Главная Вакуумные трубки



электрод которого выполнен в виде тонкого проводника {нити) 7, а внешний представляет собой цилиндр с продольными прорезями /. При подаче на центральный проводник положительного относительно цилиндра импульса высокого напряжения (амплитудой несколько киловольт и длительностью несколько микросекунд) находящиеся в межэлек-тродком пространстве электроны (вероятность их появления всегда имеется) устремляются к нити. Если свободный электрон образуется на расстоянии г от оси источника и име-/ г J 4 S S 8


Рис. 10. Конструкция НТ «Орбитрон» с ионным ИСТОЧНИКОМ!

/ - цилиндрический электрод с прорезями; 2 - нейтронообразующая мишень; 3 - изолятор ускоряющей системы; i - kobspobbfe диски: 5 - керамические изоляторы; 6 - консоль; 7 - центральный п)1оводник; S - штенгель для откачки

€т начальную энергию поперечного движения Еу, а вектор его поперечной скорости составляет с направлением, к центру угол в, то при выполнении условия

->--Т-. (62)

In {Rlr)

sine -1

где Гп - радиус проводника; R - радиус цилиндра, электрон не попадает на центральный проводник, а начинает осциллировать в объеме источника, ионизируя газ. Расчет показывает, что соответствующим выбором параметров г„, R, и А можно добиться ситуации, когда вероятность рассеяния электронов внутренним электродом будет составлять десятки процентов. При этом внутри цилиндрического влектрода возникает газовый разряд.

НТ «Орбитрон» имеет мишень 2, расположенную соос-но ионному источнику. Ионы, дрейфуя в электрическом поле по радиусу, через продольные отверстия в цилиндрическом электроде попадают в коаксиальный ускоряющий зазор, где ускоряются к нейтронообразующей мишени импульсом высокого напряжения (200 кВ). Нейтронный поток (выход) НТ «Орбитрон» составляет 10* нейтр./имп, диапа-

ЗОН рабочего давления 1-10 Па. Различают высокоимпе-дансный [Р 10~ Па) и низкоимпедансный {Р 1 Па) режимы работы НТ. В низкоимпедансном режиме возникают большие токи разряда, сильно разогревающие внутренний проводник. Это накладывает ограничения на максимальную частоту срабатываний трубки.

Разновидностью газонаполненных НТ, получивших широкое распространение, являются трубки с высокочастотным (ВЧ) ионным источником. ВЧ ионные источники раз-


Рис. 11. НТ с высокочастотным разрядом:

а-£-разряд с внутренними электродами; б-Я-разряд с внешними электродами; в - Н-разряд

личают ПО типу разряда (рис. 11): £ -разряд возбуждается переменным продольным электрическим полем, Я - разряд - переменным магнитным полем [28]. В ускорительных НТ наибольшее распространение получили ионные источники с Я-разрядом [56, 132]. Рассмотрим НТ этого типа (рис. 12). Газоразрядная плазма в ионном источнике НТ создается при воздействии электромагнитного ВЧ-поля на смесь дейтерия и трития (50 %), находящуюся в объеме источника при Рраб л; 1 Па. Плазма образуется в пространстве между электродами / и 4. Эти электроды фиксируют плазму в продольном направлении, причем электрод / собирает электроны, а через отверстие в электроде ионы вытягиваются из плазмы электрическим полем, образуемым в пространстве между электродами 4 м 5. Последний служит катодом ускоряющей диодной системы. На степень ионизации газа в ионном источнике существенно влия-61 постоянное внешнее продольное магнитное поле, которое, контрагируя разряд, ослабляет процесс рекомбинации плазмы на стенках источника и способствует увеличершю тока ионов, извлекаемых в ускоряющий зазор. Этот процесс хорошо иллюстрируется кривыми, изображенными на рис. 13. Рост нейтронного потока с увеличением ВЧ-мощности




Рис. 12. Конструкция НТ с ВЧ ионным источником:

/, - электроды ионного источника; 2 - ВЧ контуо; 3 корпус; 5,6 - электроды ускоряющей системы; 7 - цилиндр Фарадея; « - нейтронообразующая мишень; 9 - хранилище изотопов водорода; tO - ВЧ-ге-нератор

Рис. 13. Зависимость нейтронного потока и тока ио-ирв от индукции магнитного поля, контрагирующего ВЧ-разряд

объясняется увеличением процента дейтронов по отношению к молекулярным ионам [56].

Ускорение ионов происходит в промежутке между электродами 5 и 5, для чего на электрод 5 подается положитель4 ный потенциал 200 кВ. Попадая в полость цилиндргу Фарадея 7, ускоренные ионы бомбардируют тритийтитано- вую мишень 8, расположенную на его дне.

Генератор нейтронов, выполненный на НТ, при V - 235 кВ, Рвч = 800 Вт и S = 1,5 • 10~ Тл имеет ней- тронный поток 8 • 10 нейтр,/с [56]. Достаточно высокие выходные параметры имели и ранние разработки НТ с ВЧ ионным источником [132], в которых тракт вытягивания и ускорения ионов напоминает ионно-оптическую систему геометрии Пирса, а нейтронный поток при реакторных исследованиях достигал 10" нейтр./с.

Дальнейшее повышение нейтронного потока НТ с ВЧ ионными источниками можно осуществить путем повышения ускоряющего напряжения, выбора оптимальных зна-

чений контрагирующего магнитного поля, мощности ВЧ-питания и давления дейтерийтритиевой (ДТ) смеси.

Как и Для НТ с ионными источниками типа Пеннинга, получение потока нейтронов порядка J0 нейтр./с на НТ с ВЧ ионным источником сопряжено с увеличением габаритных размеров нейтронного генератора, а та.кже повы-шепными требованиями к электрической прочности конструкции, наличием системы возбуждения ВЧ-разряда и внешних магнитных элементов. Важным преимуществом этих НТ является возможность простой реализации различных режимов работы: от непрерывного до режима с заданной модуляцией излучаемого потока [57] прн сохранении большого нейтронного потока, что важно для решения ряда задач нейтроноактивационного анализа.

Разновидностью газонаполненных НТ можно считать также плазменные трубки, в которых ионы образуются и ускоряются в одном и том же разрядном промежутке. Конструкция одной из первых ускорительных трубок подобного принципа действия, получившей название «Лесса-трон» [144], представляла собой стеклянный цилиндр диаметром 3,75 см, на одном конце которого размещался полусферический анод, а на другом - цоколь с нейтронообразующей мишенью. При подаче на анод импульса напряжения с амплитудой f/o = 150 кВ регистрировался нейтронный выход, [февышающий 10 нейтр./имп. Трубка работала при частотах 10 Гц. Устойчивый режим работы достигался в узком диапазоне давлений (5-10) 10~ Па, ресурс трубки не превышал 10 срабатываний.

НТ подобного типа не получили широкого распространения. Это связано, по-видимому, с тем, что воспроизводимость нейтронного потока от импульса к импульсу в них низкая, так как условия горения разряда, соответствующие отдельной нейтронной вспышке, претерпевают значительные изменения ввиду непредсказуемого характера эрозии внутренних поверхностей в НТ, колебаний давления и т. д. Тем не менее исследования создания НТ с ускорением в области катодного падения потенциала в разряде продолжаются. Процессы генерации нейтронов при ускорении ионов изотопов водорода в тлеющем разряде, горящем при напряжении 6 = 180 кВ и давлении Р 1 fla, рассмотрены в работе [1781. При энергии, затраченной на образование разряда 15 Дж/имп получен нейтронный поток нейтр./имп. на реакции D {d, rif Не с частотой следования 0,2 Гц. Длительность нейтронных импульсов составила примерно 3,5 мкс. Подробное описание физиче-




ских процессов, протекающих в НТ типа «Л«сатрон», ра

смотрено в работе [172].

Как уже отмечалось выше, важным фактором, определяющим устойчивый режим работы любой га,зонаполпенной трубки, является давление рабочего газа. Для изменения, давления в объем НТ вводят прогреваемое геттерное хранилище изотопов водорода [168]. Геттер состоит из пористой стальной трубки диаметром 1 мм, заполненной 20 мг порошкообразного циркония, гидрированного DT смесью. Каждо.му значению температуры геттера однозначно определяемому током накала геттера /„, соответствует равновесное соотношение между давлением газа Рраб в рабочем объеме НТ и числом сорбированных геттером изотопов водорода [168, 1781. Зависимость рабочего давления в НТ «Зетатрон»от

"I" I-g Рис. 14. Зависимость рабочего давления . , в НТ «Зетатрон» от тока накала геттер-ного хранилища изотопов водорода

тока накала геттера показана на рис. 14. Аналогичный характер имеет эта зависимость и для газонаполненных НТ других типов. Следует обратить внимание на резкое увеличение давления, начиная с некоторого значения /„. Это объясняется тем, что для каждого металла, хорошо растворяющего водород, существует температурная точка, при которой процесс выделения водорода начинает резко нарастать. Эга точка соответствует примерно температуре разложения соответствующего гидрида [7]. Этот процесс обусловливает трудность стабилизации нейтронного потока НТ при колебаниях температуры, так как небольшое изменение температуры приводит к резкому увеличению Рраб и выходу НТ из оптимального режима. Дополнительная термодесорбция из нейтронообразующей мишени, которая также может возникнуть при повышении температуры окружающей среды, еще более затрудняет регулировку давления в НТ. Лучшим достижением по термоустойчивости следует считать функционирование газонаполненной НТ на основе источника Пеннинга с холодным катодом при Т » 450 К [1501.

Для повышения стабильности работы НТ и надежности управления величиной нейтронного потока [98] можно [Ю току в цепи ионного источника, являющегося функцией давления, корректировать ток в цепи натекателя или [96] по току на нейтронообразующую мишень корректировать

ток в цепи натекателя и ускоряющее напряжение. Такой

способ .корректировки требует привлечения управляющих микро-ЭВМ, что значительно усложнит конструкцию и уменьшит надежность нейтронного излучателя.

В табл. 1 приведены рабочие характеристики наиболее типичных газонаполненных НТ.

В заключение следует отметить, что все НТ универсальны за исключением «Лессатрона» с точки зрения реализации различных режимов включения: непрерывный поток нейтронов, модулированный по заданному закону или импульсный. НТ с источниками Пеннинга имеют малые габаритные размеры, что позволяет эффективно использовать их для нейтронного каротажа геофизических скважин [109], В то же время газонаполненные НТ имеют большой процент молекулярных ионов {для НТ с источниками Пеннинга больше 90 %), энергетические потери на неупругие столкновения и перезарядку, а также трудности стабилизации рабочего давления, что определяет сравнительно высокую «энергетическую цену нейтрона» 0,1 мкДж/нейтр.

1.3. ВАКУУМНЫЕ НЕЙТРОННЫЕ ТРУБКИ

В вакуумных ускорительных НТ выделение рабочего га-8а и его ионизация происходят только в момент срабатывания ионного источника. Рабочий газ (изотопы водорода) содержится в электродах источника в состоянии окклюзии, которое нарушается при резком локальном разогреве поверхности. Рабочее давление в вакуумных НТ не превышает 10~ Па.

НТ с вакуумно-дуговыми ионными источниками. Наибольшее распространение среди вакуумных НТ получили Приборы с источником дейтронов, использующим дуговой разряд в вакууме. Различают НТ с управляемым и неуправляемым ионными источниками. В первом случае разряд в источнике дейтронов стимулируется с помощью вспомогательного поджигающего электрода (трехэлектродный источник ионов), во втором случае разряд возникает за счет Перенапряжения в межэлектродном зазоре при подаче на него высоковольтного импульса (двухэлектродный источник ионов). На рис. 15 показана конструкция [140] вакуумной НТ с двухэлектродным вакуумно-дуговым ионным источником (рис. 15, б) (разработка Калифорнийского Университета и фирмы «Дженерел Электрик»). Трубка ра-"отает следующим образом. На ускоряющий зазор между Электродами 3 н 6 подается напряжение от высоковольтно-то импульсного трансформатора. Амплитуда ускоряющего

2 8-1006



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


0.015