions formed in the ion generation zone can be ensured.

Claims

1. The method of separation of monatomic hydrogen ions in ion sources, characterized in that for the separation using the difference in the initial kinetic energies of monoatomic and diatomic hydrogen ions by creating a blocking electrostatic potential from 1 to 8 V between the ion generation zone and the acceleration zone.

2. The neutron-generating tube according to the method of claim 1, comprising a thermionic cathode, a hollow anode, an extractor, a suppressor and a neutron-generating target, characterized in that an additional separator electrode having a voltage of 1 to 8 V relative to the anode is installed between the hollow anode and the extractor.

3. The neutron-generating tube according to the method of claim 1, containing a thermionic cathode, a hollow anode, an extractor, a suppressor and a neutron-generating target, characterized in that an additional collector electrode having a voltage of from -10 to -20 V is installed inside the hollow anode on the axis of the neutron-generating tube relatively hollow anode.

4. The neutron generating tube according to claim 3, comprising a thermionic cathode, a hollow anode, an extractor, a suppressor and a neutron generating target, characterized in that an additional reflector electrode is located between the hollow anode and the casing of the neutron generating tube.