RU209869U1

RU209869U1 - Pulse neutron generator

Info

Publication number: RU209869U1
Application number: RU2021134575U
Authority: RU
Inventors: Владимир Тимофеевич Бобылев; Сергей Иванович Брагин; Юрий Павлович Кузнецов; Дмитрий Игоревич Юрков
Priority date: 2021-11-26
Filing date: 2021-11-26
Publication date: 2022-03-23

Abstract

Полезная модель относится к импульсному нейтронному генератору. В герметичном корпусе устройства, залитом жидким диэлектриком, расположена нейтронная трубка, накопительный конденсатор, элементы питания ионного источника, дроссель и высоковольтный трансформатор с многорядной вторичной обмоткой с многослойной бумажно-пленочной изоляцией. Выход вторичной обмотки которого соединен с чашеобразным металлическим экраном и расположенной в нем мишенью вакуумной нейтронной трубкой. Причем вакуумно-герметичный корпус нейтронной трубки выполнен в виде цилиндра из керамического материала с объемным электрическим сопротивлением, величина которого определяется сопротивлением нагрузки. Цилиндр вакуумно-герметично присоединен с одной стороны к анодному электроду ионного источника, а с другой стороны - к мишенному электроду нейтронной трубки, и имеет с ними электрический и тепловой контакт. Техническим результатом является повышение срока службы генератора при минимальных габаритах. 1 ил.The utility model relates to a pulsed neutron generator. The hermetic case of the device, filled with a liquid dielectric, contains a neutron tube, a storage capacitor, batteries for the ion source, a choke, and a high-voltage transformer with a multi-row secondary winding with multilayer paper-film insulation. The output of the secondary winding of which is connected to a cup-shaped metal screen and a target located in it by a vacuum neutron tube. Moreover, the vacuum-tight housing of the neutron tube is made in the form of a cylinder of ceramic material with volumetric electrical resistance, the value of which is determined by the load resistance. The cylinder is vacuum-hermetically attached on one side to the anode electrode of the ion source, and on the other side to the target electrode of the neutron tube, and has electrical and thermal contact with them. The technical result is to increase the service life of the generator with minimal dimensions. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначена для использования при разработке нейтронных и рентгеновских генераторов.The utility model relates to the field of physical instrumentation, in particular to sources of neutron radiation, and is intended for use in the development of neutron and x-ray generators.

Известен генератор нейтронов, содержащий нейтронную трубку и высоковольтный источник напряжения питания, выполненный на накопительном конденсаторе, включённом между высоковольтным источником питания и первичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора (в случае биполярного питания нейтронной трубки – между первичными обмотками высоковольтных импульсных трансформаторов). Геофизическая аппаратура. Недра, вып. 43, 1970, с.132-146. Однако этот генератор нейтронов имеет большие габариты и малый ресурс работы.A neutron generator is known, containing a neutron tube and a high-voltage supply voltage source, made on a storage capacitor connected between the high-voltage power supply and the primary winding of a high-voltage pulse transformer (in the case of a bipolar neutron tube power supply, between the primary windings of high-voltage pulse transformers). Geophysical equipment. Nedra, vol. 43, 1970, pp. 132-146. However, this neutron generator has large dimensions and a short service life.

Известен импульсный нейтронный генератор, содержащий размещенные коаксиально в общем корпусе нейтронную трубку, накопительный конденсатор и высоковольтный трансформатор с многорядной вторичной обмоткой, выполненной на диэлектрическом каркасе в виде полого цилиндра из феррита с металлическим дном, с межрядной изоляцией, выступающей за пределы рядов и уложенной послойно на металлическое дно каркаса, электрически соединенное с концом вторичной обмотки трансформатора и с мишенной частью нейтронной трубки. Авторское свидетельство СССР № 1158023, МПК Н05Н 5/00, 30.04.1994.A pulsed neutron generator is known, comprising a neutron tube, a storage capacitor and a high-voltage transformer with a multi-row secondary winding placed coaxially in a common housing, made on a dielectric frame in the form of a hollow cylinder of ferrite with a metal bottom, with inter-row insulation protruding beyond the rows and laid in layers on the metal bottom of the frame, electrically connected to the end of the secondary winding of the transformer and to the target part of the neutron tube. Author's certificate of the USSR No. 1158023, IPC H05N 5/00, 04/30/1994.

При коаксиальном расположении нейтронной трубки и высоковольтного трансформатора магнитное поле внутри диэлектрического каркаса отрицательно влияет на работу нейтронной трубки, а именно приводит к увеличению числа разрядов внутри нейтронной трубки и уменьшению интегрального выхода нейтронов.With a coaxial arrangement of the neutron tube and high-voltage transformer, the magnetic field inside the dielectric frame adversely affects the operation of the neutron tube, namely, it leads to an increase in the number of discharges inside the neutron tube and a decrease in the integral yield of neutrons.

Кроме того, такое взаимное расположение обмоток трансформатора и корпуса отрицательно влияет на КПД высоковольтного трансформатора, так как корпус образует «короткозамкнутый виток» по отношению к обмоткам.In addition, such a mutual arrangement of the transformer windings and the housing negatively affects the efficiency of the high-voltage transformer, since the housing forms a "short-circuited coil" in relation to the windings.

Для уменьшения влияния корпуса на параметры высоковольтного трансформатора между ними установлены экраны из ферромагнитного материала достаточно большой толщины.To reduce the influence of the housing on the parameters of the high-voltage transformer, screens made of ferromagnetic material of a sufficiently large thickness are installed between them.

При длительной работе генератора и выработке ресурса иногда происходит несрабатывание источника ионов нейтронной трубки. Сопротивление нейтронной трубки в таком режиме составляет сотни МОм, при этом возникает режим «холостого хода» высоковольтного трансформатора, а напряжение на его вторичной обмотке достигает величины от 200 до 220 кВ.During long-term operation of the generator and the development of the resource, the ion source of the neutron tube sometimes fails to operate. The resistance of the neutron tube in this mode is hundreds of megohms, and in this case, the “idle run” mode of the high-voltage transformer occurs, and the voltage on its secondary winding reaches a value from 200 to 220 kV.

Для исключения электрического пробоя необходимо усиливать изоляцию, что увеличивает габаритно-массовые характеристики генератора.To exclude electrical breakdown, it is necessary to strengthen the insulation, which increases the overall weight characteristics of the generator.

Известен также импульсный нейтронный генератор, содержащий размещенные в металлическом корпусе, залитом жидким диэлектриком, вакуумную нейтронную трубку со схемой питания ионного источника и схемой формирования импульса ускоряющего напряжения, включающей накопительный конденсатор, дроссель, нагрузочное сопротивление, высоковольтный трансформатор с многорядной вторичной обмоткой, выполненной на замкнутом магнитопроводе, выход которой соединен с чашеобразным экраном и расположенной в нем вакуумной нейтронной трубкой. Патент РФ № 174178, МПК H05Н 3/06, 05.10.2017. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.A pulse neutron generator is also known, containing placed in a metal case filled with a liquid dielectric, a vacuum neutron tube with an ion source power supply circuit and an accelerating voltage pulse generation circuit, including a storage capacitor, a choke, a load resistance, a high-voltage transformer with a multi-row secondary winding made on a closed circuit. magnetic circuit, the output of which is connected to a bowl-shaped screen and a vacuum neutron tube located in it. RF patent No. 174178, IPC H05N 3/06, 10/05/2017. This technical solution is taken as a prototype.

В известном генераторе эффект «короткозамкнутого витка» устранен за счет перпендикулярного расположения продольных осей обмоток высоковольтного трансформатора и корпуса. КПД трансформатора повышен за счет замкнутого магнитопровода из электротехнической стали.In the well-known generator, the effect of a "short-circuited coil" is eliminated due to the perpendicular arrangement of the longitudinal axes of the windings of the high-voltage transformer and the housing. The efficiency of the transformer is increased due to a closed magnetic circuit made of electrical steel.

Для исключения режима «холостого хода» высоковольтного трансформатора, при несрабатывании нейтронной трубки в прототипе использована дополнительная высоковольтная обмотка, намотанная на одном из стержней высоковольтного трансформатора, выполняющая роль нагрузочного сопротивления. Однако в известном генераторе нагрузочное сопротивление намотаны проводом ПЭВНХ и являются самостоятельными конструктивными элементами, для размещения которых требуется дополнительный объем, увеличивающий размеры и вес нейтронного генератора.To exclude the "idle" mode of the high-voltage transformer, if the neutron tube fails, the prototype uses an additional high-voltage winding wound on one of the rods of the high-voltage transformer, which acts as a load resistance. However, in the known generator, the load resistances are wound with PEVNKh wire and are independent structural elements, the placement of which requires additional volume, which increases the size and weight of the neutron generator.

В генераторе используется вакуумная нейтронная трубка, содержащая размещенные в герметичном запаянном стеклянном корпусе мишенный узел и управляемый 3-электродный ионный источник, который состоит из кольцевого анода, катода и поджигающего электрода.The generator uses a vacuum neutron tube containing a target assembly placed in a hermetically sealed glass case and a controlled 3-electrode ion source, which consists of an annular anode, a cathode, and an igniting electrode.

Техническим результатом полезной модели является уменьшение размеров и веса, повышение надежности работы импульсного нейтронного генератора.The technical result of the utility model is to reduce the size and weight, increase the reliability of the pulsed neutron generator.

Технический результат достигается тем, что в импульсном нейтронном генераторе, содержащем размещенные в герметичном корпусе, залитом жидким диэлектриком, вакуумную нейтронную трубку со схемой питания ионного источника и схемой формирования импульса ускоряющего напряжения, включающей накопительный конденсатор, нагрузочное сопротивление, дроссель и высоковольтный трансформатор с многорядной вторичной обмоткой с многослойной бумажно-пленочной изоляцией, выход вторичной обмотки которого соединен с чашеобразным металлическим экраном и расположенной в нем мишенным электродом нейтронной трубкой, вакуумно-герметичный корпус нейтронной трубки выполнен в виде цилиндра из керамического материала с объемным электрическим сопротивлением, величина которого определяется сопротивлением нагрузки, вакуумно-герметично присоединенного с одной стороны к анодному электроду ионного источника, а с другой стороны – к мишенному электроду нейтронной трубки, и имеет с ними электрический и тепловой контакт.The technical result is achieved by the fact that in a pulsed neutron generator containing placed in a sealed housing filled with a liquid dielectric, a vacuum neutron tube with an ion source power supply circuit and an accelerating voltage pulse formation circuit, including a storage capacitor, a load resistance, a choke and a high-voltage transformer with a multi-row secondary a winding with multilayer paper-film insulation, the output of the secondary winding of which is connected to a bowl-shaped metal screen and a neutron tube located in it with a target electrode, the vacuum-tight casing of the neutron tube is made in the form of a cylinder of ceramic material with volumetric electrical resistance, the value of which is determined by the load resistance, vacuum-hermetically attached on one side to the anode electrode of the ion source, and on the other side to the target electrode of the neutron tube, and has electrical and thermal contact with them.

Сущность полезной модели поясняется на чертеже, где:The essence of the utility model is illustrated in the drawing, where:

1 – металлический корпус;1 - metal case;

2 – нейтронная трубка;2 – neutron tube;

3 – накопительный конденсатор;3 - storage capacitor;

4 – элементы питания ионного источника;4 – batteries of the ion source;

5 – дроссель;5 - throttle;

6 – высоковольтный трансформатор;6 - high-voltage transformer;

7 – чашеобразный металлический экран;7 - bowl-shaped metal screen;

8 – мишенный электрод нейтронной трубки;8 – target electrode of the neutron tube;

9 – полый керамический цилиндр- корпус нейтронной трубки;9 – hollow ceramic cylinder - neutron tube body;

10 – анодный электрод нейтронной трубки;10 – anode electrode of the neutron tube;

11 – мишень нейтронной трубки;11 – neutron tube target;

12 – крышка генератора;12 – generator cover;

13 – температурный компенсатор;13 - temperature compensator;

14 – герметичный проходной изолятор.14 - sealed bushing.

Генератор выполнен по схеме включения нейтронной трубки с заземленным источником ионов.The generator is made according to the scheme of switching on a neutron tube with a grounded ion source.

Генератор размещен в герметичном металлическом корпусе 1, залитом жидким диэлектриком, внутри которого установлена нейтронная трубка 2, с накопительным конденсатором 3 и элементами питания ионного источника 4, зарядный дроссель 5.The generator is placed in a sealed metal case 1 filled with a liquid dielectric, inside which a neutron tube 2 is installed, with a storage capacitor 3 and batteries for the ion source 4, charging choke 5.

На сердечнике трансформатора 6 симметрично относительно его торцов расположена первичная обмотка, а поверх первичной – вторичная многорядная обмотка, намотанные проводом ПЭВ с многослойной бумажно-пленочной изоляцией. Конец вторичной многорядной обмотки К2 соединен с чашеобразным металлическим экраном 7 и мишенным электродом 8 нейтронной трубки 2.On the core of the transformer 6, the primary winding is located symmetrically with respect to its ends, and on top of the primary is the secondary multi-row winding, wound with PEV wire with multilayer paper-film insulation. The end of the secondary multi-row winding K2 is connected to the cup-shaped metal screen 7 and the target electrode 8 of the neutron tube 2.

Корпус нейтронной трубки представляет собой вакуумно-герметичный полый цилиндр 9, соединенный металлокерамическим спаем с одной стороны с мишенным электродом 8, а с другой – с анодным электродом 10 источника ионов, и имеет с ними электрический и тепловой контакт.The body of the neutron tube is a vacuum-tight hollow cylinder 9, connected by a ceramic-metal junction on one side with the target electrode 8, and on the other hand with the anode electrode 10 of the ion source, and has electrical and thermal contact with them.

Величина электрического сопротивления нейтронной трубки в момент срабатывания ее источника составляет от 10 до 15 кОм,The value of the electrical resistance of the neutron tube at the moment of operation of its source is from 10 to 15 kOhm,

Величина электрического сопротивления цилиндра – корпуса нейтронной трубки 9 выбрана из расчета от 25 до 30 кОм, то есть приблизительно в два раза больше, чем сопротивление нейтронной трубки при срабатывании ионного источника. Полый цилиндр выполнен из специального керамического материала с объемным электрическим сопротивлением, величина которого определяется сопротивлением нагрузки. Кроме того, полый цилиндр может быть изготовлен из керамического материала с необходимым сопротивлением различными способами, например, из полупроводниковой керамики или нанесением резистивного слоя. Для обеспечения электрической прочности генератор залит жидким диэлектриком. На крышке генератора 12 установлен температурный компенсатор 13 и высоковольтный герметичный проходной изолятор 14.The value of the electrical resistance of the cylinder - the body of the neutron tube 9 is selected from the calculation of 25 to 30 kOhm, that is, approximately twice as much as the resistance of the neutron tube when the ion source is triggered. The hollow cylinder is made of a special ceramic material with volumetric electrical resistance, the value of which is determined by the load resistance. In addition, the hollow cylinder can be made of a ceramic material with the desired resistance in various ways, such as semiconductor ceramics or by applying a resistive layer. To ensure electrical strength, the generator is filled with a liquid dielectric. A temperature compensator 13 and a high-voltage sealed bushing 14 are installed on the cover of the generator 12.

В качестве жидкого диэлектрика в генераторе использовано трансформаторное масло.Transformer oil is used as a liquid dielectric in the generator.

Генератор работает следующим образом.The generator works as follows.

При подаче импульса запуска на управляющий электрод коммутатора (на чертеже не показан) происходит разряд накопительного конденсатора 3 на первичную обмотку импульсного высоковольтного трансформатора 6.When a trigger pulse is applied to the control electrode of the switch (not shown in the drawing), the storage capacitor 3 is discharged to the primary winding of the high-voltage pulse transformer 6.

На вторичной обмотке трансформатора формируется импульс напряжения положительной полярности амплитудой от 100 до 120 кВ и передается через чашеобразный металлический экран 7 на мишенный электрод 8 нейтронной трубки 2. Одновременно ионный источник нейтронной трубки 2 производит ионы дейтерия, которые ускоряются в направлении мишени. При бомбардировке мишени 11 нейтронной трубки 2 ионами дейтерия в результате ядерной реакции T(d, n) Не4 образуются нейтроны.On the secondary winding of the transformer, a voltage pulse of positive polarity with an amplitude of 100 to 120 kV is formed and transmitted through a cup-shaped metal screen 7 to the target electrode 8 of the neutron tube 2. At the same time, the ion source of the neutron tube 2 produces deuterium ions, which are accelerated towards the target. When the target 11 of the neutron tube 2 is bombarded with deuterium ions, neutrons are formed as a result of the nuclear reaction T(d, n) He4.

При работе генератора в штатном режиме электрическое сопротивление цилиндра – корпуса нейтронной трубки 9 не оказывает влияния на формирование ускоряющего напряжения, так как вторичная обмотка имеет на порядок меньшее сопротивление. При работе генератора в то время, когда источник ионов нейтронной трубки не срабатывает, режим «холостого хода» высоковольтного трансформатора не происходит, так как вторичная обмотка подключена к параллельному электрическому сопротивлению цилиндра 9, т.е. к нагрузке величиной от 25 до 30 кОм, что приводит к стабилизации напряжения на вторичной обмотке высоковольтного трансформатора, стабилизации нейтронного выхода и увеличению срока службы генератора.When the generator is operating in the normal mode, the electrical resistance of the cylinder - the body of the neutron tube 9 does not affect the formation of the accelerating voltage, since the secondary winding has an order of magnitude lower resistance. When the generator is operating at a time when the ion source of the neutron tube does not operate, the “idle” mode of the high-voltage transformer does not occur, since the secondary winding is connected to the parallel electrical resistance of the cylinder 9, i.e. to a load of 25 to 30 kΩ, which leads to voltage stabilization on the secondary winding of the high-voltage transformer, stabilization of the neutron output and an increase in the service life of the generator.

Благодаря такому техническому решению, электрическое сопротивление полого керамического цилиндра - корпуса нейтронной трубки 9 выполняет функцию нагрузочного сопротивления при несрабатывании ионного источника нейтронной трубки.Thanks to this technical solution, the electrical resistance of the hollow ceramic cylinder - the body of the neutron tube 9 performs the function of a load resistance when the ion source of the neutron tube fails.

Таким образом, техническим результатом полезной модели является уменьшение габаритов, веса нейтронного генератора из-за отсутствия нагрузочного сопротивления как самостоятельного конструктивного элемента, функцию которого выполняет цилиндр 9 – корпус нейтронной трубки, выполненный из керамического материала с необходимым объемным электрическим сопротивлением. При этом образовавшийся свободный объем, который в прототипе занимали каркас с сопротивлением смещения и сердечник с нагрузочным сопротивлением, может быть использован для уменьшения габаритов, веса нейтронного генератора.Thus, the technical result of the utility model is to reduce the dimensions and weight of the neutron generator due to the lack of load resistance as an independent structural element, the function of which is performed by cylinder 9 - the neutron tube body, made of ceramic material with the necessary volumetric electrical resistance. In this case, the resulting free volume, which in the prototype was occupied by a frame with a bias resistance and a core with a load resistance, can be used to reduce the size and weight of the neutron generator.

Кроме того, надежность работы предложенного генератора выше, чем у прототипа, поскольку уменьшилось число контактируемых элементов электрической схемы.In addition, the reliability of the proposed generator is higher than that of the prototype, since the number of contacted elements of the electrical circuit has decreased.

Claims

A pulsed neutron generator containing, placed in a sealed housing filled with a liquid dielectric, a vacuum neutron tube with an ion source power supply circuit and an accelerating voltage pulse generation circuit, including a storage capacitor, a load resistance, a choke and a high-voltage transformer with a multi-row secondary winding with multilayer paper-film insulation , the output of the secondary winding of which is connected to a bowl-shaped metal screen and a neutron tube located in it by a target electrode, characterized in that the vacuum-tight body of the neutron tube is made in the form of a cylinder of ceramic material with volumetric electrical resistance, the value of which is determined by the load resistance, vacuum-tight connected on one side to the anode electrode of the ion source, and on the other side to the target electrode of the neutron tube, and has electrical and thermal contact with them.