Записка (Технология изготовления нейтронных трубок), страница 2

При подаче на поджигающий электрод импульса напряжения амплитудой8-10 кВ происходит пробой по поверхности керамического изолятора, и проводящий слойчастично испаряется, поджигается вспомогательный искровой разряд между катодом иподжигающим электродом. Возникновение вспомогательного разряда резко снижаетэлектропрочность вакуумного зазора между анодом и катодом, в основной разрядныйпромежуток попадает плазма, образовавшаяся в ходе поджигающего разряда. Врезультате развивается основной вакуумно-дуговой разряд между анодом и катодом,который приводит к частичному испарению материала электродов, в основном катода, вобласти катодных пятен. Образовавшаяся плазма, содержащая как ионы металла (Zr), изкоторого сделаны электроды, так и дейтерия, изначально окклюдированного в объемеэлектродов, расширяется в объеме анодного электрода.

Граница плазмы фиксируетсясеткой, расположенной в выходной апертуре этого электрода. С этой границы ипроисходит извлечение ионов в ускоряющий промежуток, образованный анодным имишенным электродами и представляющий собой иммерсионную линзу. В этомпромежутке ионы дейтерия ускоряются до энергии порядка 120 кэВ при подаче намишень отрицательного ускоряющего импульса и бомбардируют мишень, содержащую вобъеме тонкого приповерхностного активного слоя тритий.

В результате происходитуказанная выше термоядерная реакция – реакция срыва, приводящая к генерациимоноэнергетических нейтронов с энергией порядка 14 МэВ. Если мишень содержит нетритий, а дейтерий, то имеет место другая реакция с выходом нейтронов энергии порядка2 МэВ.1.3. Конструкция газонаполненной нейтронной трубки.Газонаполненные НТ характеризуются давлением изотопов водорода в рабочемобъеме Рра6 > 10-2 Па, достаточном для возникновения и поддержания газового разряда вееионномисточнике.Наибольшеераспространениеполучилигазонаполненныенейтронные трубки с ионными источниками, использующими разряд с осциллирующимиэлектронами.

Такой разряд, как правило, осуществляют в системах со скрещенными8электрическим и магнитным полями. Первая в мире НТ была снабжена именно такимионным источником.Рисунок 3 – Газонаполненная нейтронная трубка в разрезе1 – хранилище изотопов водорода; 2 – катод ионного источника; 3 – магнитнаясистема; 4 – анод ионного источника; 5 – изолятор; 6 – антикатод ионногоисточника; 7 – катод ускоряющей системы; 8 – нейтронообразующая мишень.Рассмотрим принцип действия и особенности работы НТ со скрещеннымиэлектрическим и магнитным полями на примере отечественной ускорительной трубкитипа УНГ. В нейтронной трубке УНГ, представленной на рисунке 3, используется ионныйисточник с накаливаемым катодом. Разрядная система нейтронной трубки включает катод2, антикатод 6 и анод 4, находящиеся в магнитном поле магнитной системы 3,параллельном оси ионного источника.

Накаливаемый катод снабжен электроннымтермоэмиттером, что облегчает поджиг разряда, а в некоторых случаях обеспечиваетработу ионного источника в режиме несамостоятельного разряда, когда напряжение на егоэлектродах недостаточно для поддержания разряда. Термоэлектронный эмиттер висточниках с накаливаемым катодом размещают на дне полого цилиндра-чашечки. Втакой геометрии силовые линии электрического поля в области катода имеют радиальнуюсоставляющую, стягивающую электронный поток, эмиттируемый катодом, к оси ионногоисточника и таким образом создающую дополнительное препятствие движениюэлектронов на анод.

В системах с холодным катодом подобный прием также используют,выполняя катод с цилиндрическим углублением в центре, на дне которого размещаютматериал, хорошо эмигрирующий электроны в результате ионной бомбардировки.. Втакомионномисточникеприправильновыбранныхразмерахдополнительноувеличивается концентрация плазмы в результате проявления эффекта «полого катода».9Продольное магнитное поле препятствует уходу электронов на анод. В ионномисточнике электроны «замагничены».

Их траектории определяются суперпозициейвращения в плоскости, перпендикулярной магнитному полю дрейфового смещенияцентров вращения по азимуту со скоростью:väð ≈Er,Bгде:Er – радиальная составляющая напряженности электрического поля вионном источнике;В – индукция магнитного поля и колебательного движения между катодоми антикатодом.Ускоряясь в прикатодной области электроны попадают в анодную полость,проходят ее, тормозятся у антикатода и поворачиваются, а затем происходит зеркальноеповторение всего процесса, до тех пор пока электрон или не попадет на анод в результатедиффузии или не прорекомбинирует в плазме.

Вероятность последнего событиядостаточно мала. Таким образом, наличие продольного магнитного поля в ионномисточнике значительно удлиняет траекторию электронов. В результате увеличиваетсяколичество актов ионизации.1.4. Сравнение вакуумной и газонаполненной нейтронных трубок.Нейтронные генераторы на вакуумных нейтронных трубках относительно дешевы,малогабаритны, надежны и удобны в эксплуатации. Однако некоторые характерныеособенности этих генераторов - низкая частота генерации нейтронных импульсов (до 30Гц), невысокая стабильность нейтронного потока, невозможность регулированиянейтронного потока и ряд других - ограничивают возможности геофизической аппаратурына их основе.С целью расширения круга геофизических задач, решаемых с помощьюнейтронных методов, логично использовать нейтронные генераторы, в которыхобеспечена возможность регулирования в широких пределах параметров нейтронногопотока: частоты генерации, длительности и интенсивности нейтронных импульсов.Для таких генераторов резонно использовать газонаполненные нейтронные трубки.Газонаполненные нейтронные трубки имеют в несколько раз больший ресурс работы иобеспечивают существенно большую стабильность нейтронного потока, чем вакуумныенейтронные трубки.10В таблице 1 приведены основные характеристики ГНТ и ВНТ, которые позволяютоценить разность параметров, описанных ранее.Таблица 1ПараметрГНТВНТ1081081,5·108не замерялосьРесурс трубки, чне менее 250150Режим работыимпульсныйимпульсныйне менее 100001-20300,8+2000+150Средний поток нейтронов, нейтр./сСредний поток нейтронов при приемке и поставке,нейтр./сЧастота, ГцДлительность нейтронного импульса, мксПитание, В112.

Технология изготовления газонаполненной нейтронной трубки.Ионно-вакуумные приборы для генерации нейтронов, нейтронные трубки (НТ)представляютсобойоткаченный,заполненныйрабочейсредойизапаянныйэлектровакуумный прибор (ЭВП). Технология изготовления НТ сложна и требуетсоблюдения основных требований, предъявляемых к ЭВП, содержащих радиоактивныеэлементы, в частности тритий. Процесс изготовления НТ можно разделить на следующиеэтапы: изготовление металлических, стеклянных, керамических деталей и узлов, а такжедеталей и узлов, содержащих тяжелые изотопы водорода; физико-химическая обработкадеталей и узлов; монтаж; сборка корпуса и закрепление в нем деталей и узлов;термовакуумная обработка НТ (включающая процессы отжига, откачки, обезгаживания,активациигазопоглотителей);высоковакуумнаятренировка;тренировкаионныхисточников; наполнение газом; запайка; испытание прибора.

Рассмотрим некоторыенаиболее характерные этапы.Маршрут изготовления газонаполненных нейтронных трубок приведен на листе 2.2.1. Изготовление деталей и узлов.Первым этапом технологического процесса необходимо изготовить или закупитьдетали и узлы для последующей сборки нейтронной трубки.Основнымиизготавливаемымидеталямиявляются корпус, стеклянный изолятор, анод ионногоисточника, антикатод ионного источника, катодускоряющей системы, катод ионного источника,хранилище изотопов водорода, нейтронообразующаямишень.Корпус изготавливается из стали 12Х18Н10Тпри помощи механической обработки на токарнофрезерных станках; катоды и аноды являютсяРисунок 4 – Некоторые детали исборочными единицами, которые изготавливаются изузлы НТмеди М00 и предполагают использование сварки;1 – корпус; 2 – изолятор стеклянный; 3стеклянный изолятор изготавливается из кварцевого–стекла,чтотемпературы,позволяетпривыдерживатьпомощилазернойвысокиерезкианодионногоисточника;4–антикатод ионного источника; 5 –катод ускоряющей системы.иобработки поверхностей с последующей сварки и доведения до законченного вида детали.12Нейтронообразующая мишень состоит из подложки, на которую нанесен активныйслой металла, обладающего хорошими сорбционными свойствами по отношению кизотопам водорода, насыщенный дейтерием, тритием или их смесью.

Изготовлениемишени состоит из следующих процессов: механическая обработка подложек и навесокметаллосорбента; очистка, обезжиривание, химическое травление подложки; вакуумныйотжиг и очистка поверхностей подложки; распыление металла-сорбента и нанесениетонких пленок на подложки; насыщение тонких пленок металлов-сорбентов изотопамиводорода; измерение (контроль) параметров мишени.2.2.