RU79229U1

RU79229U1 - GAS-FILLED NEUTRON TUBE WITH PENNING SOURCE WITH THERMOCATODE

Info

Publication number: RU79229U1
Application number: RU2008104090/22U
Authority: RU
Inventors: Евгений Петрович Боголюбов; Владимир Сергеевич Васин
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2008-12-20

Abstract

Полезная модель относится к ускорительным трубкам для получения нейтронов при проведении неразрушающего элементного анализа вещества и проведения физических исследований нейтронно-радиационными методами. Техническим результатом полезной модели являются: повышение электрической прочности ионнооптической системы трубки с ионным источником Пеннинга и горячим катодом, увеличение нейтронного потока и ресурса. Технический результат достигается за счет того, что газопоглотитель содержит встроенный подогреватель и выполнен в виде втулки из спеченного мелкозернистого порошка титана толщиной от 3 до 5 мкм массой от 100 до 350 мг. 1 н.п.ф., 1 илл.The utility model relates to accelerator tubes for producing neutrons during non-destructive elemental analysis of matter and physical research using neutron-radiation methods. The technical result of the utility model is: increasing the electric strength of the ion-optical system of the tube with a Penning ion source and a hot cathode, increasing the neutron flux and resource. The technical result is achieved due to the fact that the getter contains a built-in heater and is made in the form of a sleeve of sintered fine-grained titanium powder with a thickness of 3 to 5 μm and a mass of 100 to 350 mg. 1 n.p.f., 1 ill.

Description

Полезная модель относится к ускорительным трубкам для получения нейтронов при проведении неразрушающего элементного анализа вещества и проведения физических исследований нейтронно-радиационными методами. Известны нейтронные трубки с ионным источником Пеннинга с термокатодом, выполненные в виде герметичной колбы, состоящей из металлостеклянной оболочки и металлостеклянной или металлокерамической ножки, в которой расположены мишень, ионнооптическая система, источник ионов и генератор рабочего газа, служащий и газопоглотителем остаточных газов. P.O.Howkins, Rev.Sci.Instr., 31,3,241(1960). Academia R.P.R., Bucharest, Institutul de Fisica Atomics, 1967, 46p, Dep.The utility model relates to accelerator tubes for producing neutrons during non-destructive elemental analysis of matter and physical research using neutron-radiation methods. Known neutron tubes with a Penning ion source with a thermal cathode, made in the form of a sealed flask consisting of a metal-glass shell and a metal-glass or metal-ceramic leg, in which a target, an ion-optical system, an ion source and a working gas generator serving and a getter of residual gases are located. P. O. Howkins, Rev. Sci. Instr., 31,3,241 (1960). Academia R.P.R., Bucharest, Institutul de Fisica Atomics, 1967, 46p, Dep.

Ионный источник Пеннинга с термокатодом содержит катод с вольфрамовой спиралью, разогреваемой при работе нейтронной трубки до температуры ~2100°С, что обеспечивает быстрое (~1 мкс) зажигание газового разряда; антикатод с отверстием для выхода ионов в ионнооптическую систему трубки; анод; генератор газа и магнит. На анод ионного источника Пеннинга с термокатодом подают постоянное или импульсное напряжение амплитудой около 200 В.The Penning ion source with a thermal cathode contains a cathode with a tungsten helix, which is heated during operation of the neutron tube to a temperature of ~ 2100 ° C, which provides fast (~ 1 μs) ignition of a gas discharge; anticathode with a hole for the exit of ions into the ion-optical system of the tube; anode; gas generator and magnet. A constant or pulse voltage of about 200 V is applied to the anode of the Penning ion source with a thermal cathode.

Средние токи, пропускаемые через ионнооптическую систему нейтронной трубки с термокатодом, около 350 мкА. Потребляемая мощность трубок строго не лимитируется и составляет 50-55 Вт. При работе трубок с ионным источником Пеннинга с термокатодом из-за выделения катодом дополнительного тепла (потребляемая катодом мощность 10-15 Вт), протекает нежелательный процесс выделения остаточных газов (азота, кислорода, окислов углерода и азота, карбидов) из деталей нейтронной трубки. За счет разбавления рабочего газа остаточными газами снижается электрическая прочность трубки, уменьшается нейтронный поток (за счет The average currents passed through the ion-optical system of a neutron tube with a thermal cathode are about 350 μA. The power consumption of the tubes is not strictly limited and amounts to 50-55 watts. When working with a Penning ion source with a thermal cathode, due to the additional heat generated by the cathode (power consumed by the cathode 10-15 W), an undesired process of residual gases (nitrogen, oxygen, carbon oxides, nitrogen oxides, carbides) from the neutron tube parts proceeds. Due to dilution of the working gas with residual gases, the electric strength of the tube decreases, the neutron flux decreases (due to

набивки мишени остаточными газами) и уменьшается ресурс работы (за счет снижения нейтронного потока при наработке до уровня ~5.10⁸ н/с).filling the target with residual gases) and the service life is reduced (due to a decrease in the neutron flux during running hours to the level of ~ 5.10 ⁸ n / s).

Известна нейтронная трубка представляющая собой миниатюрный линейный ускоритель ионов, с одной стороны которого расположен ионный источник, а с другой - мишень. Генерация нейтронов происходит в результате реакции (d,n) при бомбардировке ускоренными ионами мишени. Получаемые при этом нейтроны имеют энергию 2,5 МэВ для реакции D(d,n)He³ и 14 МэВ для реакции T(d,n)He⁴ и излучаются изотропно в угол 4π относительно мишени. Нейтронная трубка ГНТ1-32 имеет три основных узла: ионный источник, ионнооптическая система, мишенный узел. В качестве ионного источника в трубке ГНТ1-32 применяется ионный источник типа Пеннинга с холодным катодом. Рабочий газ (дейтерий либо смесь дейтерия и трития) содержится в натекателе. На анод ионного источника подается модуляционное напряжение с частотой следования f от 400 Гц до 10 кГц с длительностью τ от 100 до 20 мкс соответственно.Known neutron tube is a miniature linear ion accelerator, on one side of which there is an ion source, and on the other - the target. Neutron generation occurs as a result of reaction (d, n) during bombardment by accelerated target ions. The resulting neutrons have an energy of 2.5 MeV for the reaction D (d, n) He ³ and 14 MeV for the reaction T (d, n) He ⁴ and are emitted isotropically at an angle of 4π relative to the target. The GNT1-32 neutron tube has three main nodes: an ion source, an ion-optical system, and a target node. A cold cathode Penning type ion source is used as an ion source in the GNT1-32 tube. The working gas (deuterium or a mixture of deuterium and tritium) is contained in the leak. A modulation voltage with a repetition rate f from 400 Hz to 10 kHz with a duration τ from 100 to 20 μs, respectively, is applied to the anode of the ion source.

Ионы в источнике образуются в результате газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. Ионы рабочего газа ускоряются в ускоряющем промежутке трубки и бомбардируют мишень, где и происходят ядерные реакции, рождающие нейтроны. Благодаря применению смеси газов Д и Т происходит постоянное восстановление свойств мишени, что обеспечивает постоянство нейтронного потока ~1,0×10⁸ н/с на протяжении всего ресурса работы трубки. Сборник материалов межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе». М.: ВНИИА, 2003. С.12.Ions in the source are formed as a result of a gas discharge in crossed electric and magnetic fields. Ions of the working gas are accelerated in the accelerating gap of the tube and bombard the target, where nuclear reactions producing neutrons take place. Due to the use of a mixture of gases D and T, the target properties are constantly restored, which ensures a constant neutron flux of ~ 1.0 × 10 ⁸ n / s throughout the life of the tube. The collection of materials of the interdisciplinary scientific and technical conference "Portable neutron generators and technologies based on them." M.: VNIIIA, 2003. P.12.

Известен генератор нейтронов в герметичной трубке, который содержит герметичную оболочку, источник ионов Пеннинга, источник газа (натекатель), ускоряющий электрод и мишень. Источник ионов Пеннинга и ускоряющий электрод расположены в газонепроницаемой оболочке, источник газа закреплен в камере в газонепроницаемой оболочке. Блок вывода и фокусировки ионного пучка расположен между источником ионов Known neutron generator in a sealed tube, which contains a sealed shell, a source of Penning ions, a gas source (leak), an accelerating electrode and a target. The source of Penning ions and the accelerating electrode are located in a gas-tight shell, the gas source is fixed in the chamber in a gas-tight shell. An ion beam output and focus unit is located between the ion source

Пеннинга и ускоряющим электродом. Генератор содержит газопоглотитель, закрепленный в камере для источника газа. Патент Российской Федерации №2199136, МПК: Н05Н3/06, 2003 г. Прототип.Penning and accelerating electrode. The generator comprises a getter fixed in a chamber for a gas source. Patent of the Russian Federation No. 2199136, IPC: H05H3 / 06, 2003. Prototype.

Данная полезная модель исключает указанные недостатки.This utility model eliminates these disadvantages.

Техническим результатом полезной модели являются: повышение электрической прочности ионнооптической системы трубки с ионным источником Пеннинга и горячим катодом, увеличение нейтронного потока и ресурса.The technical result of the utility model is: increasing the electric strength of the ion-optical system of the tube with a Penning ion source and a hot cathode, increasing the neutron flux and resource.

Технический результат достигается тем, что в газонаполненной нейтронной трубке с ионным источником Пеннинга с термокатодом, выполненной в виде герметичной колбы, содержащей металлостеклянную оболочку и ножку металлостеклянную или металлокерамическую, в которой расположены мишень, ионнооптическая система, источник ионов, генератор рабочего газа и газопоглотитель, газопоглотитель содержит встроенный подогреватель и выполнен в виде таблетки из спеченного мелкозернистого порошка титана толщиной массой от 100 до 300 мг.The technical result is achieved by the fact that in a gas-filled neutron tube with a Penning ion source with a thermal cathode, made in the form of a sealed flask containing a glass-metal shell and a metal-glass or cermet leg, in which the target, ion-optical system, ion source, working gas generator and getter, getter are located contains a built-in heater and is made in the form of a tablet from sintered fine-grained titanium powder with a thickness of 100 to 300 mg.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично представлен поперечный разрез устройства, где: 1 - металлостеклянная оболочка, 2 - металлокерамическая ножка, 3 - мишень, 4 - ионнооптическая система, 5 - источник ионов, 6 - генератор газа (натекатель), 7 - катод, 8 - антикатод с отверстием для выхода ионов в ионнооптическую систему, 9 - анод, 10 - магнит, 11 - катод с вольфрамовой спиралью, 12 - подогревный газопоглотитель.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which schematically shows a cross-section of the device, where: 1 - metal-glass shell, 2 - metal-ceramic leg, 3 - target, 4 - ion-optical system, 5 - ion source, 6 - gas generator (leakage), 7 - cathode, 8 — anticathode with a hole for the exit of ions into the ion-optical system, 9 — anode, 10 — magnet, 11 — cathode with a tungsten helix, 12 — heated getter.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Через термокатод с вольфрамовой спиралью 11 ионного источника 5 пропускают электрический ток величиной 2А при напряжении порядка 6 В. Термокатод с вольфрамовой спиралью 11 излучает термоэлектроны и обеспечивает при подаче на анод 9 напряжения 200 В электронный ток величиной около 20 мА. Одновременно с включением термокатода с вольфрамовой спиралью 11 на термогазопоглотитель 12 подают напряжение An electric current of 2A at a voltage of about 6 V is passed through a thermal cathode with a tungsten coil 11 of an ion source 5. A thermal cathode with a tungsten coil 11 emits thermoelectrons and provides an electronic current of about 20 mA when a voltage of 200 V is applied to anode 9. Simultaneously with the inclusion of a thermal cathode with a tungsten spiral 11, voltage is supplied to the thermal absorber 12

величиной порядка 7 В (ток протекающий через термогазопоглотитель 12 составляет величину порядка 0,45 А), что обеспечивает температуру термогазопоглотителя 12 в виде титановой втулки порядка 700°С.value of the order of 7 V (the current flowing through the getter 12 is about 0.45 A), which ensures the temperature of the getter 12 in the form of a titanium sleeve of about 700 ° C.

На анод 9 источника ионов 5 подают модуляционные импульсы амплитудой 200 В, длительностью 20 мкс и частотой следования импульсов 10 кГц (этот режим наиболее благоприятен при проведении радиационного анализа вещества). Магнитное поле, образуемое магнитом 10 с магнитной индукцией 40-60 мТл, обеспечивает в рабочей области источника ионов 5 осцилляцию (по спиралеобразным траекториям) от антикатода 8 с отверстием для выхода ионов в ионнооптическую систему к катоду 7 электронов, рождаемых термокатодом с вольфрамовой спиралью 11. При пропускании через генератор газа (натекатель) 6 тока порядка 0,2-0,3 А, из генератора выделяются тритий и дейтерий, осциллирующие электроны, взаимодействуя с рабочим газом, обеспечивают в источнике ионов 5 возникновение ионов, попадающих в выходное отверстие антикатода 8. Благодаря наличию обратной связи между возникающим током через источник ионов 5, имеющим амплитуду в импульсе порядка 20 мА, и током через генератор газа, рабочее давление в трубке стабилизируется на уровне порядка 5.10^-2 мм.рт.ст.Modulation pulses with an amplitude of 200 V, a duration of 20 μs, and a pulse repetition rate of 10 kHz are fed to the anode 9 of the ion source 5 (this mode is most favorable when conducting radiation analysis of a substance). The magnetic field generated by a magnet 10 with a magnetic induction of 40-60 mT provides an oscillation (along spiral paths) from the anti-cathode 8 with an opening for the ions to exit into the ion-optical system to the cathode 7 of electrons generated by a thermocathode with a tungsten spiral 11. When a current of about 0.2-0.3 A is passed through a gas generator (leakage) 6, tritium and deuterium are released from the generator, oscillating electrons interacting with the working gas, provide the appearance of ions in the ion source 5 anticathode outlet 8. Due to the presence of feedback occurring between the current through the ion source 5 having a pulse amplitude of about 20 mA, and the current through the gas generator, the working pressure in the tube is stabilized at around 5.10 ^-2 mmHg

Образуемые в источнике ионов 5 ионы дейтерия и трития поступают в ионнооптическую систему 4 трубки, ускоряются и, бомбардируя мишень 3, обеспечивают, на основе ядерной реакции T(d,n)He,⁴ образование 14-МэВ нейтронов в мишени 3.The deuterium and tritium ions formed in the ion source 5 enter the ion-optical system 4 of the tube, are accelerated and, by bombarding the target 3, provide, on the basis of the nuclear reaction T (d, n) He, ^{4, the} formation of 14-MeV neutrons in target 3.

Термогазопоглотитель 12, в нагретом состоянии обеспечивает поглощение при температуре 700°С выделяемых при работе трубки остаточных газов, таких как кислород, азот, углекислый газ, окислы азота. Газонаполненная нейтронная трубка с источником Пеннинга способна при напряжении 120-125 кВ и среднем токе порядка 350 мкА генерировать нейтронные потоки выше 2.10⁹н/c и обеспечить среднюю наработку порядка Thermogas getter 12, in the heated state, provides absorption at a temperature of 700 ° C of residual gases released during tube operation, such as oxygen, nitrogen, carbon dioxide, nitrogen oxides. A gas-filled neutron tube with a Penning source is capable of generating neutron fluxes above 2.10 ⁹ n / s at a voltage of 120-125 kV and an average current of about 350 μA and providing an average operating time of about

200 часов. Сорбционная емкость термогазопоглотителя 12 зависит от его массы.200 hours. The sorption capacity of the thermogas getter 12 depends on its mass.

Для обеспечения нейтронного потока порядка 2.10⁹ н/с при выделяемой мощности порядка 50 Вт является втулка массой от 100 до 350 мг.To ensure a neutron flux of the order of 2.10 ⁹ n / s with a power output of about 50 W, a sleeve weighing from 100 to 350 mg is used.

Температуру термогазопоглотителя 12 в процессе работы трубки поддерживают на уровне 700°С. При такой температуре рабочее тело термогазопоглотителя 12 - втулки из спеченного мелкозернистого порошка титана массой в пределах 100-350 мг обеспечивает поглощение всех остаточных газов, находящихся в трубке. Термогазопоглотитель 12 наиболее удобно установить на одном из вводов ножки газонаполненной нейтронной трубки. При меньшей массе газопоглотителя, чем 100 мг резко падает срок службы трубки.. Примасе большей 350 мг газопоглотитель живет и работает дольше, чес сама трубка.The temperature of the getter 12 during the operation of the tube is maintained at 700 ° C. At this temperature, the working fluid of the gas-absorbing device 12 — bushings of sintered fine-grained titanium powder with a mass in the range of 100-350 mg ensures the absorption of all residual gases in the tube. Thermal getter 12 is most convenient to install on one of the inputs of the legs of a gas-filled neutron tube. If the getter mass is less than 100 mg, the tube service life drops sharply. For more than 350 mg, the getter lives and works longer, the tube itself.

Рабочие параметры нейтронной трубки представлены в таблице.The operating parameters of the neutron tube are presented in the table.

№№№№ ПараметрParameter Трубка с термокатодом и термогазопоглотителемTube with thermal cathode and gas getter Трубка с термокатодом без термогазопоглотителяTube with a thermal cathode without a gas getter 1one Ускоряющее напряжение (кВ)Accelerating Voltage (kV) 120-130120-130 100one hundred 22 Ток, протекающий через трубку (мкА)The current flowing through the tube (μA) 300-400300-400 180-200180-200 33 Нейтронный потокNeutron flux 2×10⁹н/с2 × 10 ⁹ n / s 0,7×10⁹ н/с0.7 × 10 ⁹ n / s 4four РесурсResource 200200 150150

Выделение и поглощение изотопов водорода (50% Т₂ и 50% D₂) осуществляют генератором газа (натекателем) 6 при температуре около 300°С. Это обеспечивает нахождение в объеме работающей нейтронной трубки при давлении около 5.10^-2 мм.рт.ст. очищенных от примесей дейтерия и трития.Isolation and absorption of hydrogen isotopes (50% T ₂ and 50% D ₂ ) is carried out by a gas generator (leak) 6 at a temperature of about 300 ° C. This ensures that the volume of the working neutron tube is at a pressure of about 5.10 ^-2 mm Hg. purified from deuterium and tritium impurities.

Claims

A gas-filled neutron tube with a Penning ion source with a thermal cathode, made in the form of a sealed flask containing a glass-metal shell and a metal-glass or cermet leg, in which a target, an ion-optical system, an ion source, a working gas generator and a getter are located, characterized in that the getter contains built-in heater and made in the form of a tablet from sintered fine-grained titanium powder.