Прискорювальна газодинамічна нейтронна трубка

Реферат: Прискорювальна нейтронна трубка складається із послідовно розташованих вісесиметрично один за одним кільцевого анода та порожнистого катода у формі квазізамкнутого об'єму змінного перерізу з розширювальною частиною у вигляді сопла Лаваля. UA 75722 U (54) ПРИСКОРЮВАЛЬНА ГАЗОДИНАМІЧНА НЕЙТРОННА ТРУБКА UA 75722 U UA 75722 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до пристроїв для генерації імпульсного нейтронного випромінювання. Найбільш ефективно запропоноване технічне рішення може бути призначене для розвідки та контролювання видобутку нафтогазових родовищ, дистанційної терапії злоякісних пухлин, в нейтронному активаційному аналізі слідів елементів в біології, медицині, геології та археології, а також для здійснення сертифікації еталонних матеріалів та вивчення радіаційної стійкості виробів електронної техніки. Відомі пристрої, які здатні генерувати імпульсне нейтронне випромінювання для реалізації вказаних застосувань [Пат. 2175819, Россия, Н05Н 1/02. Чернышев В.К. и др. Устройство для генерации нейтронного и рентгеновского излучений. Заявл. 03.12.1998. Опубл. 10.11.2001]. В технічному рішенні [Пат. 2257020. Россия, Н05Н 1/06. Герасимов Ю.Г. и др. Импульсный источник проникающего излучения. Заявл. 06.10.2003. Опубл. 20.07.2005.] для генерації нейтронного випромінювання використаний розряд типу «плазмовий фокус». Розрядна камера виконана у вигляді газонаповненого відпаяного приладу. Вакуумний об'єм наповнювався дейтерієм, тритієм або сумішшю дейтерію з тритієм. Запропонований прилад дає змогу одержувати імпульсні нейтронні потоки з енергіями 2,5 МеВ і 14,5 МеВ або нейтрони широкого спектра 0-10 МеВ в залежності від типу заповнення вакуумного об'єму ізотопами водню. Незважаючи на прийняті технічні характеристики, пристрій має такі суттєві недоліки, як великі габарити та вагу. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі є прискорювальна газонаповнена нейтронна трубка [Пат. на корисну модель 66563 Україна, МПК Н05Н 5/00; G21G 4/00 Веремійченко Г.М., Коваленко О.В., Коломієць М.Ф., Рогозін В.М. Заявл. 08.06.2011. Опубл. 10.01.2012.]. Ця прискорювальна трубка складається із металокерамічного вакуумного корпуса, в якому вісесиметрично послідовно розміщені плоский металосплавний емітер електронів, розрядний пристрій типу Пеннінга, постійний магніт, який охоплює розрядний пристрій, електростатична лінза, прискорювальний електрод, всередині якого розміщена нейтроноутворююча мішень, при цьому джерело ізотопів водню розташоване безпосередньо 8 біля емітера електронів. Розроблена прискорювальна трубка забезпечує вихід нейтронів до 10 н/с при енергії 14 МеВ. Енергія іонів ізотопів водню, які бомбардують мішень, становить 100 КеВ при Iі=0,7 mA. Основними недоліками цієї трубки є недостатній вихід нейтронів, великі габарити та перегрів мішені із-за недостатньої рівномірності розподілу прискорених іонів ізотопів водню в площині мішені. В основу корисної моделі поставлена задача - збільшення виходу нейтронів, зменшення габаритів та підвищення надійності шляхом використання розрядної системи з порожнистим катодом змінного перерізу, який має розширювальну частину в формі сопла Лаваля, та газодинамічному способі формування інтенсивного потоку ізотопів водню в площині вихідного зрізу сопла Лаваля. Поставлена задача вирішується тим, що прискорювальна газодинамічна нейтронна трубка, що містить в собі вакуумний металокерамічний об'єм, в якому вісесиметрично послідовно розміщені плоский металосплавний емітер електронів, розрядний пристрій типу Пеннінга, постійний магніт, який охоплює розрядний пристрій, електростатична лінза, прискорювальний електрод, всередині якого розміщена нейтроноутворююча мішень з відповідним плівковим покриттям, та джерело ізотопів водню, яке розміщене безпосередньо біля емітера електронів, згідно з корисною моделлю, для підвищення виходу нейтронів, надійності та зменшення габаритів розрядний пристрій складається із послідовно розташованих вісесиметрично один за одним кільцевого анода та порожнистого катода у формі квазізамкнутого об'єму змінного перерізу з розширювальною частиною у вигляді сопла Лаваля, при цьому критичне значення діаметра конічного перерізу сопла визначається співвідношенням: dкр 50  m RT0    2  mP0Bk     1 2 , де: P0 - тиск ізотопів водню в об'ємі порожнистого катода перед критичним перерізом, Па; m - масова витрата ізотопів водню через критичний переріз, кг; 3 -1 R - універсальна газова постійна, R  22,4  10 3 м моль ; T0 - температура ізотопів водню перед критичним перерізом, °К;m - коефіцієнт втрат на тертя в пограничному шарі, безрозмірний. 1 UA 75722 U k 1  2  k 1 - газодинамічна функція, безрозмірна, B k   k    k  1 де: k - показник адіабати газу ізотопів водню, безрозмірний. Довжина розширювальної частини порожнистого катода знаходиться із виразу: 5 1    m R0 T0  2  1  3,3   , L  tg  2P0Ck   P0 mB k          де:  - кут напіврозрізу розширювальної частини порожнистого катода, k 1 10 15 20 25 30 35 40 45 50  k  1  k - газодинамічна функція, безрозмірна. Ck   1   2   Новими ознаками у запропонованій корисній моделі є виконання електродів розрядного пристрою у вигляді циліндричного анода і порожнистого катода, який має форму квизізамкнутого об'єму змінного перерізу з розширювальною частиною, яка має вигляд сопла Лаваля. Мінімальний або критичний діаметр dкp перерізу конічного сопла та його довжина L визначаються певними співвідношеннями. Розширювальна частина сопла виконується спрофільованою, з кутовим виходом або має всередині клиновидний злам, направлений в бік нейтроноутворюючої мішені під необхідним кутом. Можливість практичної реалізації запропонованої корисної моделі показана на кресленні: Фіг. 1 - Варіант виконання металокерамічної прискорювальної газодинамічної нейтронної трубки з порожнистим катодом у формі конічного сопла Лаваля. Фіг. 2 - Розподіл густини іонів ізотопів водню в площині мішені для різних варіантів виконання порожнистого катода розрядної системи. Фіг. 3 - Варіант виконання порожнистого катода у формі профільованого сопла. Фіг. 4 - Варіант виконання порожнистого катода у формі короткого сопла з кутовим виходом. Фіг. 5 - Варіант виконання порожнистого катода у формі профільованого сопла з клиновидним зламом, направленим в бік мішені під необхідним кутом. Відомі розрядні пристрої з порожнистим катодом та газодинамічним способом формування плазмових потоків [Веремейченко Г.Н., Саенко В.А., Владимиров А.Н. Термоионное устройство с направленным испарителем // Электронная промышленность. - М., 1989. - С. 29-30]. Ці пристрої дають змогу одержати направлені іонні потоки з високим коефіцієнтом іонізації (η ≈ 90%) нейтрального газу та сформувати необхідний розподіл іонів в площині вихідного перерізу сопла Лаваля. Особливістю порожнистих катодів змінного перерізу з соплом Лаваля є відмінності в режимах течії газу в докритичній частині, критичного перерізу і вихідного зрізу. В мінімальному критичному перерізі порожнистого катода витікання газу відбувається в в'язкісному режимі. Потім газ адіабатично розширюється до вихідного перерізу і переходить в вільномолекулярний режим. Для находження необхідної довжини сопла порожнистого катода вводиться умовний кордон переходу в'язкісної течії в молекулярну, який характеризується безрозмірним параметром - числом Кнудсена: K n   / D (1), де:  - довжина вільного пробігу; D - характерний розмір системи. Гранична умова існування молекулярного режиму має вигляд [Розанов Л.Н. Вакуумная техника. - М.: Мир, 1981. - С. 187]: K n  15 (2). , Середня довжина вільного пробігу молекул, виражена в сантиметрах, зв'язана з тиском, вираженим в мм.рт.ст., співвідношенням [Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. - М.: Мир, 1964. - С.78]: p  5 (3). Тоді критерій (2) приймає вигляд: Dp  3,3 (4). 2 UA 75722 U Враховуючи те, що тиск по довжині розширяючої частини сопла змінюється по закону [Лойчянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1973. - С. 294]: p  poCk  (5), k 1 5 де: Ck   1  k  1  k - газодинамічна функція,   2   то критерій переходу до молекулярного режиму течії може бути представлений як: Dp oCk   3,3 . (6) Діаметр критичного перерізу dкp знаходимо з виразу [Зуев B.C., Макорон B.C. Теория прямоточних и ракетно-прямоточных двигателей. - М.: Машиностроение, 1971. - С. 115-129]: (7) P m  SmBk  0 - масова витрата ізотопів водню через критичний переріз, RT 0 k 1 10 де: B k   k  2  k 1 - газодинамічна функція,    k  1 звідки: 1  m RT0  2  . (8), dкр  2   mp0Bk     Використовуючи вирази (8) та (6), для конічного сопла з кутом розрізу 2β довжина розширювальної частини порожнистого катода L має вигляд: 15 20 1    m RT0  2  3,3  3,3  . (9) L  tg  2p0Ck   mp0B k          Таким чином, при заданих тиску ізотопів водню в докритичній частині сопла, масовій витраті через критичний переріз, та використовуючи співвідношення (8), (9) знаходяться діаметр критичного перерізу dкp довжина розширювальної частини L, фіг. 1. Принцип дії порожнистого катода з соплом Лаваля заснований на перетворенні повної ентальпії ізотопів водню в докритичній частині в кінетичну енергію направленого руху. Ефективність перетворення енергії газу в кінетичну енергію характеризується числом Маха та показником адіабати. Число Маха залежить від відношення діаметрів докритичної частини до критичного перерізу. Число Маха знаходиться з виразу: 1 25 2 2 U, M  K   де: U - надзвукова швидкість спрямованого руху;  - найбільш ймовірна випадкова швидкість ізотопів водню: 1 30  2RT0  2 (11).    m  Найбільш простим в виконанні є пристрій, в якому порожнистий катод забезпечений конічним соплом Лаваля, фіг. 1. Розподіл густини концентрації іонів ізотопів водню в площині мішені показаний на фіг. 2, при цьому контур вхідної частини сопла порожнистого катода, для одержання безвідривного режиму течії газу, будується за допомогою відомого співвідношення Вітошинського [В.Д. Курпатенков. Расчет профиля сопла с изломом образующей (угловое сопло). Ротапринт МАИ, 1975. - С. 10-20], в якому координати вхідного контура X, Y зв'язані між собою: dкр ,(12) y 2 2     1   x       dкр    L в х      1  1    D  3 2   п     1 x   1     3  Lв х       3 UA 75722 U 5 10 15 20 25 30 35 де: Dп - початковий діаметр до критичної частини порожнистого катода; Lв х - довжина вхідної частини сопла Лаваля. При додержанні форми профілю вхідної частини по формулі (12) зона переходу через швидкість звуку має вигляд площини, що забезпечує безударний або безвідривний режим течії. Розряд з порожнистим катодом у вигляді конічного сопла забезпечує радіальний розподіл густини іонів ізотопів водню в площині мішені, крива 1 на фіг. 2. Більш рівномірний розподіл іонів ізотопів водню в площині мішені можна одержати при використанні сопла з плавним оптимальним профілем, крива 2. Якщо необхідно зменшити довжину нейтронної трубки за рахунок довжини сопла, то профіль сопла виконують зі зламом утворюючої, фіг. 4. Такий вид профілю дає змогу забезпечити, також, рівномірний потік іонів ізотопів водню при значному зменшенні довжини сопла, крива 2 на фіг. 3. Найбільш рівномірний потік ізотопів водню одержаний в корисній моделі як показано на фіг. 5. З цією метою утворююча сопла всередині має клиновидний злам, направлений в бік мішені під необхідним кутом. Злам утворюючої створює відрив ізотопів водню і піднімає густину іонів по периферії мішені, крива 3 на фіг. 2. Газодинамічна прискорювальна трубка складається з металокерамічного діелектричного корпуса 1, до плоских сторін якого припоєм закріплений високовольтний прискорювальний електрод 2 та циліндричний анод 3, всередині якого розміщена сітка 4. За допомогою ізолятора 5 зафіксований порожнистий катод, який складається з об'єму 6 та сопла Лаваля з розширяючою та дозвуковою частинами 7, 8. Вихідний зріз сопла частково входить в нижню частину анода 3. В об'ємі 6 за допомогою прохідного ізолятора 9 закріплені металосплавний емітер електронів 10 та джерело ізотопів водню 11. Зовні вакуумного об'єму нижня частина анода та сопло охоплені постійним магнітом 12. Всередині прискорювального електрода 2 за допомогою ізолятора 12 та торцевої деталі 14 вісесиметрично закріплена мішень 15 з нейтроноутворюючим шаром 16. Всі вакуумні з'єднання металокераміки виконані припоєм 17 на основі срібла. Газодинамічна нейтронна прискорювальна трубка працює таким чином. Після подавання напруги живлення на металосплавний емітер 10 та джерело ізотопів водню 11 і досягнення в об'ємі 6 тиску газу Рo в системі анод-порожнистий катод загоряється розряд в перехресних електричному і магнітному полях. Розширяюча частина порожнистого катода 8, всередині якої реалізовано в'язкий режим течії ізотопів водню, формує рівномірний потік іонів ізотопів водню високої інтенсивності, який відбирається з кордону сітки 4. Потім за допомогою прискорювального електрода 2 іони з енергією 100 КеВ бомбардують нейтроноутворюючий шар 8 16 мішені 15. Ця нейтронна трубка дає змогу одержати вихід нейтронів більше ніж 10 н/с. Термін безвідмовної роботи, завдяки рівномірному розподілу іонів на поверхні мішені, становить більше 300 годин. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 1. Прискорювальна нейтронна трубка, що містить в собі вакуумний металокерамічний об'єм, в якому вісесиметрично послідовно розміщені емітер електронів, розрядний пристрій типу Пеннінга, постійний магніт, розташований зовні вакуумного об'єму і який охоплює розрядний пристрій, електростатична лінза, прискорювальний електрод, всередині якого розміщена нейтроноутворююча мішень, та джерело ізотопів водню, яке розміщене біля емітера електронів, яка відрізняється тим, що розрядний пристрій складається із послідовно розташованих вісесиметрично один за одним кільцевого анода та порожнистого катода у формі квазізамкнутого об'єму змінного перерізу з розширювальною частиною у вигляді сопла Лаваля, при цьому критичне значення діаметра конічного перерізу сопла визначається співвідношенням: dкр 50 55  m RT0    2  mP0Bk     1 2 , де: P0 - тиск ізотопів водню в об'ємі порожнистого катода перед критичним перерізом, Па; m - масова витрата ізотопів водню через критичний переріз, г; 3 -1 R - універсальна газова постійна, R  22,4  10 3 м моль ; T0 - температура ізотопів водню перед критичним перерізом,°К; m - коефіцієнт втрат на тертя в пограничному шарі, безрозмірний. 4 UA 75722 U k 1 5  2  k 1 B k   k  - газодинамічна функція, безрозмірна,   k  1 де: k - показник адіабати газу ізотопів водню, безрозмірний; довжина розширювальної частини порожнистого катода знаходиться із виразу: 1    m R0 T0  2  1  3,3  , L  tg  2P0Ck   P0 mB k          де:  - кут напіврозрізу розширювальної частини порожнистого катода, градус; k 1 10 15  k  1 k Ck   1  - газодинамічна функція, безрозмірна.  2   2. Прискорювальна нейтронна трубка за п. 1, яка відрізняється тим, що розширювальна частина порожнистого катода має плавний оптимізований профіль, виконаний по визначеному закону, який забезпечує рівномірне розподілення іонів ізотопів водню по площині нейтроноутворюючої мішені. 3. Прискорювальна нейтронна трубка за п. 2, яка відрізняється тим, що профіль розширювальної частини порожнистого катода має всередині клиновидний злам утворюючої, спрямований у бік мішені під необхідним кутом. 5 UA 75722 U 6 UA 75722 U 7 UA 75722 U 8 UA 75722 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9