Ускорительная газонаполненная нейтронная трубка

 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к малогабаритным запаянным нейтронным трубкам, и может быть использовано при разработке генераторов нейтронов для исследования геофизических и промысловых скважин. Цель изобретения - повышение нейтронного выхода. Трубка содержит размещенные в металлостеклянном корпусе 1 мишень 2, ускоряющий электрод 3 и ионный источник типа Пеннинга. Анод источника выполнен в виде магнитного кольца 5 и цилиндра 6 из немагнитного материала. Внутренний радиус анода равен R (M), его толщина h (M), длина l (M). Магнитный элемент источника совмещают с анодом. Антикатод 4 источника снабжен осевым отверстием радиусов r_o (M). Катод 7 источника снабжен окнами. Термоэмиттеры 8 электронов числом N ≥ 2 установлены на расстоянии r от оси напротив окон в катоде 7. Расстояние r выбрано из выражения Катод 7 и антикатод 4 отстоят от торцов анода на расстоянии Δl удовлетворяющем условию Геометрические параметры трубки выбраны из условия где μ_o= 4π·10⁷ Гн/М, н/М, M - абсолютная величина вектора намагниченности Устройство позволяет увеличить информативность аппаратуры нейтронного каротажа скважин. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ускорителям прямого действия, в частности к малогабаритным запаянным нейтронным трубкам (НТ), и может быть использовано при разработке и создании генераторов нейтронов для исследования геофизических и промысловых скважин, а также критических характеристик ядерных реакторов. Целью изобретения является повышение нейтронного выхода. На фиг. 1 представлена конструктивная схема трубки; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1 (варианты); на фиг. 3 график режима работы источника. Трубка содержит размещенный в металлостеклянном корпусе 1 мишень 2, ускоряющий электрод 3 и ионный источник типа Пеннинга, электроды которого установлены соосно и последовательно. Антикатод 4 источника размещен напротив ускоряющего электрода 3 и снабжен осевым отверстием радиусом r_o (M). Анод источника выполнен в виде магнитного кольца 5 и цилиндра 6 из немагнитного материала, закрепленного на внутренней поверхности кольца 5. Внутренний радиус анода равен R, его толщина h (М), длина l (М). Магнитный элемент источника совмещен с анодом и выполнен из продольно намагниченного материала. Катод 7 источника снабжен окнами. Термоэмиттеры 8 электронов числом N ≥ 2 установлены с внешней по отношению к ионному источнику стороны катода 7 на расстоянии r от его оси напротив окон в катоде 7. Расстояние r выбрано из условия 1> > . (1) Катод 7 и антикатод 4 отстоят от торцов анода на расстоянии Δ l (M), выбранном из выражения 0≅ < < . (2) Геометрические параметры трубки выбраны из условия < + 1< 1
(3) где μ_o 4 π ˙ 10^-7 Гн/М,
М абсолютная величина вектора намагниченности ()
Кроме того, на фиг. 1 обозначено хранилище 9 изотопов водорода и штенгель 10 для отпайки трубки. Устройство работает следующим образом. На ускоряющий электрод 3 подают постоянное или переменное напряжение с амплитудой > 100 кВ. На анод подают последовательность импульсов напряжения с амплитудой от 200 до 500 В. Если ускоряющее напряжение переменно, то импульсы на аноде синхронизируют с ускоряющими импульсами. Термоэмиттеры 8 обеспечивают ток эмиссии электронов в объем ионного источника от единиц до десятков мА. Они могут быть выполнены в прямоканальном варианте из вольфрамовой проволоки, например, с номинальным током накала ≈1 А. В качестве хранилища 9 изотопов водорода могут использоваться стандартные геттеры, разрабатываемые предприятиями МЭП СССР. Эффективная работа трубки достигается при рабочих давлениях (10^-1 -2˙ 10^-2) Па. При выполнении неравенства (1) обеспечивается более эффективное отражение электронов в продольном направлении и больший объем первичной обмотки ионизации ≈ r² в условиях использования магнитного тела в виде кольца, толщина h которого ограничена радиальными размерами нейт- ронной трубки ≲ 0,2 Экспериментально было показано, что в ионном источнике с подобным магнитным элементом периферийное расположение термоэмиттеров позволяет свести практически к нулю время статического запаздывания разряда, что очень важно для работы в импульсно-периодическом режиме с частотами повторений > 10 кГц, характеризуемыми малой скважностью. Дополнительно следует отметить экспериментальный факт увеличения долговечности и устойчивости работы термокатода, расположенного в тени по отношению к потоку высокоэнергетических электронов, эмиттируемых ускоряющим электродом и попадающих в объем ионного источника. Выполнение неравенства (1), как показал эксперимент, сделало существенным выбор соотношений между геометрическими размерами магнита и местом расположения катода и антикатода. В условиях выполнения (1) и использования магнитного элемента в виде широкого кольца с продольной намагниченностью, как показали многочисленные эксперименты, оптимум расположения катода и антикатода по продольной оси примерно соответствует условию, когда в области катода магнитное поле на оси обращается в нуль, что позволяет обеспечить условия замкнутого дрейфа электронов в объеме источника за счет примерной ортогональности электрических и магнитных полей в его объеме. Эти условия обеспечиваются неравенством (2). Рассмотрим приближенное выражение для напряженности магнитного поля на оси, создаваемой кольцом с продольной намагниченностью (М)
β(Z) μ_oMRh + , (4) которое получается на основе метода "эквивалентных соленоидов". Для удобства вычислений вводим обозначение x, a. Тогда уравнение β(Z) 0 можно переписать в виде
(1-х)²[a²+(1+x)²]³-(1+x)²[a²+(1-x)²]³=0
(5) Вводя замену переменной 1-х y, получаем уравнение:
y³ (3a² + 2) y² + a⁶ 0. (6)
В случае малогабаритных НТ выполняется неравенство <1. При этом, как показал численный анализ уравнения (6), параметр y мал. С учетом этого обстоятельства решение уравнения (6) дает оценку
y≃ a³(3a²+2)^-1/2
(7)
Параметр y имеет следующий геометрический смысл:
y 1- , где Δ l расстояние максимального удаления катодной поверхности от анодного торца. Формула (7) дает оценку сверху на параметр Δ l/l:
≅ 2+3 . Оценка снизу Δ l/l ≥ 0 появляется из соображений нецелесообразности размещения катодных поверхностей внутри анода, так как в этом случае перестает эффективно работать вся поверхность анода. Неравенство (3) связано с наличием оптимума дейтронной эмиссии в разряде Пеннинга рассматриваемого типа, установленной авторами. На фиг. 3 приводится семейство зависимостей дейтронного тока от напряжения на аноде и индукции магнитного поля. Максимумы кривых по β связаны с конкуренцией двух процессов в таком источнике Пеннинга, увеличением эффективного давления с ростом магнитного поля и замагничиванием ионного компонента в пространственной области эффективного протекания разряда (R > r > r₆). Замагничивание происходит при условии
R r_o > R _л (8) где R_л радиус Лармора дейтрона:
R_л≃ 2·10^-4 [м]
(9) ΔU радиальное анодное провисание потенциала:
ΔU ≃ 4·10⁶ β·R². (10)
С учетом условий (8-10), куда подставляется значение β β (0) в (4), получаем правое неравенство в (3). Левое неравенство получено в результате анализа семейств экспериментальных зависимостей, характерный пример которых представлен на фиг. 3. Что касается изготовления магнитного элемента, то с этой целью может быть использован сплав типа Fe Cr Co. Магнитный элемент анод с геометрическими параметрами R 10 мм, h 5 мм, l 20 мм позволяет получить значение индукции β магнитного поля в зависимости от величины вектора намагниченности М
β ≃ ≃ (0,01-0,05) Тп. Это позволяет найти рабочую точку в пределах, задаваемых неравенством (3). Аналогично для рассматриваемого случая катоды должны отстоять от анодного торца на расстояние ≈ 1 мм. Указанные параметры позволяют по- лучать устойчивый режим поджига ионного источника и осуществлять эффективную работу трубки в импульсно-периодическом режиме с частотой > 1 кГц. На реакции Т, (d, n) ⁴Не нейтронный выход достигает величины ≈ 10⁸ нейтр/с. Использование устройства позволит увеличить информативность аппаратуры нейтронного каротажа скважин и даст возможность осуществления новых методик импульсного нейтронного каторатажа, например, по спектрометрии гамма-квантов неупругого рассеяния.

Формула изобретения

1. УСКОРИТЕЛЬНАЯ ГАЗОНАПОЛНЕННАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА, содержащая ускоряющий электрод и ионный источник типа Пеннинга с соосно и последовательно установленными катодом, анодом с внутренним радиусом R (М), толщиной стенки h (М) и длиной l (М), магнитным элементом, совмещенным с анодом и выполненным из продольно намагниченного материала, магнитным антикатодом, установленным напротив ускоряющего электрода и снабженным осевым отверстием радиусом r_о (М), отличающаяся тем, что, с целью повышения нейтронного выхода, введены термоэмиттеры электронов числом N ≥ 2, которые установлены с внешней по отношению к ионному источнику стороны катода на расстоянии r от его оси, удовлетворяющем выражению:

а в катоде напротив каждого термоэмиттера выполнено окно, при этом катод и антикатод отстоят от торцов анода на расстоянии Δl(М), выбираемом из выражения

при этом геометрические параметры трубки выбирают из условия

где μ_o=4π·10^-7 Гц/М;
М - абсолютная величина вектора намагниченности (А/М). 2. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что анод выполнен в виде магнитного кольца и цилиндра из немагнитного проводящего материала, закрепленного на внутренней поверхности кольца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---