Способ заполнения запаянной ускорительной трубки рабочим газом и подготовки ее к работе в генераторе нейтронов

 

Использование: ускорительная техника, способы заполнения ускорительных нейтронных губок рабочим газом-дейтерием и тритием. Цель: сохранение установленной чистоты рабочего газа при повышении безопасности работ с ускорительной трубкой. Сущность: на вакуумном стенде ускорительную трубку прокачивают, прогревают, обезгаживают ее внутреннюю поверхность и встроенный газопоглотитель и отпаивают, запаянную ускорительную трубку устанавливают в генератор нейтронов, производят высоковольтную тренировку в масле до напряжения заданного значения, присоединяют к ускорительной трубке герметичный контейнер с газопоглотителями, насыщенными рабочим газом, производят соединение вакуумных объемов ускорительной трубки и контейнера с газопоглотитетелями путем прокола из диафрагм, откачивают остаточные газы в ускорительной трубке встроенным газопоглотителем, производят его отпайку, прогревают газопоглотители в контейнере и заполняют ускорительную трубку рабочим газом и производят набивку мишени.

Изобретение относится к физической ускорительной технике, а более конкретно, к способам заполнения ускорительных нейтронных трубок рабочим газом-дейтерием и тритием, и подготовка ее к работе в генераторе нейтронов.

Известен способ заполнения нейтронных трубок дейтерием и тритием [1] и подготовка их к работе с высоким напряжением, заключающийся в том, что трубку нагревают снаружи потоком горячего воздуха до температуры около 100^oС и в нее через разборное вакуумно-плотное соединение вводят тритиевую мишень, после чего трубку присоединяют к вакуумной системе, откачивают до давления около 10^-6 торр и в нее вводят дейтерий, причем при давлении 10^-2 торр подача дейтерия прекращается и остатки газа удаляют из трубки, при этом трубку обрабатывают генератором высокой частоты и ее электроды подвергают высоковольтной тренировке напряжением около 10 кВ, затем трубу вновь присоединяют к вакуумной системе, с целью достижения давления 10^-6 торр, и вновь в нее вводят дейтерий для повторной промывки, удаляя остатки газов, после чего вводят дейтерий в трубку, нагретую потоком воздуха до 100^oС и насыщают титановые газопоглотители, которые предварительно нагревают до температуры 600^oС и затем постепенно снижают эту температуру, в результате чего происходит поглощение дейтерия титаном, после чего трубку отпаивают, т.е. отделяют от вакуумной системы. Второе отличие заключается в том, что во время работы вакуумной системы производят измерение десорбции трития из мишени. Третье отличие заключается в том, что после отпайки ускорительную трубку подвергают высоковольтной тренировке, поднимая постепенно напряжение на электродах до напряжения на 10-20 кВ выше, чем напряжение, при котором работает трубка.

К недостаткам этого способа относятся: 1. Температура 100^oC недостаточна для качественного обезгаживания ускорительной трубки. В работе [2] приводятся данные по откачке ускорительной трубки при 400^oC.

2. В объем ускорительной трубки в начальной стадии вводится тритиевая мишень, что существенно снижает температуру при которой происходит обезгаживание ускорительной трубки. Известно, что при прогреве литий-титановой мишени до 310^oC она теряет 99% трития (см. табл. 1.1. [3]).

3. Тритиевые мишени необходимо заранее изготавливать и обеспечивать безопасную их транспортировку и размещение в трубке. При установке в ускорительную трубку неизбежен контакт мишени с воздухом, что приводит к окислению мишени.

4. При откачке ускорительной трубки необходим контроль откачиваемых газов на содержание трития.

5. Предварительная высоковольтная тренировка электродов ускорительной трубки при 10 кВ недостаточна для удовлетворительной подготовки трубки. А высоковольтная тренировка до напряжений на 10-20 кВ больше рабочих напряжений происходит тогда, когда ускорительная трубка отпаяна. Во время высоковольтных пробоев в объем трубки выделяются остаточные газы, растворенные в материале электродов, что приводит к загрязнению рабочего газа дейтерия и отравлению мишени.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является способ заполнения ускорительной электронной трубки дейтерием и тритием [4] алгоритм которого представлен на фиг. 1. Этот способ заключается в том, что производится вакуумная откачка трубки, прогрев и обезгаживание ее внутренней поверхности, высоковольтная тренировка электродов до U фиксированного по воздуху, отдельно подготавливается и присоединяется к ускорительной трубке автономный герметичный контейнер с насыщенным рабочим газом газопоглотителями, производится вакуумная откачка трубки, отпайка трубки, установка трубки в генератор нейтронов, соединение вакуумных объемов трубки и контейнера путем прокола ее диафрагм, нагрев газопоглотителей от источника питания и заполнение трубки рабочим газом, высоковольтная тренировка и набивка мишени.

Реализация этого способа, принятого нами за прототип, предполагает размещение титановых газопоглотителей с рабочим газом в автономном герметичном контейнере, который соединен с ускорительной трубкой.

К существенным недостаткам этого способа можно отнести следующее: 1. В момент присоединения к ускорительной трубке герметичного контейнера с насыщенными рабочим газом газопоглотителями воздух попадает в объем ускорительной трубки, которая уже прошла технологическую обработку. Необходима повторная вакуумно-температурная обработка.

2. При проведении высоковольтной тренировки в генераторе нейтронов происходят высоковольтные пробои, в результате которых происходит выделение остаточных газов, растворенных в материале электродов, что приводит к загрязнению рабочего газа и отравления мишени.

3. Так как набивка мишени обычно проводится одновременно с высоковольтной тренировкой ускорительных трубок до рабочих напряжений U рабочее (U фиксир. по воздуху < U рабочее ≅ U фиксир. по маслу), то не исключена возможность высоковольтного пробоя, в результате которого может произойти разрушение ускорительной трубки, что в свою очередь ведет к загрязнению окружающей среды, т.к. радиоактивный тритий уже находится в объеме ускорительной трубки.

Целью предложенного способа является сохранение чистоты рабочего газа при повышении безопасности работ с ускорительной трубкой.

Поставленная цель достигается тем, что при известном способе заполнения запаянной ускорительной трубки рабочим газом и подготовке ее к работе в генераторе нейтронов заключающемся в откачке трубки, прогреве и обезгаживании ее внутренней поверхности, высоковольтной тренировке трубки до U фиксированного на воздухе, присоединении к ускорительной трубке герметичного контейнера с газопоглотителями, насыщенными рабочим газом, прогреве и обезгаживании внутренних поверхностей трубки, отпайке трубки, установке трубки в генератор нейтронов, соединении вакуумных объемов трубки и контейнера с газопоглотителями, нагреве газопоглотителей в контейнере и заполнении трубки рабочим газом, высоковольтной тренировке до U рабочее в масле и набивке мишени после откачки трубки, прогрева и обезгаживания внутренних поверхностей трубки и встроенного газопоглотителя, проводится отпайка трубки, установка трубки в генератор нейтронов, высоковольтная тренировка трубки до U фиксированного в масле, присоединение к ускорительной трубке герметичного контейнера с газопоглотителями, насыщенными рабочим газом, соединение вакуумных объемов трубки и контейнера с газопоглотителями, путем прокола их диафрагм, откачка остаточных газов в трубке встроенным газопоглотителем и его отпайка, нагрев газопоглотителей в контейнере и заполнение трубки рабочим газом, набивка мишени.

Алгоритм заполнения ускорительной трубки по предлагаемому способу представлен на фиг. 2.

Сравнение существенных признаков известного способа-прототипа и предложенного способа приведено на фиг. 3. Из приведенного сравнения видно, что наш способ имеет пять отличий от прототипа, поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "Новизна". Эти признаки являются существенными, т.к. обуславливают достижению цели изобретения.

Рассмотрим и сравним предлагаемый способ с известными техническими решениями на соответствие критерию "Существенные отличия".

Известны технические решения, а именно, генераторы нейтронов с откачными ускорительными трубками, рабочая зона которых постоянно откачивается с помощью вакуумных насосов. В таких генераторах рабочий газ подается в вакуумный объем ускорительной трубки, электроды которой заранее проходят высоковольтную тренировку до U фиксированного по маслу. Однако, предлагаемое нами техническое решение имеет новое свойство. Оно заключается в том, что заполняемая рабочим газом ускорительная трубка является запаянным герметичным электровакуумным прибором. Кроме того, когда происходит соединение объемов трубки и контейнера с газопоглотителями, радиоактивный тритий оказывается в запаянном герметичном объеме трубки, что исключает загрязнение вакуумных систем и атмосферы в случае генераторов нейтронов с откачными трубками.

Сведений о соединении двух независимых вакуумных объемов для аналогичных целей в литературе не обнаружено.

Из изложенного следует, что предлагаемый нами способ заполнения запаянной ускорительной трубки рабочим газом и подготовка ее к работе в генераторе нейтронов соответствует критерию "Существенные отличия".

Примером конкретного применения предлагаемого способа является заполнение 50% смесью дейтерия и трития металлокерамической запаянной ускорительной трубки УТ-50 с набивной мишенью. Все технологические операции проводились на стандартном оборудовании [7, 8] Известно [5] что технология производства электровакуумных приборов, к которым относятся ускорительные нейтронные трубки, включает в себя обязательное выполнение требований технологической гигиены, с целью получения и сохранения вакуума внутри запаянных объемов. Обезгаживание внутренних поверхностей ускорительной трубки, которое происходит в течении 4-5 часов при постоянной откачке трубки до величины остаточного давления порядка 10^-6 мм рт. ст. и при нагреве до 400^oС, является обязательным элементом технологической цепочки подготовки трубки к заполнению рабочим газом [2] Прогрев и обезгаживание встроенного газопоглотителя также обусловлен требованиями вакуумной гигиены. Нагрев их до температуры 600-1100^oС обеспечивает растворение кислорода окисных пленок в массе геттера и создание чистой поверхности газопоглотителя, доступных молекулам сорбируемых остаточных газов [6] В составе остаточных газов в вакуумных объемах присутствуют неполярные молекулы: H₂, O₂, N₂, инертные газы Не, Ne, Ar, Kr, Xe, a также полярные: CO, CO₂, NH₃, C_nH_m, SO₂, пары Н₂.

Следующая операция отпайка трубки. При этом происходит пережим медного или стеклянного штенгеля ускорительной трубки, через который она соединялась с вакуумной системой [7] После этого ускорительная трубка готова к транспортировке и хранению. Наличие в ускорительной трубке встроенного датчика давления позволяет в течение значительного промежутка времени, от нескольких дней до нескольких лет, контролировать вакуум внутри трубки. Таким образом, можно зафиксировать наличие микротрещин в оболочке трубки, которые могут возникнуть по разным причинам. Контроль герметичности может быть также проведен во время и после высоковольтной тренировки трубки до U фиксированного по маслу в генераторе нейтронов.

После установки трубки в генератор нейтронов проводится ее высоковольтная тренировка до U фиксированного по маслу. Высоковольтную тренировку проводят ступенчато: постепенно увеличивают ускоряющее напряжение до предпробойных значений и делают выдержку, а затем снова увеличивают напряжение. Так весь диапазон от 0 до U фиксированного по маслу. U фиксированное по маслу предельное значение напряжения для каждого типа трубок, которое определяют, как правило, опытным путем. Для трубки УТ-50 оно составляет 270 кВ. Если ускорительная трубка благополучно выдержала высоковольтную тренировку, то можно приступить к заполнению ее рабочим газом. Для этого к ускорительной трубке присоединяют автономный герметичный контейнер с насыщенными рабочим газом газопоглотителями, при этом штенгель контейнера входит в гильзу на патрубке ускорительной трубки. Независимая подготовка автономного герметичного контейнера рассматривается в [4] Штенгель контейнера и гильза имеют осесимметричные или кольцевые диафрагмы, проколов которые иглами контейнера, соединяют вакуумные объемы трубки и контейнера.

Операция "Откачка остаточных газов встроенным газопоглотителем" проводится по мере необходимости. Однако, после соединения объемов ускорительной трубки и контейнера эта операция обязательна, т.к. в объеме между штенгелем контейнера и стенкой гильзы остается воздух около 1 см³ (объем УТ-05 2 · 10³ см³). После откачки остаточных газов встроенный газопоглотитель отпаивают. Таким образом, непосредственно перед началом работы ускорительной трубки в составе генератора нейтронов, объем ускорительной трубки очищен от остаточных газов.

Финишные операции это заполнение трубки рабочим газом, путем прогрева газопоглотителей от регулируемого источника питания и набивка мишени. Внутренняя поверхность трубки становится радиоактивной и дальнейшая работа с ней должна проводиться в соответствии с требованиями радиационной безопасности.

Следует отметить, что набивка мишени происходит рабочей смесью не загрязненной остаточными газами, что очень важно для получения потока нейтронов.

Положительный эффект от использования предлагаемого способа заполнения запаянной ускорительной трубки рабочим газом и подготовка ее к работе в генераторе нейтронов заключается в следующем: 1) упрощается производство ускорительных трубок; 2) обеспечивается контроль качества изготовления ускорительных трубок; 3) повышается надежность трубки, т.к. контейнер с рабочим газом присоединяется к ускорительной трубке прошедшей высоковольтные испытания; 4) исключаются специальные меры радиационной безопасности на всех этапах подготовки трубки;
5) сохраняется чистота рабочего газа и не происходит отравления мишени остаточными газами.

Ожидаемый годовой экономический эффект при внедрении изобретения составит 15 тыс.руб. при годовой потребности в ускорительных трубках УТ-0,5 30, шт./год.

Формула изобретения

Способ заполнения запаянной ускорительной трубки рабочим газов и подготовки ее к работе в генераторе нейтронов, заключающийся в том, что осуществляют откачивание ускорительной трубки, прогрев и обезгаживание ее внутренней поверхности и встроенного газонаполнителя, присоединяют к ускорительной трубке герметичный контейнер с газопоглотителями, насыщенными рабочим газом, отпаивают ускорительную трубку, устанавливают ее в генератор нейтронов, соединяют вакуумные объемы ускорительной трубки и контейнеры с газопоглотителями, нагревают газопоглотители в контейнере и заполняют ускорительную трубку рабочим газом, осуществляют высоковольтную тренировку в масле до напряжения заданного значения и набивку мишени, отличающийся тем, что, с целью сохранения установленной чистоты рабочего газа при одновременном повышении безопасности работ, отпаивание ускорительной трубки и установку ее в генератор нейтронов производят после прогревания и обезгаживания внутренней поверхности ускорительной трубки и встроенного газопоглотителя, осуществляют высоковольтную тренировку трубки в масле до напряжения заданного максимального, присоединяют к ускорительной трубке герметичный контейнер с газопоглотителями, насыщенными рабочим газом, соединяют вакуумные объемы ускорительной трубки и контейнеры с газопоглотителями путем прокола их диафрагм, откачивают остаточные газы в ускорительной трубке встроенным газопоглотителем с последующей его отпайкой, нагревают газопоглотители в контейнере, заполняют ускорительную трубку рабочим газом и осуществляют набивку мишени.