Способ сепарации одноатомных ионов водорода в ионных источниках и импульсная нейтроногенерирующая трубка с сепарацией одноатомных ионов (варианты)

Изобретение может быть использовано в низковольтной ускорительной технике, физическом приборостроении, в частности при разработке импульсных генераторов нейтронов для нейтронно-активационного анализа, неразрушающего контроля, систем безопасности, а также для исследования геофизических и промысловых скважин методом импульсного нейтронного каротажа. Суть изобретения состоит в использовании разницы в начальных кинетических энергиях одно- и двухатомных ионов водорода для сепарации одноатомных ионов и получения ионного пучка с повышенным содержанием одноатомной компоненты. Для этого в конструкцию ионного источника с осцилляцией электронов вводятся дополнительные электроды - отражатель или коллектор, которые создают электростатический потенциальный барьер, отражающий двухатомные ионы и не задерживающий одноатомные. Изобретение позволяет повысить содержание одноатомной компоненты в ионном пучке, что может быть использовано для увеличения ресурса и надежности импульсных генераторов нейтронов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для генерации импульсных потоков быстрых нейтронов, в частности к малогабаритным запаянным нейтроногенерирующим трубкам, и может быть использовано в низковольтной ускорительной технике, в частности при разработке импульсных генераторов нейтронов для нейтронно-активационного анализа, неразрушающего контроля, систем безопасности, а также для исследования геофизических и промысловых скважин методом импульсного нейтронного каротажа.

Из существующего развития техники известны газонаполненные импульсные нейтроногенерирующие трубки [В.М.Гулько и др. Ионно-вакуумные приборы для генерации нейтронов в электронной технике. - Киев: Тэхника, 1988], представляющие собой малогабаритные ускорители ионов изотопов водорода - дейтерия и трития, выполненные в виде отпаянных металлостеклянных или металлокерамических вакуумных оболочек. Составными частями нейтроногенерирующих трубок являются ионный источник, ионно-оптическая система, нейтроногенерирующая мишень, реверсивный накопитель водорода. С помощью реверсивного накопителя водорода в объеме трубки поддерживается постоянная рабочая концентрация газообразного дейтерия и трития. В ионном источнике молекулы водорода (здесь и далее термин "водород" и символ Н будут использоваться для обозначения любого из изотопов водорода) ионизируются, полученные ионы ускоряются в ионно-оптической системе и бомбардируют нейтроногенерирующую мишень. В нейтроногенерирующей мишени, представляющей собой слой насыщенного водородом металла, ускоренные ионы могут вступать в ядерную реакцию D+T=n+4Hе, в результате чего образуется поток высокоэнергетичных (14 МэВ) нейтронов. Модуляция ионного тока в ионном источнике позволяет получать импульсы нейтронного излучения, необходимые для применения нейтронных генераторов.

Известны конструкции нейтроногенерирующих трубок (например [Бессарабский Ю.Г., Боголюбов Е.П., Курдюмов И.Г. и др. "Управляемый скважинный излучатель нейтронов". Атомная энергия, т.77, в.3, 1994, с.226, и патент РФ 1590019, кл. G21G 4/02, 1993], нейтронная трубка ZETATRON [L.Shope et al. Operation and Life of the Zetatron: A Small Neutron Generator for Borehole Logging // IEEE Transactions on Nuclear Science, v.28, i 2, pp.1696-1699]), в которых для получения ионов используются источники Пеннинга, то есть источники с осцилляцией электронов в магнитном поле. Такие источники имеют ряд недостатков, а именно высокое рабочее напряжение, нестабильность режимов разряда, необходимость использования массивного магнита, большое время фронта и спада импульса нейтронного излучения.

Известна конструкция нейтроногенерирующей трубки [F.Chen, A.Liberman Neutron Generator, патент США 5293410, 8 марта 1994 г.], в которой для получения ионов применен ионный источник с горячим катодом и осцилляцией электронов в электростатическом поле полого анода, лишенная приведенных выше недостатков конструкций нейтроногенерирующих трубок с источниками Пеннинга. В то же время как ионные источники Пеннинга, так и ионный источник с электростатической осцилляцией электронов обладают существенным недостатком - малой (около 6%) долей одноатомных ионов водорода в генерируемом ионном источником потоке ионов.

Поток ионов из ионного источника содержит одноатомную (Н+, двухатомную (Н2+) и трехатомную (Н3+) компоненты. Основная доля ионного тока переносится ионами Н2+. Ускорение двухатомных ионов Н2+ приводит к бомбардировке мишени двумя ядрами изотопа водорода, имеющими энергию e·U/2, где U - ускоряющее напряжение, е - заряд электрона.

Из-за конструктивных ограничений, связанных с малыми габаритами и сложностью обеспечения высоковольтной изоляции, малогабаритные генераторы нейтронов работают при ускоряющих напряжениях не более 100 кВ. В этом диапазоне энергий сечение ядерной реакции 3H(d, n) 4Не и, соответственно, нейтронный выход резко зависят от энергии иона, бомбардирующего мишень, поэтому присутствие двухатомных ионов в ионном пучке приводит к снижению нейтронного выхода по сравнению с пучком одноатомных ионов. Так, при бомбардировке насыщенной дейтерием титановой мишени пучками одноатомных и двухатомных ионов трития с энергией 80 кэВ при равном токе пучка нейтронный выход для пучка одноатомных ионов в пять раз превосходит выход от пучка двухатомных ионов. Поэтому увеличение доли одноатомных ионов в ионном пучке приведет к улучшению эксплуатационных характеристик нейтроногенерирующей трубки.

Известны конструкции генераторов нейтронов [А.В.Андреев, И.Я.Барит, О.М.Варич и др. Ускоритель ионов на 400 кВ для элементного анализа вещества // Атомная энергия, 1989, т.66, вып.2, с.134; J.Farrrel Beam splitting to improve target lifetime in neutron generator. Патент США 3968377], в которых для сепарации одноатомных ионов используется магнитное поле, перпендикулярное направлению движения ионов, или скрещенное электрическое и магнитное поле. Такой метод сепарации имеет следующие недостатки:

1. Применение магнитов увеличивает массу и габариты генератора нейтронов.

2. При использовании постоянных магнитов рабочий температурный диапазон ограничивается температурой размагничивания (точкой Кюри) магнитов.

3. Сепарация происходит после ускорения ионов, так что этот метод не приводит к снижению полного ионного тока.

В результате такой метод сепарации одноатомных ионов находит применение только в крупногабаритных стационарных генераторах нейтронов и не применяется в малогабаритных нейтронных трубках.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототипом) является конструкция нейтроногенерирующей трубки, предложенная в [F.Chen, A.Liberman Neutron Generator, патент США 5293410, опубл. 8.03.1994 г.]. Задачей, на которую направлено заявляемое изобретение, является увеличение доли одноатомных ионов, генерируемых ионным источником нейтроногенерирующей трубки. Данная задача решается за счет использования отличия в начальных кинетических энергиях одно- и двухатомных ионов водорода для их сепарации путем создания запирающего электростатического потенциала от +1 до +8 В между зоной генерации ионов и зоной ускорения. Для создания такого потенциала между полым анодом и экстрактором ионного источника может быть установлен дополнительный электрод - сепаратор, имеющий напряжение от +1 до +8 В относительно анода, предотвращающий выход двухатомных ионов водорода из полого анода в ускоряющий зазор нейтроногенерирующей трубки. В другом варианте конструкции внутри полого анода на оси нейтроногенерирующей трубки может быть установлен дополнительный электрод-коллектор, имеющий напряжение от -10 до -20 В относительно полого анода, притягивающий и поглощающий двухатомные ионы водорода, образующиеся внутри полого анода, и тем самым препятствующий их выходу в ускоряющий зазор нейтроногенерирующей трубки. Для увеличения эффективности ионного источника между полым анодом и корпусом нейтроногенерирующей трубки может быть расположен дополнительный электрод-отражатель, препятствующий выходу ионов из полого анода.

Техническим результатом изобретения является увеличение доли одноатомных ионов, генерируемых ионным источником нейтроногенерирующей трубки. В качестве примера рассмотрим нейтроногенерирующую трубку, работающую при ускоряющем напряжении 80 кВ и имеющую нейтронный выход 108 нейтронов/с. В трубке-прототипе с долей одноатомных ионов 6% для получения требуемого нейтронного выхода ионный ток должен составлять 15 мкА. Увеличение доли одноатомных ионов до 100%, достигаемое с помощью применения предлагаемого способа, позволяет уменьшить ток ионов в 4,5 раза (до 3,3 мкА) или при постоянном токе ионов уменьшить рабочее напряжение с 80 до 52 кВ.

Уменьшение ионного тока приводит к уменьшению энергопотребления нейтронного генератора, а также увеличению срока службы трубки (срок службы в значительной степени определяется процессами распыления мишени и накопления в ней радиационных дефектов и прямо пропорционален рабочему току ионов). Уменьшение рабочего напряжения позволяет существенно упростить конструкцию нейтронного генератора, увеличить надежность и уменьшить вероятность пробоев. Исходя из этого увеличение доли одноатомных ионов в ионном пучке нейтронной трубки позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики нейтроногенерирующей трубки.

Предлагаемый способ сепарации одноатомных ионов основан на следующих физических принципах. В источнике ионов с осциллирующими электронами ионы образуются за счет столкновений молекул изотопа водорода с ускоренными до анодного напряжения (200 эВ) электронами. Основными процессами, приводящими к образованию ионов, являются диссоциативная ионизация, приводящая к образованию одноатомного иона,

и ионизация с образованием двухатомного иона

Относительная доля одноатомных (Н+) и двухатомных (H2+) ионов определяется отношением сечений процессов (1) и (2). По данным баз данных атомных процессов [R.K.Janev, W.D.Langer, К.Evans and D.E.Post, Elementary Processes in Hydrogen-Helium Plasmas, Springer Series on Atoms and Plasmas, Springer-Verlag 1987] максимальное отношение этих сечений, достигаемое при энергии электронов 200 эВ, составляет 1/15, что определяет долю одноатомных ионов в ионном пучке около 6%.

Предлагаемый метод сепарации основан на том, что одноатомные и двухатомные ионы имеют различную начальную энергию. Начальная кинетическая энергия двухатомного иона, образующегося в процессе (1), определяется законом сохранения импульса при столкновении с электроном и не может превосходить

где Ее - энергия электрона, J - потенциал ионизации молекулы H2, me, mH2 - массы электрона и молекулы изотопа водорода.

В случае диссоциативной ионизации (процесс 2) закон сохранения импульса не ограничивает энергию ионов (поскольку вылетают сразу два массивные частицы - H+ и Н0). Диссоциативную ионизацию можно представить как ионизацию молекулы H2 с переходом в возбужденное неустойчивое состояние. Энергия этого состояния определяет кинетическую энергию образующихся ионов.

Согласно результатам расчетов и измерений, приведенных в [.L.J.Kieffer and G.H.Dunn Dissociative lonization of H2 and D2 // Phys.Rev., v.158, n.1, p.61, 1967], образующиеся при диссоциативной ионизации ионы имеют энергии от 4 до 12 эВ. Таким образом, начальная энергия двухатомных ионов равна от 0 до 0,1 эВ, а начальная энергия одноатомных ионов от 4 до 12 эВ. Суть изобретения состоит в использовании различия в начальных энергиях одноатомных и двухатомных ионов для получения в нейтронной трубке пучка ионов с преимущественным содержанием одноатомных ионов. Для этого предлагается с помощью дополнительных электродов сформировать между зоной генерации ионов и зоной ускорения электростатический запирающий потенциал от +1 до +8 В. Одноатомные ионы, имеющие энергию выше запирающего потенциала, будут проходить из зоны генерации ионов в зону ускорения, а низкоэнергетические двухатомные ионы будут отражаться от потенциального барьера и возвращаться в зону генерации ионов.

Возможная конструкция нейтроногенерирующей трубки, в которой реализован предложенный метод сепарации ионов по массам, показана на Фиг.1. Общая схема трубки, назначение и конструкция основных узлов (за исключением ионного источника) идентичны предложенным в прототипе изобретения. Ионный источник трубки имеет следующую конструкцию. Термоэмиссионный катод 1 и корпус 3 находятся под нулевым потенциалом. Конфигурация электрических полей в трубке электродами трубки - полым анодом 2, сетчатыми сепаратором 7 и экстрактором 4, супрессором 5 и мишенью 6. Взаимное расположение электродов показано на Фиг.1.

На полый анод подано напряжение от +100 до +300 В. Сепаратор имеет потенциал от +1 до +8 В относительно потенциала анода, экстрактор - от -50 до -100 В относительно анода. На супрессор подается напряжение от -60 до -100 кВ, мишень имеет потенциал от +300 до +1000 В относительно супрессора.

Испускаемые катодом электроны ускоряются в зазоре катод - полый анод до энергии, равной потенциалу полого анода, и осциллируют во внутреннем объеме анода, производя ионизацию рабочего газа. Внутреннее пространство полого анода является зоной генерации ионов. Образующиеся в полом аноде ионы выходят в пространство между экстрактором и супрессором и ускоряются приложенным к супрессору высоким напряжением. Пространство между экстрактором 4 и супрессором 5 является зоной ускорения. Расположенный между торцом полого анода и экстрактором сепаратор создает потенциальный барьер, препятствующий выходу ионов из зоны генерации. При этом одноатомные ионы, имеющие энергию, большую, чем разность потенциалов между анодом и сепаратором, свободно проходят через сепаратор и попадают в зону ускорения, образованную экстрактором и супрессором, и затем бомбардируют нейтроногенерирующую мишень. Двухатомные ионы с энергией, меньшей, чем разность потенциалов между анодом и сепаратором, не могут преодолеть созданного сепаратором потенциального барьера, поэтому отражаются от сепаратора, через боковую и заднюю торцевую стороны полого анода выходят из зоны генерации ионов, после чего гибнут на находящимися под нулевым потенциалом корпусе 3 и катоде 1.

Другой вариант конструкции показан на Фиг.2. Потенциалы корпуса, катода 1, полого анода 2, экстрактора 4, супрессора 5 и мишени 6 аналогичны конструкции, приведенной на фиг.1. В предлагаемой конструкции внутрь полого анода введен дополнительный электрод-коллектор 8, имеющий потенциал от -10 до -20 В относительно анода. Коллектор выполнен в виде тонкой металлической нити, так что поглощение быстрых электронов коллектором мало. Коллектор создает в зоне генерации ионов радиальное электрическое поле, притягивающее ионы. Потенциал коллектора подбирается таким образом, чтобы основная часть зоны генерации ионов имела потенциал от -0,1 до -4 эВ относительно анода. В этом случае медленные двухатомные ионы, образовавшиеся в зоне генерации ионов, притягиваются к коллектору и гибнут на нем. Фактически, внутри полого анода создается сепарирующий ионы электрический потенциал. Быстрые одноатомные ионы, имеющие энергию выше 4 эВ, свободно покидают зону генерации ионов и попадают в зону ускорения.

В приведенных схемах одноатомные ионы, первоначально двигающиеся в направлении боковой и задней торцевой стенок полого анода, выходят из зоны генерации ионов и гибнут на катоде и корпусе нейтронной трубки. Введение в схему дополнительного электрода-отражателя позволяет направить эти ионы в ускоряющий зазор и тем самым повысить эффективность ионного источника. Конструкция нейтроногенерирующей трубки с повышенной эффективностью показана на Фиг.3. Потенциалы корпуса, катода 1, полого анода 2, экстрактора 4, супрессора 5, мишени 6 и коллектора 8 аналогичны конструкции, приведенной на Фиг.2. В предлагаемой конструкции между полым анодом и корпусом нейтроногенерирующей трубки с боковой и задней торцевой стороны расположен дополнительный электрод-отражатель 9. Отражатель изготавливается из сетки с высокой прозрачностью, так что электроны свободно проходят через него. На отражатель подается напряжение от +20 до +50 В относительно полого анода. В этом случае одноатомные ионы с начальным направлением скорости, направленным в сторону боковой или задней торцевой поверхностей, после выхода из зоны генерации ионов отражаются от отражателя, возвращаются внутрь полого анода и после нескольких осцилляций попадают в зону ускорения. Таким образом может быть обеспечен полный сбор одноатомных ионов, образовавшихся в зоне генерации ионов.

1. Способ сепарации одноатомных ионов водорода в ионных источниках, отличающийся тем, что для сепарации используют отличие в начальных кинетических энергиях одно- и двухатомных ионов водорода путем создания запирающего электростатического потенциала от 1 до 8 В между зоной генерации ионов и зоной ускорения.

2. Нейтроногенерирующая трубка по способу п.1, содержащая термоэмиссионный катод, полый анод, экстрактор, супрессор и нейтроногенерирующую мишень, отличающаяся тем, что между полым анодом и экстрактором установлен дополнительный электрод-сепаратор, имеющий напряжение 1 до 8 В относительно анода.

3. Нейтроногенерирующая трубка по способу п.1, содержащая термоэмиссионный катод, полый анод, экстрактор, супрессор и нейтроногенерирующую мишень, отличающаяся тем, что внутри полого анода на оси нейтроногенерирующей трубки установлен дополнительный электрод-коллектор, имеющий напряжение от -10 до -20 В относительно полого анода.

4. Нейтроногенерирующая трубка по п.3, содержащая термоэмиссионный катод, полый анод, экстрактор, супрессор и нейтроногенерирующую мишень, отличающаяся тем, что между полым анодом и корпусом нейтроногенерирующей трубки расположен дополнительный электрод-отражатель.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к циклотронной технике и может быть использовано для инжекции заряженных частиц в циклотрон. .

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц по энергиям, например, на одной из стадий выделения изотопов из их естественной смеси.

Изобретение относится к технике генерации и излучения электромагнитных импульсов (ЭМИ) в атмосфере на различных высотах и может быть использовано при разработке соответствующих излучателей, использующих импульсные, наносекундной длительности (1...100 нс) источники --квантов.

Изобретение относится к методике разделения движущихся частиц, образующихся при расплавлении и конденсации веществ в пламени газовой горелки или в камере реактивной установки.

Изобретение относится к магнитной оптике, а более конкретно к системам транспоpтировки пучков заряженных частиц в каналах ускорителей и может быть использовано в диагностике твердого тела с помощью пучков заряженных частиц.

Изобретение относится к управлению пучками нейтральных молекул с целью их селекции по квантовым состояниям. .

Изобретение относится к средствам фокусировки пучков заряженных частиц в разрядных приборах с вводом объектов или материалов, подлежащих воздействию пучка с целью их исследования или обработки, в частности, в импульсных линейных ускорителях электронов.

Изобретение относится к циклотронной техникe. В заявленном способе аксиальной инжекции пучка частиц в компактный циклотрон со сверхвысоким магнитным полем предусмотрен поворот пучка электрическим полем в спиральном инфлекторе (2) из аксиального направления в системе аксиальной инжекции в медианную плоскость циклотрона. При этом инфлектор инжектирует частицы, движущиеся по траектории (3), создавая пространственное разделение по вертикали между их траекториями и инфраструктурой инфлектора. Таким образом, частица пучка может не огибать корпус инфлектора (1), двигаясь под ним. При этом вертикальные колебания частиц пучка, происходят симметрично относительно медианной плоскости ускорителя за счет того, что спиральный инфлектор расположен таким образом, что его пластины на выходе имеют несимметричное положение относительно медианной плоскости ускорителя. Конструкция инфлектора позволяет переводить частицы пучка плоскость циклотрона под определенным углом. Частица, имея достаточный угол с медианной плоскостью циклотрона, отклоняется по вертикали от нее на расстояние, достаточное для того, чтобы ее траектория находилась на разном уровне по вертикали с корпусом инфлектора. Техническим результатом является возможность осуществления аксиальной инжекции пучка в компактный циклотрон со сверхвысоким магнитным полем. 7 ил.
Наверх