Прискорювальна газонаповнена нейтронна трубка

Прискорювальна нейтронна трубка, що містить в собі вакуумний металоскляний об'єм, в якому вісесиметрично послідовно розміщені емітер електронів - вольфрамовий катод, розрядний пристрій типу Пеннінга, який складається з циліндричного порожнистого анода та двох кільцевих катодів, розташованих відносно анода симетрично та протилежно один до одного, постійного магніту, що розташований зовні вакуумного об'єму і оточує розрядний пристрій, електростатичної лінзи, прискорювального електрода, всередині якого розміщена нейтроноутворююча мішень з відповідним плівковим покриттям та джерело ізотопів водню, розміщене біля емітера електронів, яка відрізняється тим, що вакуумний об'єм нейтронної трубки виконаний металокерамічним, а катод виконаний у вигляді вузла прямого розжарення з металосплавним плоским емітером певного складу, який за безпечує необхідну густину потоку електронів, при цьому катодний вузол вісесиметрично розміщений по відношенню до катода розрядного пристрою таким чином, що плоска поверхня емітера електронів знаходиться на певній відстані від поверхні катода розрядної системи, яка визначається співвідношенням: Корисна модель належить до прискорювальної техніки, а саме до малогабаритних нейтронних трубок, які широко використовуються в свердловинній ядерній геофізиці. Найбільш ефективно запропоноване технічне рішення може бути застосоване при нейтронних дослідженнях з імпульсним джерелом для розвідки та контролюванні видобутку нафтогазових родовищ. Основи цього методу дослідження гірських порід викладені в монографії [Кантор С.А. и др. Теория нейтронных методов исследования скважин. - М.:Недра, 1985.]. Найбільш доцільно корисна модель може бути використана в нейтрон-нейтронному способі, який полягає в вимірюванні спаду густини теплових і надтеплових нейтронів в залежності від часу після інжекції імпульсу швидких нейтронів в досліджувану породу. В імпульсному нейтрон-гамма-методі реєструється нестаціонарне поле гаммавипромінювання, яке виникає при поглинанні теплових нейтронів. Відомі прилади, що генерують імпульсне нейтронне випромінювання, для реалізації розглянутих способів досліджень свердловин. В технічному рішенні [Новая модель универсальной нейтронной газонаполненной трубки [Беспалов Д.Ф., Васин B.C., Овсянников С.Б. Скважинные генераторы нейтронов: Сб. статей. ОНТИ. ВНИИЯГТ. М., 1975. Вып. 12.] газонаповнювальна прискорювальна  0  2e  m  e  H  20 j e 9 де:   je jp 1 2 4 a 3 4 , me , безрозмірна змінна; mp je - густина електронного струму на границі плаз jp - густина іонного струму на катод, А m e - маса електрона, 9,109·10 -31 см2 ; ; кг; U см2 0  - допоміжна функція, безрозмірна; (13) ми з другим розділювальним шаром, А m p - маса іона ізотопу водню, кг; (19) UA (11) 66563 -19 e - заряд електрона, 1,602·10 Кл;  a - падіння потенціалу на катодному шарі, В. 3 нейтронна трубка складається з вакуумного ізольованого корпуса, в якому розміщене джерело іонів Пеннінгівського типу з розжареним вольфрамовим катодом та прискорювальний електрод, в якому знаходиться нейтроноутворююча мішень. Зовні корпуса ділянка іонного джерела оточена магнітною системою. На деякій відстані від катода розміщене джерело ізотопів водню. При подаванні напруги на нагрівач джерела в робочому вакуумному об'ємі нейтронної трубки тиск ізотопів водню -2 піднімається до р>10 Па. При оптимальних значеннях індукції магнітного поля, напрузі на аноді іонного джерела та під дією прискорювальної напруги >300 кВ іони ізотопів прискорюються і бомбардують нейтроноутворюючу мішень, що забез8 печує ізотропний потік нейтронів 10 н/с. Розглянутий аналог має порівняно невеликі габарити і підходить для ефективного дослідження геофізичних свердловин. Поряд з позитивними якостями це технічне рішення має такі недоліки, як невеликий термін експлуатації, недостатню механічну міцність та порівняно великі габарити. Дыдычкин, Б.В. Михайленко, Н.Ф. Коломиец, А.Е. Шиканов, К.И. Яковлев. Скважинная газонаполненная нейтронная трубка. А. с. СССРД 58959, МПК G21G 4/02, Н05Н 5/00, Заявл. 11.04.88. Прискорювальна нейтронна трубка складається із металоскляного вакуумного корпуса в об'ємі якого вісесиметрично послідовно розміщені розжарений вольфрамовий емітер електронів, іонне джерело типу Пеннінга, яке складається з порожнистого циліндричного анода та двох кільцевих катодів розташованих симетрично відносно анода і протилежно один до одного. Ззовні вакуумного корпуса іонне джерело охоплене постійним магнітом циліндричної форми. Для витягування іонів ізотопів водню вісесиметрично за джерелом установлена перехідна порожнина з діафрагмою-екстрактором. Прискорені іони ізотопів водню бомбардували нейтроноутворюючу мішень. Тиск ізотопів водню установлювався шляхом подавання напруги на нагрівник джерела ізотопів. На прискорювальний електрод подавалася постійна або змінна напруга з амплітудою 100 кВ. На анод розрядного пристрою Пеннінга подавалась імпульсна напруга з амплітудою від 200 до 500 В. Завдяки оптимізації геометричних параметрів розрядної, витягаючої та прискорювальної сис8 тем вдалось одержати потік нейтронів до 10 н/с. Незважаючи на технічні переваги розглянутої нейтронної трубки цьому прототипові характерні наступні недоліки: металоскляний корпус трубки має великі габарити, недостатню електричну та механічну міцність, що не забезпечує точного кріплення електродів, не дає змоги підняти термостійкість приладу, як в процесі виробництва, так і в процесі експлуатації. Скло також проникне для водню. Одним із недоліків також є невисокий термін безвідмовної роботи, який обмежений довговічністю вольфрамового катода. В основу корисної моделі поставлена задача зменшення габаритів, збільшення терміну безвідмовної роботи прискорювальної газонаповненої нейтронної трубки та покращення експлуатаційних характеристик шляхом виконання вакуумного 66563 4 об'єму металокерамічним та заміною вольфрамового емітера катодним вузлом з плоскою емісійною поверхнею металосплавного типу, який розміщується відносно катода розрядної системи певним чином. Таким чином, прискорювальна газонаповнена нейтронна трубка, що містить в собі вакуумний металоскляний об'єм, в якому вісесиметрично послідовно розміщені емітер електронів - вольфрамовий катод, розрядний пристрій типу Пеннінга, який складається з циліндричного порожнистого анода та двох кільцевих катодів, розташованих відносно анода симетрично та протилежно один до одного, постійного магніту, що розташований ззовні вакуумного об'єму і оточує розрядний пристрій, електростатичної лінзи, прискорювального електрода всередині якого розміщена нейтроноутворююча мішень з відповідним плівковим покриттям та джерело ізотопів водню, розміщене біля емітера електронів, в якій з метою зменшення габаритів, збільшення безвідмовної роботи і підвищення експлуатаційних характеристик вакуумний об'єм нейтронної трубки виконаний металокерамічним, а катод виконаний у вигляді вузла прямого розжарення з металосплавним плоским емітером електронів певного складу, який забезпечує необхідну густину потоку електронів, при цьому катодний вузол вісесиметрично розміщений по відношенню до катода розрядного пристрою таким чином, що плоска поверхня емітера електронів знаходиться на певній відстані від поверхні катода розрядної системи, яка визначається співвідношенням: 1  2 4 3  0   2e  m  a 2 e  , H  20 j e 9 де: j  e jp me , безрозмірна; mp j e - густина електронного струму на границі плазми з другим розділювальним шаром, А ; см2 0  - допоміжна функція, безрозмірна; ; jp - густина іонного струму на катод, А см2 -31 m e - маса електрона, 9,109·10 кг; m p - маса іона ізотопу водню, кг; -19 e - заряд електрона, 1,602·10 Кл;  a - падіння потенціалу на катодному шарі, В. Новими ознаками, які має заявлюване технічне рішення, є виконання нейтронної трубки металокерамічною, вольфрамового катода у вигляді вузла з металосплавним плоским емітером електронів, який розміщено в об'ємі приладу певним чином. Ці ознаки в сукупності дають змогу одержати нові технічні результати, а заявлена корисна модель відповідає критерію "новизна". Можливість практичної реалізації заявляемого технічного рішення показана на малюнку фіг. 1. 5 Як показано в джерелі інформації [Б.Н. Батыгин, Н.Н. Метелкин, A.M. Решетников. Вакуумноплотная керамика и ее спаи с металлами. - М.: Энергия, 1973], виконання вакуумних приладів в металокерамічному корпусі забезпечило наступні переваги перед приладами в склометалевому корпусі: 1. Низька газопроникність по відношенню до повітря, гелію, водню, кисню та ін. 2. Висока електрична міцність в різних середовищах при високих постійних та змінних напругах. 3. Висока механічна міцність при низьких та підвищених температурах. 4. Інертність і стійкість до дії розрядної плазми. 5. Висока хімічна та радіаційна стійкість. Виконання нейтронної трубки в металокерамічному корпусі дало можливість значно зменшити її габарити, що особливо важливо для використання їх у геофізичних дослідженнях. Фактором, який зменшує довговічність газонаповненої нейтронної трубки є розжарений вольфрамовий катод. Під дією іонів з розряду Пеннінга змінюється геометрія емісійної поверхні, що веде до зменшення поверхні емісії, а потім і до переходу в затруднений режим горіння. Це в свою чергу призводить до зменшення виходу нейтронів прискорювальної трубки. Для збільшення терміну безвідмовної роботи прискорювальної газонаповненої нейтронної трубки як катод застосовано металосплавний емітер, в якому поверхня емісії є плоска поверхня і має вигляд квадрата, прямокутника або круга. Матеріал емітера має склад Ir-Ce-W-Hf в певних пропорціях. При концентрації Hf близько 3 % термодинамічний баланс між швидкістю поповнення поверхні емітера атомарним церієм і швидкістю його випаровування досягається при більш низьких температурах, що дає змогу досягти найкращих емісійних характеристик і довговічності роботи катода в цілому. Параметри розжарювання металосплавного емітера: напруга - 1,25 В; струм 1,25 А. При вказаних параметрах розжарювана поверхня емітера розігрівається до температури 1450 °C. При такій температурі густина потоку 2 електронів становить j e >5 А/см . При дотриманні оптимального режиму розжарювання катодний вузол може безвідмовно виконувати свої функції до 10 тисяч годин. В цьому технічному рішенні використаний емі2 тер з площею S1 мм . Таким чином емісійна здатність катода нейтронної трубки становить lem =50 мА. При розрядному струмі lp =20 мА, ( lp < lem ; 20