Исследование и оптимизация физико-технических характеристик малогабаритных газонаполненных ускорительных трубок для генерации нейтронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова

Для служебного пользования Инв.№ К0</ ЭкзЛБ На правах рукошси

ЯКОВЛЕВ Константин Игоревич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ШТИШЗАЦИЯ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛОГАБАРШНЫХ ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ УСКОРИТЕЛЬНЫХ ТРУБОК ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ НЕЙТРСНОВ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1990

Работа выполнена в Специальном конструкторско-технологическом бюро с Экспериментальным цроизводством Института ядерных исследований АН УССР

Научные руководители: кандидат технических наук Коломиец Н.Ф.,

кандидат технических наук Михайленко Б.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Глазков A.A. (МШИ),

кандидат технических наук Солнышков А. И. (НИИЭФА).

Ведущая организация: ВНИИГеоинформсистем, г.Москва.

; оо

Зсщита сщстоится^^^^^^^^- на заседании специализированного совета К 034.05.01 при Научно-исследовательской институте слсптрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова в помещении Клуба ученых НИША (Полевая ул., 12).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА. Автореферат разослан.

Отзывы об автореферате в одном экземпляре, заверенные ученым секретарем и скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 189631, Ленинград, НИИЭФА.

Ученый секретарь специализированного совета,

канд.техн.наук Б.Н.Жуков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теш.

Исследование различных свойств материальных об"ектов методами нейтронной физики получили широкое распространение во всем мире, в том числе и в СССР.

В зависимости от. задач и условий проведения исследований в качестве источника нейтронов могут использоваться ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц, радионуклидные источники, а также генераторы нейтронов как стационарные, так и портативные на базе запаянных ускорительных нейтронных трубок.

Широкие возможности открываются перед портативными источниками в геологии, сельском хозяйстве, металлургии, электронной промышленности, экологии, а также других областях при определении элементного состава или контроле за содержанием определенных элементов в исследуемых об"ектах. При этом, если в сельском хозяйстве, промышленности и экологии применение нейтронных генераторов пока ограничено, то в геологии исследование нефтяных и рудных скважин нейтронными методами занимает важное место во всем комплексе геофизического исследования скважин.

Значительное число методов анализа в ядерной геофизике базируется на применении радиоизотопных источников нейтронов. Однако, существенными недостатками таких источников являются трудности с обеспечением безопасных условий работы персонала, высокая стоимость, невозможность или затрудненность управления нейтронным потоком. Серьезными являются также экологические последствия в случае аварийных ситуаций. Использование источников нейтронов на базе запаянных ускорительных нейтронных трубок позволяет устранить перечисленные недостатки. Реализация в этих устройствах импульсного режима работы позволяет значительно расширить методические возможности.

Перечисленные возможности портативных генераторов нейтронов применительно к решению различных задач послужили основой для проведения исследований, направленных на создание спектра малогабаритных ускорительных нейтронных трубок нового поколения. При этом, с учетом методических требований, актуальным является вопрос создания нейтронных источников с заданным диапазоном рабочих частот, увеличение стабильности параметров

излучения, обеспечение управляемости параметров нейтронного потока при высоких его значениях и большом ресурсе работы.

Состояние проблемы.

В портативных генераторах нейтронов, созданных как в СССР, так и за рубежом, применяются запаянные ускоритепьные нейтронные трубки, использующие ядерные реакции ^rfánfye для получения потоков нейтронов с энергиями 14 и 2,5 МэВ соответственно.

Одним из основных узлов ускорителей нейтронной трубки, определяющим ее функциональные возможности, является ионный источник. Наибольшее распространение получили высокочастотный, вакуумно-дуговой и пеннинговский ионные источники. Кроме того в последнее время активно проводились работы по созданию нейтронных трубок с лазерным И Л. Имеются отдельные публикации об орбитронном И И , однако информации, содержащейся в них, явно недостаточно.

В нашей стране до последнего времени выпускались серийно две ускорительные трубки, предназначенные для работы в составе скважинной аппаратуры: НГ-16 с вакуумно-дуговым И.И. и УНГ-I с И,И Пеннинга с накаливаемым катодом. Их основными недостатками являются малые поток нейтронов, - 10® и 2-10^ нейтр/с соответственно, и ресурс, 3*10^ имп. и 100 час. Кроме того, диапазон рабочих частот (20 ГЪ и I кГц) значительно сужает их возможности.

Разрабатывались и выпускались отдельными партиями опытные трубки с лазерным, вакуумно-дуговым и пеннинговским И И.

Анализ характеристик существующих нейтронных трубок позволяет сделать вывод, что., с точки зрения диапазона рабочих частот и ресурса работы предпочтительными являются газонаполненные ускорительные трубки. Устранение недостатков, присущих разработанным устройствам, а также реализация других потенциальных возможностей, в частности, повышения удельного потока нейтронов за счет оптимизации систем транспортировки ионного пучка в различных режимах работы нейтронных генераторов позволит увеличить эффективность их использования как в лабораторных, так и в сквалмнных исследованиях.

Цель работы: исследование и оптимизация физико-технических характеристик малогабаритных газонаполненных ускорительных нейтронных трубок для получения максимальных потоков и ресурса в требуемых диапазонах частот при минимальной мощности потребления в заданных габаритах-нейтронных генераторов.

Основные задачи работы.

1. Анализ требований к параметрам генераторов нейтронов с целью выработки требований к характеристикам ускорительных трубок и их узлам.

2. Анализ и оптимизация физико-технических характеристик ионных источников малогабаритных газонаполненных ускорительных нейтронных трубок применительно к требованиям, пред"являемыи к излучателям нейтронов в ядерной геофизике и других отраслях науки и народного хозяйства.

3. Оптимизация систем формирования и транспортировки пучка ионов.изотопов водорода с учетом обиемного заряда в ускорительных нейтронных трубках с различной геометрией извлечения пучка с целью увеличения удельного потока нейтронов и ресурса мишени.

4. Исследование и оптимизация физико-технических характеристик малогабаритных газонаполненных ускорительных нейтронных трубок в различных схемах включения.

Научная новизна.

1. Исследованы и оптимизированы физические характеристики "орбитронного" ионного источника. Проанализировано влияние геометрии источника на электрические характеристики разряда, установлены их оптимальные соотношения, позволившие в диаметре

24 мм получить средние ионные токи до I мА.

2. Предложены, исследованы и реализованы:

— эффективная система управления током пучка в орби-тронном ионном источнике при помощи торцевых отражателей, что позволило получать импульсы длитель-г ностью от 3 до 500 мкс в диапазоне частот 10 -- 30 кГц;

- многонитевой "обращенный" орбитронный ионный источник повышенной эффективности со средним ионным током до 10 мА в диапазоне частот 10 Гц - 30 кГц;

- эффективный ионный источник Пеннинга со средним током ионов до I мА в диапазоне частот 100 Пд - 20 кПд при диаметре 27 мм.

3. Исследованы и оптимизированы физические характеристики систем формирования и транспортировки ионного пучка при различной геометрии образования плазмы применительно к малогабаритным ускорительным трубкам. Для аксиальной геометрии ускоряющей системы установлены предельные значения токов пучка в зависимости от конфигурации электродов. Получено предельное амплитудное значение тока на мишень на уровне 0,1 А при диаметре ионно-оптической системы 28 мм.

4. Оптимизированы физико-технические характеристики и режимы эксплуатации ускорительных трубок четырех типов.

5. Проанализировано влияние электрических характеристик на об"ект управления - нейтронную трубку, что позволяет проектировать адаптивные системы излучателей нейтронов.

Личный вкдад автора заключается:

- в теоретическом анализе процессов зажигания разряда в орбитрочном ионном источнике;

- в исследовании и оптимизации физико-технических характеристик ионных источников малогабаритных газонаполненных ускорительных нейтронных трубок;

- в исследовании различных схем формирования и транспортировки ионного пучка в диодных системах ускорения нейтронных трубок и оптимизации параметров таких схем;

- в исследовании физико-технических характеристик малогабаритных газонаполненных нейтронных трубок типа НТГ-2, НТГ-3, НТГ-4, НТГ-5 в различных схемах включения, а также регулировочных характеристик с целью создания адаптивных систем нейтронных генераторов.

Практическая ценность.

На основании проведенных исследований:

1. Разработаны конструкции и оптимизированы физические характеристики ускорительных нейтронных трубок для ядерно-физических скважинных и лабораторных исследований 4-х типов:

- НТГ-2 с И И Пеннинга внешним диаметром 30 мм в различных модификациях, что позволило при ускоряющем напряжении

НО кВ и частоте в диапазоне 400 Пд - 20 кГц увеличить нейтронный поток до ЗЛО® нейтр/с при ресурсе 300 час;

- НТГ-3 с орбитронным ионным источником диаметром 60 мм, что позволило при ускоряющем напряжении I00 кВ в диапазоне частот 10 ni - 30 кГц получить нейтронный поток 2.10® нейтр/с при ресурсе 200 час;

- НТГ-4 с ионным источником типа "обращенный" орбитрон диаметром 135 мм, позволило при ускоряющем напряжении 170 кВ в диапазоне частот 20 Гц - 20 к Па получить поток нейтронов 5-Ю^ нейтр/с при ресурсе 300 час;

- НТГ-5 с орбитронным ионным ис.очником, что позволило получить протяженный источник нейтронов длиной 700 мм и диаметром 60 юл с потоком нейтронов ЫО^ нейт^/с при ресурсе 200 час.

2. Результаты исследований использованы при выполнении ОКР и выпуске опытных партий НТ в соответствии с тематическим планом СК1Б с ЭП ИЯИ АН УССР. Опытные образцы ускорительных трубок используются при создании генераторов нейтронов в СКТБ с ЭП ИЯИ АН УССР, ВНИИЛеоинформсистем, ИГН» Лимнологическом институте СО АН СССР.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических расчетов процессов зажигания разряда в системе коаксиальных электродов с учетом торцевых отражателей.

2. Результаты исследования и оптимизации физико-технических характеристик ионных источников типа "орбитрон", "обращенный орбитрон", а такяе источника Пеннинга для малогабаритных ускорительных нейтронных трубок.

3. Результаты расчетов и экспериментального исследования диодных систем формирования и транспортировки ионного пучка, применящихся в ускорительных НТ.

4. Результаты исследования характеристик малогабаритных запаянных ускорительных НТ типа НТГ-2, НТГ-3, НТГ-4, НТГ-5, их конструкция и способы управления параметрами излучения.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на I Международной конференции по нейтронной физике, Киев, 1987 г., Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы ядерно-геофизических методов в изучении разрезов скважин", Обнинск, 1989 г., Ш Всесоюзном совещании "Вопросы разработки и применения портативных генераторов нейтронов", Киев, 1988 г., У1 Всесоюзном совещании по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве, Ленинград, 1987 г.

Публикации.

Основные результаты работы отражены в 4 авторских свидетельствах на изобретения, Ш публикациях в ПТЭ, АЭ, трудах Международной и Всесоюзных конференций, 2 научно-технических отчетах.

Структура диссертации. Диссертация содержит (05 страниц текста, 7 таблиц, рисунков на 54 листах, список литературы из 99 наименований и з страниц приложений.

Работа выполнялась в рамках тематических планов СКТБ с ЗП Ш АН УССР.

Содержание работы.

В первой главе проведен анализ требований, пред"являемых к параметрам портативных генераторов нейтронов в различных отраслях народного хозяйства. Поскольку наиболее жесткие требования с точки зрения потока нейтронов, диапазона рабочих частот, схем включения и эксплуатационных параметров пред"являются в ядерной геофизике, проведен анализ методических и схемных требований к нейтронному потоку. В результате выработана система параметров излучателей, необходимых в настоящее время дня решения задач, стоящих как в лабораторных, так и скважинных исследованиях. Далее проанализированы характеристики имеющихся в настоящее время генераторов нейтронов с точки зрения соответствия их параметрам, изложенным выше. Установлено, что серийно выпускаемые излучатели на базе ускорительных трубок УНГ-1 и НТ-16 не позволяют полностью реализовать возможности и

преимущества нейтронных методов исследования. Проведен анализ характеристик нейтронных генераторов с точки зрения применяемых ускорительных трубок. Обосновано преимущество газонаполненных НТ с точки зрения диапазона частот следования импульсов и ресурса.

На основе проведенного анализа:

I) Предложен спектр малогабаритных ускорительных нейтронных трубок применительно как к лабораторным, так и скважинным исследованиям. 'Таб.1.2).

Таблица 1.2. Основные параметры ускорительных трубок для решения научно-технических задач методами нейтронометрии.

№ пп 1 Диаметр, мм Поток нейтрон. 1/с Частота , повтор., кГЪ Дл. имп. изл. МКС Ресурс ра-ооты, час Ток мише-ни, мкА Ус-кор. напр., кВ

I 35 2-Ю8 2-20 0,2-2 5-50 5-50 200 400 100 ; 130 ! 1

2 60 2-Ю8 0,4-20 0,02-0,4 5-50 3-10 200 500 100 ' 130 |

1 | 1 " ! 135 5-1С9 0,4-20 0,2-1 0,02-0,2 5-50 5-50 3-10 200 2000 150 1 150 : 200 1

4 90 протяженный 10% 0,4-20 5-50 800 2000 100 1

2) Обоснованы направления исследований, в результате кото^-рых ускорительные трубки с описанными параметрами могут быть созданы:

- исследование и оптимизация физико-технических характеристик ионных исто'шиков;

- оптимизация систем формирования и транспортировки ионного пучка;

- оптимизация физико-технических характеристик реальных конструкций малогабаритных ускорительных НТ.

Во второй главе приведены результаты исследования и оптимизации физико-технических характеристик ионных источников. Большое внимание уделено изучению ионного источника с электростатическим удержанием электронов в системе коаксиальных цилиндров, - "орбитроне". В таких источниках потенциал зажигания зависит как от давления, так и от геометрических параметров, таких, как диаметры катода £>к , анода с/а , отверстий в торцевых отражателях 2>оге • При рассмотрении модели процессов, приводящих к возникновению разряда в орбитроне, предложено выражение, описывающее распределение потенциала в разрядной камере источника с учетом торцевых отражателей:

где // - параметр, зависящий, в частности, от длины орбитро-на и некоторых конструктивных особенностей. При L - 40 мм, RK = 12 мм, Ra = 0,028 мм и R0ri = 2 ым N = б. Исследовано влияние начальной энергии, направления движения электронов и места появления на вид потенциальной ямы, удерживающей электроны в зоне разряда. Установлено, что при определенных условиях и характерных энергиях порядка 10 эВ большая часть (^«г*— й 80%) образующихся в результате разряда электронов попадают в радиально-осевую ловушку, продлевая цепь актов ионизации и способствуя таким образом горению разряда.

В результате экспериментального исследования параметров, влияпцих на характеристики разряда в орбитроне установлено, что кроме отношения 2>к и 2>к /z>org существенным яв-

ляется также и отношение длины разрядной камеры И И. (или ее части при разделении камеры на секции установкой дополнительных отражателей) L к ее диаметру DK . В непрерывном режиме это отношение влияет на потенциал зажигания и наклон

. (I)

вольт-амперных характеристик, а в импульсном - на время перехода из слаботочного в сильноточный режим работы Т3 . В результате найдены следующие границы отношения ¿-:

Л £ ¿/а ^ Б (2)

являющиеся оптимальными при создании орбитронного ионного источника. Кроме того, предложена эмпирическая формула кривой Па-шена для системы коаксиальных цилиндров, позволяющая оценивать параметры ионного источника на стадии разработки и проектирования,

(V-

Установлено, что ток ионов, извлекаемых из источника, линейно зависит от тока разряда, что позволяет эффективно им управлять.

Кроме непрерывного режима в орбитронном источнике ионов могут быть реализованы два вида импульсного режима, различающиеся внутренним сопротивлением разрядного промежутка. Слаботочный (высокоимпедансный) характеризуется токами анода в несколько миллиампер на сантиметр длины анода при напряжениях (1-5) кВ. Этот режим подчиняется тем же закономерностям, что и непрерывный и реализуется при давлениях - 4-10~^Па. При давлении выше 4-10"^ Па слаботочный режим может переходить в сильноточный (низкоимпедансный) с током до 10 А/см, органичен-ным, в основном, сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения в разряде составляет (350-800) В в зависимости от давления. В таком режиме ионный источник может функционировать с частотой 10-200 ГЬ, в то время, как в слаботочном - до 20 кГ1д. Во всех случаях ограничивающим фактором является величина среднего тока разряда, чрезмерное увеличение которого приводит к перегреву и разрушению анодной нити.

С целью увеличения предельного тока ионов, извлекаемого из ионного источника, а также плотности ионного тока на поверхности мишени, предложена конструкция исследованы характеристики многонитевого орбитронного источника, названного нами "обращенным", поскольку извлечение ионов осуществляется на мишень, помещенную на оси системы внутри ионного источника. Показано, что такой источник позволяет извлекать потоки ионов с аеличи-

ной среднего гока в несколько миллиампер и поаучагь плотности тока ионов на мишень порядка 0,5 мА/ см? что на порядок больше, по сравнению с обычным орбитроном.

В результате изучения различных способов управления работой орбигрона предложен способ, основанный на изменении потенциала одного или обоих (в односекшонном И И) торцевых отражателей. Значительное упрощение электрической схемы сочетается в таком способе с улучшением управляемости, что позволило достичь частоты следования импульсов 30 кШ при их длительности 5 мкс.

Исследования и оптимизация ионного источника пеннинговско-го типа применительно к ускорительным нейтронным трубкам были направлены на устранение основных недостатков ионных источников отечественных НТ типа УНГ-1 и НТГ-1, - низких значений максимального потока ионов, узкого диапазона частот и слабой управляемости. Ограничения мощности тока вызваны тем, что И И размещались в стеклянном корпусе без обеспечения достаточного отвода тепла от электродов, что приводило к их.перегреву и разрушению. Этот недостаток был устранен изменением конструкции электродов и организацией интенсивного теплоотвода через стенки немагнитного металлического корпуса. Расширение частотного диапазона и улучшение управляемости были достигнуты изменением геометрии И И, в частности, применением полых катодов.

Исследование влияния геометрии, применяемых материалов, давления и величины магнитного поля позволило оптимизировать конструкцию ионного источника Пеннинга таким образом, что в результате были получены токи разряда от I мА до нескольких ампер (в импульсном режиме), при этом средний ток ионов, извлекаемый на мишень достигал I мА.

В результате проведенных исследований оптимизированы характеристики ионных источников орбитронного и пеннинговского типов применительно к малогабаритным ускорительным нейтронным трубкам, способные работать в широком диапазоне частот и длительностей импульсов, обеспечивая достаточный ток пучка ионов для получения требуемых потоков нейтронов. Отметим особо разработку по результатам исследований протяженного источника, создающего ленточный поток ионов на мишень. Предложены и исследованы способ управления током в орбитронном И И, а также

многонитевой "обращенный" И И.

В третьей главе приведены результаты исследования систем формирования и транспортировки на мишень пучка ионов, генерируемого ионными источниками, изученными в настоящей работе и описанными во второй главе. При этом ставились задачи минимизации нежелательного влияния процессов в ускоряющем зазоре на работу ионного источника, проводки пучка с минимальными потеря-га, снижения проводимости ускоряющего промежутка по электронному току, а также минимизации запылечия высоковольтного изолятора металлом электродов.

Изоляция разрядных процессов от дрейфового пространства позволяет адекватно управлять ускорительной трубкой в различных режимах и достигается путем выноса границы отбора ионов из плазмы за пределы разрядной камеры. Подавление электронного тока через ускоряющий зазор осуществлялось введение!дополнительного антидинатронного электрода.

Для аксиальной геометрии извлечения и ускорения ионного пучка проведено математическое моделирование ионно-оптических систем на ЭВМ. При помощи пакета прикладных программ для расчета диодных ускорительных систем было исследовано влияние геометрии электродов на траектории частиц с учетом об"ешого заряда, По результатам расчетов даны рекомендации по оптимизации ускоряющих систем нейтронных трубок с пеннинговским И И для работы в высоко- и низкочастотном режимах. Параллельно велась проверка результатов численного моделирования постановкой экспериментальных исследований как на откачных так и на запаянных макетах ускорительных трубок.

Как показали расчеты и эксперименты, в аксиальных конструкциях создание универсальных ускорительных систем затруднено вследствие значительного влияния на форму пучка пространственного заряда при больших амплитудных значениях тока. В результате гтроееденного автором математического и физического моделирования транспортировки пучка в таких системах были выбраны для Ш-варианта (10-20 кГц) ускорительная диодная система в виде симметричной иммерсионной линзы, а для НЧ (0,1 - 10 кПд) -система конус-цилиндр (угол конуса 150^ определены граничные значения амплитуды импульса тока ионов для каждой из рассмотренных систем: для Ш-варианта 2 мА, для НЧ-варианта - 100 мА.

В коаксиальной геометрии ускорительных трубок при извлечении ионов с боковой поверхности цилиндра изучено влияние геометрических размеров перфорации на функционирование ионного источника. Рассмотрены различные варианты: продольные щелк; сетки. Установлено, что общая "оптическая" прозрачность стенки П - ¿'перф/х5гстенки не должна превышать (5-10)% и, кроме того, размер ячеек сетки или щелей не должен превышать толщины стенки. При этом достигается приемлемая изоляция ионного источника. С точки зрения равномерного распределения ионного потока по поверхности мишени и увеличения тем самым ее ресурса предпочтительным является извлечение ускоряемых ионов через сетку. Комбинация щелей и сетки позволила создать ленточные пучки для решения специальных задач. Обнаружено, что коаксиальные ускоряющие структуры практически не чувствительны к амплитудному значению тока ионов в пределах 0,1 мА - 10 А. Это создает предпосылки для реализации универсальных с точки зрения режимов работы ускорительных нейтронных трубок.

Приведены результаты проведенной автором оптимизации систем электростатического подавления электронного тока в ускоряющем зазоре для различных геометрий. Показано, чго, в зависимости от геометрии ускоряющей системы, формы антидинатронного электрода и режима работы, при подаче напряжения смещения на него (300-1500) 3, ток в цепи трубки может быть снижен в 1,5-3 раза. Эффективность подавления электронной цроводимости в коаксиальной геометрии несколько ниже, поскольку антидина-тронный электрод (сетка) сам становится источником электронов. В заключение предложены комбинации исследованных ионных источников и диодных систем, использованные при создании конфетных конструкций семейства нейгронных трубок типа НТГ.

В четвертой главе приведены результаты исследований ускорительных нейтронных трубок с Пеннинговским (НТГ-2) и орбигрон-ными ионными источниками различной модификации (НТТ-3, НГГ-4, НТГ-5).

Для исследования и оптимизации характеристик НТ была создана установка, позволяющая контролировать напряжение и ток трубки (в высоковольтной цепи), напряжения и токи в цепях ионного источника, ток соленоида, создающего магнитное поле в источнике Пеннинга, частоту следования и длительность импульсов

Фу^ 40гн*йтр/с

-г/и/

-500

¿00 400 Иа5 <Ш № Ш й50 1кр,([

V в)

РисЛ. Зависимость потока нейтронов УТ НТГ-1 от электрических характеристик:

а) ускоряющего напряжения (1-НТГ-2-3, 2 - НТГ-2-1);

б) тока накала катода 1„;

г1

в) анодного напряжения;

г) тока подогревателя хранилища I

токов и напряжений. Нейтронный поток мониторировался по нескольким каналам, а абсолютные измерения проводились по методике активации меди. При этом учитывалась геометрия нейтроно-образупцей мишени, геометрический фактор определялся численным интегрированием на ЭВМ.

Полный нейтронный поток Ф , излучаемый трубкой НТГ-2 зависит от давления рабочего газа, характеризующегося током подогревателя хранилища 1Х/Р , величины индукции магнитного поля £>н , параметров работы ионного источника: тока накала катода 1Н , напряжения на аноде иа и тока анода 1а , а также ускоряющего напряжения Ыт » тока трубки Тг и эффективности подавления вторичных электронов, зависящей от величины сопротивления автосмещения /?м . При этом с точки зрения оптимизации характеристик большой интерес представляет удельный поток нейтронов Фу?" • Учитывая это, автором

исследовались следующие зависимости: сР(бМ}Т^),сР(Тг>

яущ), 93? (иа)) Фа^ЦЦ. Кроме того, для трубки НТГ-2-1 с набивной мишенью изучалась зависимость скорости роста потока нейтронов от тока трубки 1Т и времени набивки. Исследования проводились как в непрерывном так и в импульсном режимах. На рис. £ приведены характерные зависимости

С/т - (а), 1г„ о*, 2Н, и а. „ /у, - г/ Анализ этих и других зависимостей позволяет выбрать оптимальные значения &м , Л5* , Тн • В то же время представляется возможным регулировать поток нейтронов изменением или ("быстрая обратная связь") и ("медленная обратная связь").

Получена эмпирическая формула: ^Р» 10* [3 +0,15(иг-90)]- 1Т, связы-' вающая °Р с ' 1Г и ¿/г при оптимальных прочих параметрах. Здесь иг в киловольтах, Хг - в миллиамперах. При оптимизации всех параметров получен максимальный поток нейтронов 3-10® нейтр/с, а при длительной работе - 2-10® нейтр/с, причем такой поток сохраняется в течение 300 час. Испытания ускорительной трубки показали, что она может работать как с подогревным катодом при анодном напряжении 150-500 В, так и с холодным катодом при анодном напряжении 1-3 кВ.

Для нейтронной трубки НТТ-3 с орбитронным ионным источником исследованы зависимости потока нейтронов от тех же параметров, за исключением, разумеется, £>м и 1И при работе

как в непрерывном, так и в импульсном сильно- и слаботочном режимах, получен нейтронный поток 2-10® нейтрис. Диапазон рабочих частот составил 10 Гц - 30 кЩ плюс непрерывный режим, ресурс - 200 час.

Исследованы характеристики запашного макета ускорительной трубки НТГ-4 с "обращенным" орбитронным источником, получен нейтронный поток 5-10® при ускоряющем напряжении 100 кВ. Обоснована возможность повышения нейтронного потока в 10 раз за счет увеличения ускоряющего напряжения до IVO кВ.

Исследованы характеристики нейтронной трубки с протяженной мишенью НТГ-5, на которой получен линейно распределенный нейтронный поток МО® нейтр/с на длине мишени 70 см. Неравномерность распределения нейтронного потока по длине мишени не превышала Диапазон рабочих частот НТ НТГ-4 и НТГ-5 аналогичен параметрам НТГ-3.

Основные результаты работы.

1. Проанализированы требования, пред"являемые к параметрам генераторов нейтронов, выработаны требования к характеристикам малогабаритных ускорительных нейтронных трубок.

2. Исследованы физико-технические характеристики ионных источников типа "орбитрон", предложена эмпирическая зависимость, позволящая оптимизировать основные параметры на стадии разработки.

3. Предложен, исследован и реализован новый способ управления разрядом в орбитронном источнике ионов.

4. Предложены, исследованы и реализованы ионные источники на базе орбитрона:

а) "обращенный" многонитевой с током ионов до 10 ыА;

б) протяженный с линейной плотностью тока ионов до 0,1 мА/см;

5. Предложена, исследована и реализована конструкция модифицированного ионного источника Пеннинга, работающего в режимах самостоятельного разряда с холодным катодом и несамостоятельного - с накаливаемым катодом в диапазоне частот (0,02-20) кГЬ с током ионов на мишень до I мА.

6. На основании математического моделирования и экспериментального исследования различных систем формирования и

транспортировки ионного пучка выработаны рекомендации по применению конкретных конструкций диодных систем в зависимости от требуемых частотных характеристик и режимов эксплуатации ускорительных нейтронных трубок, обеспечивающие минимальные потери и максимальный ресурс.

7. В результате экспериментальных исследований разработаны и реализованы ускорительные трубки:

а) НТГ-2 в нескольких модификациях с ионным источником Пеннинга с потоком нейтронов до 3-10® нейтр/с в диапазоне частот 100 Ш - 20 к№ и непрерывном режиме с ресурсом 300 час.

б) НТГ-3 с орбитронным ионным источником, на которой получен поток нейтронов 2-10® нейтр/с в диапазоне частот 10 Гц- 30 кГц в непрерывном режиме с ресурсом 200 час.

в) НТГ-4 (макетные экземпляры) с ионным источником типа "обращенный орбитрон", на которой получен поток нейтронов 5-10 нейтр с в диапазоне частот 10 Гц - 30 кШ в непрерывном режиме: обоснована г^инципиальная возможность увеличения потока нейтронов до 5-10" нейтр/с.

г) НТГ-5 (макетные образцы) с протяженным ионным источником, на которой получен поток нейтронов плотностью 1-10^ нейт{/с-м при частоте до 20 кГц и непрерывном режиме. Отклонения линейной плотности потока нейтронов по длине мишени не превышала 1%.

Результаты исследований позволяют не изменяя габаритов нейтронных генераторов повысить поток нейтронов в 3-10 раз с одновременным увеличением ресурса до 200-300 часов и расширением частотного диапазона (20 1Ъ - 20 кГЬ) при минимизации мощности потребления и нестабильности излучения.

8. Основные результаты работы использованы при проведении ОКР по созданию малогабаритных газонаполненных ускорительных нейтронных трубок различных типов в соответствии с тематическим планом СКТБ с ЭП ШИ АН УССР.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

I. гулько В.М., Коломиец Н.Ф., Яковлев К.И. и др. Расчет пробега дейтронов в мишенях нейтронных генераторов с учетом изменения концентрации трития по глубине.- Атомная энергия, 1986, т.61, вып.2, с.131-132.

2. Беспалов Д.Ф., Коломиец Н.Ф., Михайленко Б.В., Яковлев К.И. и др. Газонаполненная малогабаритная нейтронная трубка с ионным источником повышенной эффективности. - В кн. Нейтронная физика: Материалы I Международной конференции по нейтронной физике. Киев, 14-18 сент.1987, Т.4.-М.: ЦНШ-атоминформсистем, 1988, с.27-29.

3. Гулько В.М., Коломиец Н.Ф., Михайленко Б.В., Яковлев К.И. и др. Программа работ, проводимых в СКТБ с ЭП ИШ АН УССР по созданию нового поколения нейтронных трубок для ядерной геофизики. - В кн.: Вопросы разработки и применения портативных генераторов нейтронов: Тез.докл. Ш Всесоюзного совещания. Киев, 2-4 ноября 1988 г., М.: БНИИРТ, 1988, с.87.

4. Гулько В.М., Коломиец Н.Ф., Михайленко Б.В., Яковлев К.И. и др. Малогабаритная запаянная нейтронная трубка с пеннингов-ским ионным источником и накаливаемым катодом типа НТГ-1. -Там же, с.91.

5. Пулько В.М., Коломиец Н.Ф., Михайленко Б.В., Яковлев К.И. и др. Управление нейтронным потоком трубки с источником ионов типа Пеннинга. - Там же, с.104.

6. Гулько В.М., Коломиец Н.Ф., Михайленко Б.В., Яковлев К.И.

и др. Малогабаритная запаянная ионная ускорительная трубка для генерации нейтронов. Тез.докл. У1 Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве.- М.: ЦНИИатоминформ, 1988, с.336.

7. Исследование возможности создания нейтронной трубки с протяженной мишенью. Отчет о НИР СКТБ с ЭП ИЯИ АН УССР, Киев,

1988, с.58.

8. Боголюбов Е.П., Коломиец Н.Ф., Михайленко Б.В., Яковлев К.И. и др. Малогабаритные запаянные нейтронные трубки для геофизических исследований. - В кн.: Проблемы и перспективы ядерно-геофизических методов в изучении разрезов скважин: Тез.докл.Всес.научно-техн. конф. Обнинск, 1989, с. 48.

9. Разработка отпаянной ускорительной нейтронной трубки с протяженной мишенью. Отчет НИР, Киев, СКТБ с ЭП ИЯИ АН УССР,

1989, с.22.

10. Гулько B.M., Коломиец Н.Ф., Михайленко Б.В., Яковлев К.И. и др. Исследование физических характеристик газонаполненной запаянной нейтронной трубки с "орбитронным" ионным источником. - Киев, 1989, б с. Рукопись деп. в ВИНИТИ

№ 6355-889.

11. A.C. 1589859 (СССР), Газонаполненная нейтронная трубка/ В.М. Гулько,' К.И.Яковлев и др. - Не публ.

12. A.C. I588I8I (СССР). Нейтронная трубка/В.М.Гулько, К.И.Яковлев и др. - Не публ.

13. Положительное решение от 23.04.90 по заявке № 4701695.

Газонаполненная нейтронная трубка / В.М.гулько, К.И.Яковлев и др.

14. Гулько В.М., Яковлев К.И. и др. "Малогабаритная запаянная газонаполненная нейтронная трубка типа НТГ-3". - ПТЭ, 1990, № 3, с.48.

15. Положительно решение от 27.07.90 по заявке № 4720291/25. Ионный источник./В.Ы. гулько, К.И.Яковлев и др.

16. Гулько В.М., Коломиец Н.Ф., Михайленко Б.В., Шиканов А.Е., Яковлев К.И. Физические характеристики источника ионов тяжелого водорода на основе разряда в коаксиальной системе с центральным нитевидным анодом. - Изв.вузов, сер.Физика, 1990, т.33, № 9, 0.61-66.

Формат 60x90/16. Уч.-изд.л.О,9. Тираж 120 экз. Бесплатно. Заказ № 39/12.

отпечатано в НИИЭФА