Способ изготовления газонаполненной нейтронной трубки

Изобретение относится к области ядерной физики, а именно к получению нейтронов в результате взаимодействия ускоренных ионов дейтерия с ядрами трития, в частности к области изготовления дейтерий-тритиевых газонаполненных нейтронных трубок, которые предназначены для генерации потоков нейтронов. Техническим результатом является повышение нейтронного потока, повышение надежности и ресурса работы газонаполненных нейтронных трубок. Технический результат достигается тем, что мишень газонаполненной нейтронной трубки предварительно насыщают дейтерием до атомного отношения η не менее 1,6, где η - отношение атомов дейтерия к атомам пленки адсорбента, устанавливают мишень в трубку, а затем производят набивку мишени равносмешанным пучком ионов дейтерия и трития.

 

Изобретение относится к области ядерной физики, а именно к получению нейтронов в результате взаимодействия ускоренных ионов дейтерия с ядрами трития, в частности к области изготовления дейтерий-тритиевых газонаполненных нейтронных трубок, которые предназначены для генерации потоков нейтронов. Может использоваться в скважинной геофизической аппаратуре для каротажа нефтяных и газовых месторождений, а также в составе аппаратуры нейтронного активационного анализа.

Известен способ изготовления газонаполненной нейтронной трубки, предусматривающий бомбардирование нейтронно-образующей мишени ионами дейтерия и дополнительно бомбардирование ионами более тяжелого газа, например аргона, ксенона, одновременно или попеременно с бомбардированием ионами дейтерия.

Патент Российской Федерации №2052849, МПК G21G 4/02, 1996 г.

Известен способ изготовления мишени нейтронной трубки, предназначенный для использования в скважинно-геофизической аппаратуре. Способ включает в себя напыление титановой пленки на мишень внутри газонаполненной нейтронной трубки. Напыление производится на металлической основе мишени, которая нагрета до 500-650°С. Обеспечивается повышение термостойкости мишени. Патент Российской Федерации №2222064, МПК G21G 4/02, 2004 г.

Известен способ изготовления газонаполненной нейтронной трубки, в котором металл наносится на мишень во время перерывов в работе генератора, насыщая ее дейтерием и тритием из газа, находящегося в объеме газонаполненной нейтронной трубки. Напылитель активного к водороду металла на мишень содержит оправу, изготовленную из вакуумного диэлектрического материала, в которой выполнены пазы, где размещены электроды с возможностью возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной оси трубки электрода поджига. Подвижность электродов поджига позволяет с помощью сильфонов без нарушения вакуума изменять снаружи газонаполненной трубки зазор между ними и распыляемым электродом, добиваясь гарантированного пробоя зазора и образования дуги под воздействием напряжения электропитания распылителя. Очень сложная реализация. Патент Российской Федерации №2273118, МПК G21G 4/02, 2006 г.

Известен способ изготовления газонаполненной нейтронной трубки, в котором нейтроны получают бомбардировкой составной мишени в рабочем режиме генерации ионами дейтерия, ускоренными до энергии, при которой пробег ионов дейтерия в мишени больше суммарной толщины ее слоев. Непрерывно измеряют уровень нейтронного потока, при уменьшении потока ниже минимального уровня отключают подачу дейтерия в источник ионов, подают в него тритий и облучают мишень ионами трития при ускоряющем напряжении, равном 0,5+0,05 от уровня напряжения ускорения ионов дейтерия в рабочем режиме регенерации. Периодически выключают подачу трития в источник ионов, а генерацию нейтронов производят путем подачи в него дейтерия и измеряют уровень нейтронного потока до момента, пока приращение уровня нейтронного потока между двумя последовательными измерениями уменьшится до величины, равной ошибке измерения, после чего производят генерацию нейтронов в рабочем режиме.

Патент Российской Федерации №2287196, МПК G21G 4/02, 2006 г. Все приведенные выше аналоги имеют сложную технологию насыщения мишени газонаполненной нейтронной трубки дейтерием и тритием.

Известен способ изготовления газонаполненной нейтронной трубки, включающий напыление пленки адсорбента на металлическую основу мишени. Установку мишени в газонаполненную нейтронную трубку, сборку газонаполненной нейтронной трубки. Набивку мишени газонаполненной нейтронной трубки равносмешанным пучком ионов дейтерия и трития в составе газонаполненной нейтронной трубки, высоковольтную тренировку и набивку мишени газонаполненной нейтронной трубки ионами дейтерия и трития в пропорции 50% Д+50% Т при ускоряющем напряжении U_T около 90 кВ и токе через трубку 80 мкА.

Как правило, суммарное время высоковольтной тренировки и набивки мишени составляет 10-15 часов.

R.C.Campbell, Bull. Amer. Phys. Soc., 29, 1, 54 (1954); G.Philipp, Nucl. Instr. And Meth, 37, 313 (1965); К.Piebiger, Z.Naturforsch, 11А, 607 (1956); К.Piebiger, Z.Naturforsch, 9, 213 (1957).

Недостатком известных технических решений по изготовлению газонаполненной нейтронной трубки является то, что в процессе набивки мишени ионами дейтерия и трития в составе газонаполненной нейтронной трубки происходит отслоение скандиевой или титановой пленки от медной подложки за счет локального повышения концентрации дейтерия и трития в пленке.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом данного изобретения является повышение нейтронного потока, повышение надежности и ресурса работы газонаполненных нейтронных трубок.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления газонаполненной нейтронной трубки, включающем напыление пленки адсорбента на металлическую основу мишени, установку мишени в газонаполненную нейтронную трубку и набивку мишени равносмешанным пучком ионов дейтерия и трития, мишень предварительно насыщают дейтерием до атомного отношения η не менее 1,6, где η - отношение атомов дейтерия к атомам пленки адсорбента, устанавливают мишень в газонаполненную нейтронную трубку, а затем производят набивку мишени равносмешанным пучком ионов дейтерия и трития.

Процесс изготовления газонаполненной нейтронной трубки включает в себя насыщение дейтерием напиленной на медную подложку мишени тонкой 1-2 мкм скандиевой или титановой пленки до монтажа мишени в газонаполненную нейтронную трубку, а затем уже в составе газонаполненной нейтронной трубки набивку мишени 50%-ной смесью дейтерия и трития в процессе ее тренировки.

Операция насыщения мишени дейтерием до установки мишени в газонаполненную нейтронную трубку и ее набивка 50% смесью пучком ионов дейтерия и трития уже в составе газонаполненной нейтронной трубки обеспечивают повышение качества газонаполненной нейтронной трубки, увеличивают нейтронный выход и ресурс.

В нейтронных генераторах для использования в скважинной геофизической аппаратуре применяются как дейтерий-тритиевые, так и дейтерий-дейтериевые газонаполненные нейтронные трубки на равносмешанных пучках ионов дейтерия и трития.

Дейтерий-тритиевые газонаполненные нейтронные трубки, работающие на ядерной реакции T(d,n)He⁴, генерируют 14 МэВ нейтроны и имеют нейтронные потоки на уровне 10⁸ н/с.

Дейтерий-дейтериевые газонаполненные нейтронные трубки, работающие на ядерной реакции D(d,n)He³, генерируют 2,5 МэВ нейтроны и имеют нейтронные потоки на уровне 10⁶ н/с.

Известен способ изготовления нейтронных трубок, включающий напыление тонкого слоя (˜1 мкм) адсорбента водорода (скандия, титана и др.) на медную подложку мишени трубки; сборку трубки из готовых узлов и деталей; обработку трубки на откачном посту при давлении ˜10^-7 мм рт.ст. и температуре ˜400°С в течение 6-7 часов; насыщение генератора газа на откачном посту смесью дейтерия и трития в пропорции 50% дейтерия: 50% трития при температуре генератора газа ˜300°С; герметизацию трубки путем пережатия откачного штенгеля при давлении на откачном посту 10^-8 мм рт.ст.; высоковольтную тренировку трубки и набивку ее мишени ионами дейтерия и трития протекающим через трубку ионным током около 80 мкА при ускоряющем напряжении до 90 кВ.

Суммарное время высоковольтной тренировки трубки и набивки ионами ее мишени составляет, как правило, 10-15 часов и зависит от качества предыдущих операций по изготовлению трубки. R.C.Campbell, Bull. Amer. Phys. Soc., 29, 1, 54 (1954); G.Philipp, Nucl. Instr. And Meth, 37, 313 (1965), прототип.

Недостатком прототипа является то, что в процессе набивки мишени ионами дейтерия и трития в составе газонаполненной нейтронной трубки происходит неконтролируемое отслоение скандиевой (титановой) пленки от медной подложки за счет локального повышения концентрации дейтерия и трития в пленке.

Насыщение скандиевой (титановой) пленки на медной подложке мишени газонаполненной нейтронной трубки дейтерием в рассматриваемом способе проводится перед сборкой трубки в вакуумной установке при давлении остаточных газов около 10^-5 мм рт.ст. до толщины напыленного слоя 1-2 мкм.

В начальной стадии в вакуумной установке поддерживают давление не более 10^-5 мм рт.ст. Насыщение проводится при температуре 400-450°С и дальнейшем ее снижении в течение 15-20 минут. Количество дейтерия, подаваемого в вакуумную установку, составляет 10-20 порций газа на одну мишень.

Атомное отношение η - отношение количества атомов газа (дейтерия) в мишени к количеству атомов адсорбента (скандия или титана) должно быть не менее 1,6.

Меньшее атомное отношение η может привести структуру металла в напряженное состояние, при котором за счет наличия примесей происходят процессы, приводящие к отслоениям адсорбента - скандия или титана от медной подложки.

Атомное отношение η, большее, чем 1,6, достижимо при отсутствии примесей в адсорбенте. Чем выше атомное отношение η, тем выше срок службы мишени. В настоящее время технически достижимо получение атомного отношения η, равное значению 2,0. Длительность процесса получения готовых насыщенных мишеней составляет 7-8 часов.

После проведения насыщения мишени дейтерием проводят визуальную отбраковку мишеней по вздутию и отшелушиванию скандиевых или титановых пленок от медной подложки. Насыщенные дейтерием мишени с цельной поверхностью пленок в дальнейшем используют при сборке газонаполненных нейтронных трубок.

После сборки газонаполненной нейтронной трубки с мишенью, насыщенной дейтерием, ее откачивают до давления порядка 10^-7 мм рт.ст., обезгаживают при температуре 350-400°С в течение 6-7 часов для удаления газов из состава узлов и деталей, а генератор газа насыщают смесью дейтерия и трития в пропорции 50%:50%. После герметизации газонаполненная нейтронная трубка подвергается высоковольтной тренировке и набивке насыщенной дейтерием скандиевой (титановой) пленки мишени смешанным в пропорции 50%-50% пучком ионов дейтерия и трития. Суммарное время такой тренировки составляет порядка 10-15 часов.

Результаты сравнительных испытаний показали, что экспериментальные газонаполненные нейтронные трубки, изготовленные по данному изобретению, имеют более высокий нейтронный поток и ресурс работы по сравнению с газонаполненными нейтронными трубками, изготовленными по известному техническому решению.

Проведенный анализ показал, что газонаполненные нейтронные трубки выходили из строя вследствие локальных разрушений вздутых пленок скандия или титана пучком ионов, что влекло за собой запыление стеклянного баллона трубок и, как следствие, возникновение сквозного пробоя стеклянной оболочки.

Способ изготовления газонаполненной нейтронной трубки, включающий напыление пленки адсорбента на металлическую основу мишени, установку мишени в газонаполненную нейтронную трубку, и набивку мишени равносмешанным пучком ионов дейтерия и трития, отличающийся тем, что мишень газонаполненной нейтронной трубки предварительно насыщают дейтерием до атомного отношения η не менее 1,6, где η - отношение количества атомов дейтерия к количеству атомов пленки адсорбента.