Главная Вакуумные трубки



tniH. ei. 0,8 0,1 0,6 0,5 0,"

1,5 г

BlQiJn


0,015 T/t

Et тма VHr T" "«p°™o-o потока Ф, излучаемого вигимпД "вду«"нн магнитного поля В (а) и за- , ВДость нейтронного потока Ф, излучаемого нт типа унг, от напряжения на аноде ионного источника для различной индукции магнитного поля {б)


•рис. 6. Распределеине потенциала алектрического поля;

.о-в центральном поперечном сеяевки анодной плоскости; б - по оси симметрии ионного источника

женными зависимостями:

Ф(0, z)

(С/а- ДС/п) [ 1 z4{Zy,-hy + At/к,f,J >

AtK (2к - г)/Лк, гк - Лк < г < гк;

Ф (г, 0) » С/д - Д[/Л 1 - г«/г2д), (54)

где ДС/п - величина, характеризующая провисание анодного потенциала; Ua - напряжение на аноде ;ДУк - падение напряжения на катоде; /ik - ширина области катодного падения; гд - радиус анода; - продольная координата катодного электрода. Провисание анодного потен-диала линейно зависит от индукции магнитного поля [281 At/ = 4 • 10Вг. (55)

Для газонаполненных НТ [168, 124, 721 MJ может принимать значение от единиц до десятков вольт. Определим ларморовский радиус дейтрона с кинетической энергией движения поперек магнитного поля di, эВ,

/?л.дл?2 • 10-*К£/В. (56>

С учетом формул (53) - (55) запашем /?л.д для дейтронов, образуемых в области, охватываемой анодным электродом и составляющей основную часть объема ионного источника,

/?л.д<0,4ла/-КВ. (57)

На основании этого соотношения можно объяснить ход кривой, изображенной на рис. 5, а. Согласно формуле (5), нейтронный поток, излучаемый трубкой, определяется количеством дейтронов, извлекаемых из ионного источника. С ростом магнитного поля, как отмечалось выше, растет число актов ионизации в результате удлинения электронной траектории. С другой стороны, часть ионов, для которых кл.ц <. Га - Гот, не попадая в центральную область источника *, может прорекомбинировагь на стенках. При жом максимум нейтронного потока на рис. 5, а соответствует ситуации, когда увеличение числа актов ионизации в-плазме за счет удлинения электронных траекторий начи- нает компенсироваться рекомбинацией дейтронов на поверхности анода.

Этот эффект уменьшается с ростом Uа в результате перераспределения потенциала в области, охватываемой анодом. Продольное электрическое поле сильнее проникает в анодную полость, что способствует увеличению потока ионов на антикатоде. При этом из-за перераспределения потенциала значительно уменьшается число ионов с Рл.д <. <. Га -/"от- Этот процесс объясняет кривые, изображенные на рис. 5, б. В ионном источнике с холодным катодом уста-, новившийся режим разряда характеризуется током / 4 (1 + У)> /„ - ток попадающих на катод и антикатод ионов; у - второй коэффициент Таунсенда, зависящий от напряженности электрического поля в прикатодной области, материала катодов и состояния их поверхности. В НТ, как правило, у < 1, и ток разряда не превышает К более чем в два раза. Для поддержания самостоятельного разряда необходимо, чтобы один электрон вызывал в среднем появление в объеме источника ионов. Увеличить коэффициент Y можно, образуя на поверхности катода ок-




сйдную пленку [28]. Выбирая материал катода, можно снизить потенциал зажигания разряда U, при этом следует также учитывать вакуумное свойство этого материала, стойкость по отношению к катодному распылению и т, д. В отечественных НТ типа УНГ в качестве материала катода применяют вольфрам.

Облегчение поджига разряда в зарубежных приборах достигается также путем раз.мещения на катоде Р-активных изотопов (например, Ni") [159].

Ионы дейтерия извлекаются из ионного источника НТ S область ускорения через отверстие в антикатоде. Для того, чтобы поверхность плазмы фиксировалась в области отверстия на катоде необходимо выполнить условие

hpS \0-А5пУТ, (58)

Рис. 7. Нейтронный импульс, получаемый на НТ типа УНГ, в режиме модуляции нейтронного потока напряжением ионного ис-t,unc точника

где Т - температура плазмы; AS - площадь отверстия, через которое плазма попадает в область ускорения. Нежелательно, чтобы ускоряющее поле «проваливалось» в область ионного источника и влияло на его работу. Нежелательно также и выпучивание плазмы. В НТ «Зетатрон» имеется полость 7, которая экранирует ионный источник от проникновения в него ускоряющего поля, а также способствует уменьшению плазменной концентрации на границе отбора ионов за счет расширения плазмы в полость. Это облегчает выполнение }словия (58),

В описанных выше НТ ионы ускоряются в электрическом иоле между электродами 8, 10 (для «Зетатрона») и 6, 10 (для УНГ), образуемом импульсом отрицательной полярности ( 100 кВ), подаваемым на анод, В «Зетатроне» амплитуда импульса и= 130 кВ, а длительность около 20 мкс 1168]. Возможен и другой принцип импульсной работы, когда на ускоряющий зазор подается постоянное напряжение, а модуляция нейтронного потока осуществляется напряжением ионного источника. Этот режим исследован на НТ типа УНГ [12]. На рис, 7 изображены нейтронные импульсы, излучаемые НТ типа УНГ, при различной длительности импульса напряжения на аноде ионного источника. Амплитуда импульса напряжения на аноде не превышает 300 В. Затягивание заднего (Ьронта нейтронных импульсов в область времени, превышающую длительность импульса

напряжения на аноде ионного источника, можно объяснить-остаточной ионизацией. Уменьшить длительность заднего фронта можно подачей на ионный источник биполярного импульса, вторая полуволна которого будет запирать не-прорекомбинировавшие ионы в объеме источника. Такой, режим включения используется в скважинных генераторах нейтронов, разрабатываемых в США (например, фирмой «Каман Инструментейшн Корпорейшн»). При этом удается


[Л\ Г\ Г\

к

Рис. 8. Схема вк.тючеиия НТ типа УНГ ионно-кенотронным удвоением ускоряющего напряжения (Л - аиод; М - мишень) (а) и временные аависимости напряжения на повышающей обмотке трансформатора (Уп (0. аноде ионного источника (Уд (<), конденсаторе удвоения Uq (О (расчетная) от ускоряющего напряжения U (/) (расчетная) (в)

генерировать нейтронные вспышки с частотой повторяемости до 20 кГц при среднем потоке Ф 10* нейтр/с на трубках, использующих разряд с холодным катодом, аналогичных по своему конструктивному исполнению и принципу действия «Зетатрону» [150].

В отечественных малогабаритных нейтронных генераторах, использующих НТ типа УНГ, применяют схемы включения, основанные на принципе ионно-кенотронного удвоения напряжения [69]. Режим удвоения осуществляется за счет конденсатора С, включенного последовательно с ИТ и вторичной обмоткой повышающего трансформатора (рис, 8, а). Зависимость напряжения IJ (/) на ускоряющем аазоре трубки определяется уравнением Кирхгофа;

t/ = (/,sinco/-i?---

(59)

где [/дю - соответственно амплитуда и частота напряжения на повышающей обмотке трансформатора; R - эквивалент-



ное активное сопротивление источника напряжения; Q - заряд конденсатора удвоения; - собственная («паразитная») емкость трубки; G - коэффициент, который при U > > О соответствует ионной проводимости диодного промежутка НТ:

5,45 • )0-

GiU)

min

10~\Ут J

(a(0/ao),

(60)

a при 17 < 0 соответствует электронной проводимости

G([/) = min{ 2,33- l0-« ,,,,./. AS, (61)

If/1

f/Ao - амплитуда напряжения на аноде ионного источника; Пи - суммарная концентрация ионов на входном торце ускоряющего зазора; v, п, - скорость и концентрация электронов на входном торце ускоряющего зазора.

Как видно из формул (60) и (61), максимальная электроннаяпроводимость почти на два порядка превышает ионную проводимость. Это соотношение можно обеспечить в НТ с накаливаемым катодом и хорошей эмиссионной способностью.

В первый положительный полупериод напряжения конденсатор С заряжается электронным током трубки, работающей в это время как высоковольтный кенотрон, до значения Ug. Поскольку ионная проводимость значительно меньше электронной, то в отрицательный полупериод происходит незначительное уменьшение заряда конденсатора, ко- торое компенсируется в следующий полупериод и т. д. Вследствие этого амплитуда отрицательной полуволны напряжения на ускоряющем зазоре возрастает на величину

rr С

напряжения заряженного конденсатора Uq „ . „ , т. е.

с -j- Cj

примерно удваивается, если С С. Временные зависимости, рассчитанные на ЭВМ по уравнениям (59) - (61), показаны на рис. 8, б.

Схема удвоения работает устойчиво при С и частотах до 1 кГц. Увеличение частоты вызывает рост активных потерь и реактивных сопротивлений схемы. Первое обстоятельство приводит к падению КПД схемы, а второе - к ее рассогласованию. Поэтому при повышенных частотах срабатывания целесообразно использовать режим включе-

ния с постоянным ускоряющим напряжением, описанный выше.

В НТ с ионными источниками Пеннинга для создания магнитного поля применяют постоянные кольцевые магниты или соленоиды, охватывающие область разряда. Например, фирмой «Филипс» разработана конструкция, в которой магнитное поле создается постоянным магнитом, размещенным в полости катода [164]. Недостатки такой конструкции - малый объем магнита и неоднородность создаваемого им поля в ионном источнике.

Рассмотренные выше НТ имеют диаметр <5 см и длину <15 см, при


Рис. 9. Конструкция крупногабаритной НТ типа «Карин»:

; - нейтронообразующая мишень (So TD); 3 - ускоряющий электрод (-200 кВ); 3 - круговой ионный нсточннк с тороидальной камерой; (-ЮкВ); 4 - радиальный электромагиит; i- металлостеклянный корпус; S - система охлаждения

ЭТОМ излучаемый поток нейтронов составляет несколько единиц на 10 нейтр/с. Увеличить нейтронный поток можно, увеличивая напряжение ( 200 кВ) и ток, что влечет за собой увеличение размеров для сохранения электрической прочности [17]. Рассмотрим крупногабаритную НТ типа «Карин» с потоком нейтронов 5 • 10 нейтр/с, генерируемым на скандиевой мишени активностью 18,5 ТБк по тритию при постоянном ускоряющем напряжении около 200 кВ (рис. 9). Ионным HCT04HHK0Nr служит тороидальная разрядная камера 3 с внешним диаметром 0,35 м. Магнитное поле направлено по радиусам перпендикулярно оси тора. Ионы вытягиваются по направлению к оси через кольцевую щель на ускоряющем электроде 2, расположенную в диаметральной плоскости камеры. Нейтронообразующая мишень / имеет вид усеченного конуса, ось которого совпадает с осью тора. Разряд в камере поджигается при напряжении Ю кВ. Длина трубки превышает 0,5 м. Большие габаритные размеры определяются средствами электроизоляции, размерами электромагнитов и системой теплоотвода с мишени.

Удлинить пробег электронов в ионном источнике газонаполненной НТ можно и без приложения магнитного поля. На рис. 10 показана конструкция НТ с ионным источником, получившим название «Орбитрон» [156]. Он имеет Вид коаксиального конденсатора, внутренний центральный



0 1 2 [3] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22


0.0178