Способ сепарации одноатомных ионов водорода в ионных источниках и импульсная нейтроногенерирующая трубка с сепарацией одноатомных ионов (варианты)
Владельцы патента RU 2479878:
Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) (RU)
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.
