RU2242098C2

RU2242098C2 - Vacuum neutron tube

Info

Publication number: RU2242098C2
Application number: RU2002123511/06A
Authority: RU
Inventors: Н.Н. Щитов (RU); Н.Н. Щитов; Д.Ю. Анискин (RU); Д.Ю. Анискин; Е.А. Сотска (RU); Е.А. Сотская; Ю.Г. Бессарабский (RU); Ю.Г. Бессарабский
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-12-10

Abstract

FIELD: neutron engineering; fast neutron generating devices (neutron generators).

SUBSTANCE: proposed vacuum neutron tube has sealed off case 6, ion source and target 4 disposed along case. Field-emission ion source is made in the form of vacuum diode. Ion source has multipoint anode 2 and cathode 1 spaced apart through ≤1 m symmetrically to points of multipoint anode. Anode and cathode are coated with titanium film with occluded deuterium. This perforated cathode is placed at floating potential. Through holes of cathode are coaxial to points of multipoint anode. Magnetostatic field is applied to anode-to-target gap, its lines of force being parallel to ion motion path.

EFFECT: enhanced neutron yield and service life of tube.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к нейтронной технике, в частности к устройствам для генерации потоков быстрых нейтронов, а именно к нейтронным генераторам.The invention relates to neutron technology, in particular to devices for generating streams of fast neutrons, and in particular to neutron generators.

Известна вакуумная нейтронная трубка (см., например, авт. св. СССР №600939, кл. Н 05 Н 3/06, 76 г.), состоящая из трех основных частей: вакуумно-герметичной оболочки со средствами поддержания вакуума во время ее работы, искродугового источника ионов и нейтронообразующей мишени. Известная трубка имеет невысокую стабильность и относительно небольшой ресурс работы, что обусловлено спецификой дугового пробоя, сопровождающегося значительной эрозией электродов, изменением химического состава остаточной атмосферы в трубке.Known vacuum neutron tube (see, for example, ed. St. USSR No. 600939, class N 05 N 3/06, 76), consisting of three main parts: a vacuum-tight shell with means of maintaining vacuum during its operation , an arc source of ions and a neutron-forming target. The known tube has low stability and a relatively short service life, which is due to the specifics of the arc breakdown, accompanied by significant erosion of the electrodes, a change in the chemical composition of the residual atmosphere in the tube.

Устранение этих недостатков возможно при использовании автоэмиссионных источников ионов.The elimination of these disadvantages is possible when using field emission sources of ions.

Принцип автоионной эмиссии для получения ионов используется, в частности, в проекторе Мюллера (см., например, Кельман В.М., Явор С.Я. Электронная оптика. - Л.: Наука, 1968), состоящем из анода в виде тонкого металлического острия, кольцевого катода и флюоресцирующего экрана. Радиус закругления конца острия очень мал (меньше микрона), поэтому вблизи него создается сильное электрическое поле, вызывающее автоионную эмиссию.The principle of autoion emission for producing ions is used, in particular, in the Mueller projector (see, for example, Kelman V.M., Yavor S.Ya. Electronic Optics. - L .: Nauka, 1968), consisting of an anode in the form of a thin metal tip, ring cathode and fluorescent screen. The radius of curvature of the tip end is very small (less than a micron), so a strong electric field is created near it, causing autoionic emission.

Наибольшее разрешение получается в ионном проекторе, в котором изображение создается при помощи ионов водорода, десорбирующих с поверхности катода.The highest resolution is obtained in the ion projector, in which the image is created using hydrogen ions desorbing from the surface of the cathode.

Известен источник ионов, в котором используется полевая эмиссия (см., например, Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. - М.: Энергоатомиздат, 1986), представляющий собой жидкометаллический эмиттер, обеспечивающий плотность ионного тока на уровне 10⁶ А/см² и выше.A known ion source that uses field emission (see, for example, Gabovich MD, Pleshivtsev N.V., Semashko N.N. Beams of ions and atoms for controlled thermonuclear fusion and technological purposes. - M.: Energoatomizdat, 1986), which is a liquid-metal emitter that provides an ion current density of 10 ⁶ A / cm ² and higher.

Поскольку одиночный эмиттер не обеспечивает необходимых высоких значений токов, возможно применение многоострийных автоэлектронных эмиттеров. К настоящему времени отработана технология изготовления многоострийных автоэлектронных эмиттеров (числом ≥10⁵ шт. на площади ≤1 см²), что обеспечивает стабильную и синхронную работу всех эмиттеров.Since a single emitter does not provide the necessary high currents, it is possible to use multi-edge autoelectronic emitters. To date, the manufacturing technology of multi-edge auto-emitter emitters (number ≥10 ⁵ pcs. On an area ≤1 cm ² ) has been developed, which ensures stable and synchronous operation of all emitters.

Предварительные оценки и расчеты доказывают реальность создания малогабаритного источника ионов на основе подобных структур, обеспечивающего генерацию импульсного ионного тока на уровне ≥1 А, необходимого для получения выхода нейтронов за импульс ≥10⁸.Preliminary estimates and calculations prove the reality of creating a small-sized ion source based on similar structures, which provides the generation of a pulsed ion current at a level of ≥1 A, which is necessary to obtain a neutron yield per pulse of ≥10 ⁸ .

За прототип выбрана вакуумная нейтронная трубка (см., например, авт. св. СССР №711916, кл. G 21 G 4/02, 79 г.), содержащая последовательно и соосно расположенные дуговой источник ионов, систему ускоряющих электродов и тритиевую мишень.For the prototype, a vacuum neutron tube was selected (see, for example, aut. St. USSR No. 711916, class G 21 G 4/02, 79), containing a sequentially and coaxially arranged arc ion source, a system of accelerating electrodes and a tritium target.

Известная трубка обладает рядом недостатков, таких как малый ресурс работы на фоне постоянного уменьшения нейтронного выхода, что обусловлено дуговым характером разряда, сопровождающегося эрозией электродов и разрушением поверхности катода.The known tube has several disadvantages, such as a small service life against the background of a constant decrease in the neutron yield, which is due to the arc nature of the discharge, accompanied by erosion of the electrodes and the destruction of the cathode surface.

Дуговой источник ионов предусматривает образование плазмы, из которой с помощью ионно-оптической системы извлекаются нужные компоненты. Между тем, ионный источник должен поставлять ионы с данной массой и зарядом, при этом другие компоненты в пучке нежелательны, т.к. они увеличивают нагрузку источников питания, ослабляют электрическую прочность ускорительной трубки.The arc ion source provides for the formation of a plasma from which the necessary components are extracted using an ion-optical system. Meanwhile, the ion source must supply ions with a given mass and charge, while other components in the beam are undesirable, because they increase the load of power sources, weaken the electric strength of the accelerating tube.

На устранение вышеупомянутых недостатков направлено предложенное изобретение.To address the aforementioned disadvantages the proposed invention is directed.

Для этого в вакуумной нейтронной трубке, содержащей отпаянный корпус, источник ионов и мишень, расположенные вдоль оси корпуса, источник ионов выполнен автоэмиссионным в виде вакуумного диода, состоящего из многоострийного анода и катода, расположенного на расстоянии ≤1 мм симметрично относительно острий многоострийного анода, при этом анод и катод покрыты пленкой титана с окклюдированным дейтерием, а катод находится под плавающим потенциалом и выполнен перфорированным, причем сквозные отверстия катода расположены соосно с остриями многоострийного анода, при этом к промежутку анод - мишень приложено постоянное магнитное поле параллельно направлению движения ионов.For this, in a vacuum neutron tube containing a sealed case, an ion source and a target located along the axis of the case, the ion source is made field-emission in the form of a vacuum diode consisting of a multi-tip anode and a cathode located at a distance of ≤1 mm symmetrically with respect to the tips of the multi-tip anode, at In this case, the anode and cathode are coated with a titanium film with occluded deuterium, and the cathode is at a floating potential and made perforated, and the through holes of the cathode are aligned with the tips of m edge anode, while a constant magnetic field is applied to the anode - target gap parallel to the direction of ion motion.

Перфорированный катод при таком расположении выполняет три функции: служит источником ионов, играет роль ионизатора испаряющихся нейтралов, служит эмиттирующим электродом для ионной составляющей.The perforated cathode with this arrangement performs three functions: serves as a source of ions, plays the role of an ionizer of evaporating neutrals, serves as an emitting electrode for the ionic component.

При этом устраняются недостатки существующих нейтронных трубок с искродуговым источником ионов.This eliminates the disadvantages of existing neutron tubes with a spark source of ions.

На чертеже представлен общий вид вакуумной нейтронной трубки.The drawing shows a General view of a vacuum neutron tube.

Вакуумная нейтронная трубка содержит перфорированный катод 1, многоострийный анод 2, изолирующие прокладки 3, мишень 4, газопоглотители 5 и отпаянный корпус 6.The vacuum neutron tube contains a perforated cathode 1, multi-tip anode 2, insulating spacers 3, target 4, getter 5 and a sealed case 6.

Многоострийный анод 2 изолирован посредством изолирующих прокладок 3, выполненных в виде керамических вставок, от перфорированного катода 1. Мишень 4 покрыта слоем титана и насыщена дейтерием.The multi-pointed anode 2 is isolated by means of insulating spacers 3 made in the form of ceramic inserts from the perforated cathode 1. Target 4 is coated with a layer of titanium and saturated with deuterium.

Работает вакуумная нейтронная трубка следующим образом.A vacuum neutron tube operates as follows.

Под действием приложенного напряжения происходит эмиссия окклюдированного дейтерия с острий анода 2. В промежутке анод - катод происходит частичное ускорение дейтронов, которые, пролетая сквозь отверстия в перфорированном катоде 1, получают дополнительное ускорение в основном ускоряющем промежутке анод - мишень. Достигнув поверхности мишени 4, насыщенной тритием, дейтроны вступают с ним в реакцию, в результате которой происходит образование нейтронов.Under the action of the applied voltage, occluded deuterium is emitted from the tips of the anode 2. In the anode-cathode gap, partial deuterons accelerate, which, flying through the holes in the perforated cathode 1, receive additional acceleration in the main accelerating gap of the anode-target. Having reached the surface of target 4 saturated with tritium, deuterons react with it, resulting in the formation of neutrons.

При нахождении катода под плавающим потенциалом снижается электропотребление трубки и увеличивается КПД.When the cathode is under a floating potential, the power consumption of the tube decreases and the efficiency increases.

Приложенное к промежутку анод - мишень постоянное магнитное поле способствует упорядочению траекторий движения ионов, тем самым снижаются утечки зарядов на стенки трубки и на электроды.Applied to the gap between the anode and the target, a constant magnetic field contributes to the ordering of the ion motion paths, thereby reducing charge leakage to the tube walls and to the electrodes.

Claims

1. A vacuum neutron tube containing a sealed case, an ion source and a target located along the axis of the case, characterized in that the ion source is made field-emission in the form of a vacuum diode consisting of a multi-tip anode and a cathode located symmetrically relative to the multi-tip tips at a distance of ≤1 mm anode, while the anode and cathode are coated with a titanium film with occluded deuterium.

2. The vacuum neutron tube according to claim 1, characterized in that the cathode is at a floating potential.

3. The vacuum neutron tube according to claim 1, characterized in that the cathode is perforated, and the through holes of the cathode are aligned with the tips of the multi-point anode.

4. The vacuum neutron tube according to claim 1, characterized in that a constant magnetic field is applied to the gap of the target anode parallel to the direction of movement of the ions.