RU2541509C1

RU2541509C1 - Neutron radiator unit

Info

Publication number: RU2541509C1
Application number: RU2013148413/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Тимофеевич Бобылев; Евгений Петрович Боголюбов; Сергей Иванович Брагин; Юрий Константинович Пресняков; Юрий Павлович Кузнецов
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-02-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: in the disclosed neutron radiator unit, a neutron tube (8) with a metal housing (9) is hermetically attached to the end of the housing of a power circuit unit and has thermal and electrical contact therewith, while allowing replacement of the neutron tube. The neutron tube is placed with spacing between a high-voltage insulator (16) of the neutron tube and the insulator of the power circuit unit (17), filled with a gaseous dielectric (18). A ceramic ring with electrical resistance equal to the bias resistance is placed between the housing of the neutron tube and the target. The power circuit unit and the neutron tube are electrically connected to each other by floating contacts.

EFFECT: longer service life, high radiation intensity owing to removal of insulating materials from the region around the accelerating electrode, and high stability.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам импульсных излучателей - генераторов разовых или многоразовых импульсов нейтронного и рентгеновского излучения.The invention relates to devices for pulsed emitters - generators of single or reusable pulses of neutron and x-ray radiation.

Известно устройство для импульсного нейтронного каротажа скважин, состоящее из наземной аппаратуры временного анализа импульсов, блока управления и питания и скважинного прибора, содержащего импульсный источник быстрых нейтронов, выполненный на ускорительной трубке с мишенью, каналы регистрации нейтронов и гамма-квантов, схему управления источником нейтронов, источник питания, в котором в каналы регистрации введены преобразующие сплошной спектр счетных импульсов в линейчатые схемы пропускания, управляемые одним задающим генератором и генератором цуга, а в цепь генератора цуга введена линия задержки и триггер, выходы которого подключены к входам управления схемы пропускания. Задающий генератор выполнен по схеме ждущего мультивибратора, одно плечо которого подключено к наземному источнику регулируемого напряжения. Авторское свидетельство СССР №447097, МПК: G01V 5/10, 2000 г. Устройство нестабильно и ненадежно в работе, громоздко.A device for pulsed neutron logging of wells, consisting of ground-based equipment for the temporary analysis of pulses, a control unit and power, and a downhole tool containing a pulsed source of fast neutrons made on an accelerator tube with a target, registration channels for neutrons and gamma rays, a neutron source control circuit, a power source in which a continuous spectrum of counting pulses is converted into the registration channels into linear transmission circuits controlled by a single master oscillator m and the oscillator pulse train, and the train of oscillator circuit is introduced and the delay line flip-flop, the outputs of which are connected to the transmission control circuit inputs. The master oscillator is designed according to the waiting multivibrator circuit, one arm of which is connected to a ground source of controlled voltage. USSR copyright certificate No. 447097, IPC: G01V 5/10, 2000. The device is unstable and unreliable in operation, bulky.

Известен импульсный нейтронный генератор на вакуумной нейтронной трубке, содержащий блок трубки в виде металлического корпуса, залитого жидким диэлектриком, в котором расположена нейтронная трубка с ее схемой питания, блок коммутации со схемой формирования управляющего импульса, блока электроники. Серийно выпускаемый блок трубки ИНГ-013БТ. Прототип. Сборник материалов, Межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, 2004, с.73. Прототип имеет ограниченный ресурс работы.Known pulsed neutron generator on a vacuum neutron tube containing a tube block in the form of a metal casing, filled with a liquid dielectric, in which the neutron tube with its power circuit, a switching unit with a control pulse generating circuit, an electronics unit. Serially produced ING-013BT tube block. Prototype. Collection of materials, Interdisciplinary scientific and technical conference "Portable neutron generators and technologies based on them", All-Russian Research Institute of Automatics named after N.L. Dukhov, 2004, p. 73. The prototype has a limited resource of work.

Задачей изобретения является разработка мощного, стабильного нейтронного генератора с большим ресурсом работы.The objective of the invention is to develop a powerful, stable neutron generator with a long service life.

Техническим результатом изобретения является увеличение ресурса, повышение интенсивности за счет удаления изоляционных материалов из области вокруг ускоряющего электрода, повышение стабильности.The technical result of the invention is to increase the resource, increase the intensity by removing insulating materials from the region around the accelerating electrode, and increase stability.

Технический результат достигается тем, что в блоке излучателя нейтронов, содержащем нейтронную трубку со схемой питания, включающей накопительный конденсатор, схему формирования ускоряющего импульса напряжения на нейтронную трубку, схему питания ионного источника нейтронной трубки, схему формирования импульса поджига нейтронной трубки, причем схема питания размещена отдельным блоком в металлическом герметичном корпусе, залитом жидким диэлектриком, с системой термокомпенсации, нейтронная трубка с металлическим корпусом герметично закреплена на торце корпуса блока схемы питания, имеет с ним тепловой и электрический контакты с возможностью смены нейтронной трубки, нейтронная трубка размещена с зазором между высоковольтным изолятором нейтронной трубки и изолятором блока схемы питания, заполненным газообразным диэлектриком. Между корпусом нейтронной трубки и мишенью расположено керамическое кольцо с электрическим сопротивлением, равным сопротивлению смещения. Блок схемы питания и нейтронная трубка электрически соединены между собой плавающими контактами.The technical result is achieved by the fact that in the block of a neutron emitter containing a neutron tube with a power circuit including a storage capacitor, a circuit for generating an accelerating voltage pulse to a neutron tube, a power circuit for an ion source of a neutron tube, a circuit for generating a pulse for igniting a neutron tube, the power circuit being placed separately a block in a metal sealed enclosure filled with a liquid dielectric, with a thermal compensation system, a neutron tube with a metal case sealed it is mounted on the end face of the power supply unit case, has thermal and electrical contacts with it with the possibility of changing the neutron tube, the neutron tube is placed with a gap between the high-voltage insulator of the neutron tube and the insulator of the power supply unit filled with gaseous dielectric. A ceramic ring with an electrical resistance equal to the bias resistance is located between the neutron tube body and the target. The power supply unit and the neutron tube are electrically interconnected by floating contacts.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.The invention is illustrated in figure 1, figure 2 and figure 3.

На фиг.1 схематично представлен продольный разрез блока излучателя, где: 1 - металлический корпус блока схемы питания нейтронной трубки; 2 - металлический замкнутый сердечник высоковольтного трансформатора, 3 - импульсный высоковольтный трансформатор, 4 - трансформаторы поджига НТ, 5 - накопительный конденсаторы, 6 - конденсаторы источников, 7 - дроссель, 8 - нейтронная трубка, 9 - металлический корпус НТ, 10 - сопротивление смещения, 11 - мишенный электрод НТ, 12 - сеточный электрод НТ, 13 - анодный электрод НТ, 14 - катодный электрод НТ, 15 - поджигающий электрод НТ, 16 - высоковольтный изолятор НТ, 17 - изолятор блока схемы питания, 18 - газообразный диэлектрик, 19 - жидкий диэлектрик, 20 - электрический экран, 21 - плавающие контакты, 22 - элементы крепления и герметизации, 23 - проходные керамические изоляторы, 24 - термокомпенсатор.Figure 1 schematically shows a longitudinal section of a radiator block, where: 1 - a metal casing of a block of a neutron tube power circuit; 2 - metal closed core of a high voltage transformer, 3 - pulse high voltage transformer, 4 - ignition transformers NT, 5 - storage capacitors, 6 - source capacitors, 7 - inductor, 8 - neutron tube, 9 - NT metal case, 10 - bias resistance, 11 — target electrode NT, 12 — grid electrode NT, 13 — anode electrode NT, 14 — cathode electrode NT, 15 — ignition electrode NT, 16 — high-voltage insulator NT, 17 — insulator of the power supply circuit, 18 — gaseous dielectric, 19 — liquid dielectric, 20 - electric Iy screen, 21 - floating contacts, 22 - fasteners and sealing elements, 23 - bushing ceramic insulators, 24 - temperature compensator.

На фиг.2 представлена схема блока излучателя нейтронов, где: 2 - металлический замкнутый сердечник высоковольтного трансформатора, 4 - трансформаторы поджига НТ, 5 - накопительный конденсаторы, 6 - конденсаторы источников, 7 - дроссель, 8 - нейтронная трубка, 10 - сопротивление смещения, 23 - проходные керамические изоляторы.Figure 2 presents a block diagram of a neutron emitter, where: 2 - metal closed core of a high voltage transformer, 4 - transformers ignition NT, 5 - storage capacitors, 6 - capacitors of sources, 7 - inductor, 8 - neutron tube, 10 - bias resistance, 23 - bushing ceramic insulators.

На фиг.3 схематично представлено разбиение блока излучателя нейтронного генератора на функциональные блоки: блок схемы питания нейтронной трубки БП и блок нейтронной трубки в металлическом корпусе НТ, где: 10 - сопротивление смещения, 11 - мишенный электрод НТ, 12 - сеточный электрод НТ, 21 - плавающие контакты.Figure 3 schematically shows the partitioning of the block of the emitter of the neutron generator into functional blocks: the power supply unit of the neutron tube power supply unit and the neutron tube unit in the metal housing NT, where: 10 - bias resistance, 11 - target electrode NT, 12 - grid electrode NT, 21 - floating contacts.

Блок излучателя выполнен в виде двух функциональных блоков (фиг.3): блока схемы питания нейтронной трубки БП и нейтронной трубки в металлическим корпусом НТ. БП заполнен жидким диэлектриком. Полость между изолятором НТ и изолятором БП заполнена газообразным диэлектриком. Такое конструктивное выполнение излучателя позволяет осуществлять быструю замену НТ при отработке ее ресурса.The emitter block is made in the form of two functional blocks (Fig. 3): a power supply unit for a neutron tube power supply unit and a neutron tube in a metal housing NT. BP is filled with a liquid dielectric. The cavity between the insulator NT and the insulator BP is filled with a gaseous dielectric. Such a constructive implementation of the emitter allows for the rapid replacement of NT during the development of its resource.

Блок схемы питания нейтронной трубки БП включает корпус 1, высоковольтную часть схемы ее питания, обеспечивающую ускоряющее напряжение с высоковольтным трансформатором 3 на замкнутом металлическом сердечнике 2, трансформатор поджига 4, накопительные конденсаторы 5, конденсатор источника ионов 6, дроссель 7.The power supply unit of the BP neutron tube includes a housing 1, a high-voltage part of its power supply circuit, which provides accelerating voltage with a high-voltage transformer 3 on a closed metal core 2, an ignition transformer 4, storage capacitors 5, an ion source capacitor 6, a reactor 7.

Для обеспечения электрической прочности и теплопередачи от внутренних источников энергии во внешнюю среду БП залит жидким диэлектриком 19. Для компенсации температурного изменения объема жидкого диэлектрика установлен компенсатор 24.To ensure electrical strength and heat transfer from internal energy sources to the external environment, the power supply unit is filled with a liquid dielectric 19. To compensate for the temperature change in the volume of the liquid dielectric, a compensator 24 is installed.

Нейтронная трубка 8 НТ содержит металлический корпус 9, несколько ионных искровых источников дейтонов 14, 15 при общем аноде 13. Анодный узла обеспечивает повышенный в 2-3 раза ресурс работы трубки.The neutron tube 8 NT contains a metal casing 9, several ion spark sources of deuterons 14, 15 with a common anode 13. The anode assembly provides a 2–3 times increased tube life.

Сеточный электрод 12 жестко соединен с корпусом 9 нейтронной трубки, внутри которой коаксиально закреплена мишень и сопротивление смещения 10 (керамическое кольцо).The grid electrode 12 is rigidly connected to the casing 9 of the neutron tube, inside of which the target and the bias resistance 10 (ceramic ring) are coaxially fixed.

Сопротивление керамического кольца 10 равно сопротивлению смещения между сеточным 12 и мишенным 11 электродами. Величина этого сопротивления лежит в пределах от 800 Ом до 5 кОм.The resistance of the ceramic ring 10 is equal to the bias resistance between the grid 12 and the target 11 electrodes. The value of this resistance lies in the range from 800 Ohms to 5 kOhms.

Технологически сопротивление на керамике может быть выполнено различными способами: напылением резистивного слоя, выполнением объемного сопротивления в керамике и т.д.Technologically, the resistance on ceramics can be performed in various ways: by spraying a resistive layer, performing volume resistance in ceramics, etc.

Анодный узел 13 жестко закреплен на одном конце высоковольтного керамического изолятора 16, другой конец которого закреплен на корпусе 9 нейтронной трубки 8 и соединен с электрическим экраном 20 для выравнивания электрического поля в блоке излучателя.The anode assembly 13 is rigidly fixed at one end of the high-voltage ceramic insulator 16, the other end of which is fixed to the casing 9 of the neutron tube 8 and connected to an electric shield 20 to align the electric field in the emitter unit.

Нейтронная трубка 8 с металлическим корпусом 9 герметично и жестко закреплена на торце корпуса 1 блока схемы питания при помощи элементов крепежа и герметизации 22, имеет с корпусом 1 электрический и тепловой контакт, размещена с зазором 18 между высоковольтным изолятором 16 и изолятором блока питания 17 заполненным газообразным диэлектриком. В качестве газообразного диэлектрика в излучателе использован элегаз, имеющий лучшие по сравнению с жидкими диэлектриками свойства.The neutron tube 8 with a metal casing 9 is hermetically and rigidly fixed to the end of the casing 1 of the power supply unit by means of fasteners and sealing elements 22, has electrical and thermal contact with the casing 1, is placed with a gap 18 between the high-voltage insulator 16 and the insulator of the power supply 17 filled with gaseous dielectric. As a gaseous dielectric in the emitter, SF6 gas is used, which has better properties compared to liquid dielectrics.

В качестве жидкого диэлектрика 19 в БП использовано масло ТКп, имеющее хорошие диэлектрические свойства. Одним из наиболее подходящих жидких диэлектриков является кремнийорганическая жидкость ПФМС-2/5 Л, обладающая аналогичными с маслом ТКп диэлектрическими свойствами (50 кВ/2,5 мм) и коэффициентом объемного расширения.As the liquid dielectric 19 in the PS, TKp oil is used, which has good dielectric properties. One of the most suitable liquid dielectrics is PFMS-2/5 L organosilicon liquid, which has dielectric properties (50 kV / 2.5 mm) similar to TKp oil and a volume expansion coefficient.

Внешнее питание и импульсы запуска подают через керамические проходные изоляторы 23.External power and trigger pulses are fed through ceramic bushing insulators 23.

Блок излучателя работает следующим образом.The emitter unit operates as follows.

При срабатывании коммутирующего элемента (на фигурах не показан) накопительные конденсаторы 5, заряженные до напряжения 4,5 кВ, разряжаются через первичные обмотки трансформатора 4. На вторичной обмотке формируется импульс напряжения 100-150 кВ длительностью 4 мкс, положительной полярности и через систему контактов 21 подается на катод 14 нейтронной трубки. С задержкой 0,8 мкс один из трансформаторов 4 формирует импульс поджига ионного источника и разряд конденсаторов 6 через анод13 и катод 14. Образовавшиеся ионы дейтерия бомбардируют мишенный электрод нейтронной трубки 8. На мишени в результате реакции ₁H²+₁H³→₂He⁴+n образуются нейтроны с энергией 14 МэВ и вторичные электроны.When the switching element is activated (not shown in the figures), the storage capacitors 5, charged to a voltage of 4.5 kV, are discharged through the primary windings of the transformer 4. A voltage pulse of 100-150 kV with a duration of 4 μs, of positive polarity and through a contact system 21 is formed on the secondary winding fed to the cathode 14 of the neutron tube. With a delay of 0.8 μs, one of the transformers 4 generates a pulse of ignition of the ion source and the discharge of capacitors 6 through the anode 13 and cathode 14. The formed deuterium ions bombard the target electrode of the neutron tube 8. On the target as a result of the reaction ₁ H ² + ₁ H ³ → ₂ He ⁴ + n neutrons with an energy of 14 MeV and secondary electrons are formed.

При протекании тока через ускоряющий зазор на сопротивлении смещения 10 возникает разность потенциалов, которая запирает вторичные электроны, образовавшиеся в процессе бомбардировки мишени нейтронной трубки 8 ионами дейтерия, что позволяет уменьшить паразитный ток трубки и повысить тем самым срок ее службы.When a current flows through an accelerating gap at a bias resistance of 10, a potential difference arises that closes the secondary electrons formed during the bombardment of the neutron tube target by 8 deuterium ions, which reduces the parasitic current of the tube and thereby increases its service life.

При работе блока излучателя происходит разогрев мишенного электрода 11 до температуры 100°C. Так как мишень блока открыта, она охлаждается естественным путем и принудительным охлаждением воздухом или водой.When the emitter unit is operating, the target electrode 11 is heated to a temperature of 100 ° C. Since the target of the block is open, it is naturally cooled and forced cooling with air or water.

В излучателе можно последовательно автоматически подключать источники, увеличивая ресурс работы блока излучателя до 500-600 часов.In the emitter, you can sequentially automatically connect the sources, increasing the life of the emitter unit up to 500-600 hours.

Ресурс определен длительностью работы блока питания и составляет 1000 часов.The resource is determined by the duration of the power supply and is 1000 hours.

Claims

1. The neutron emitter block, comprising a neutron tube with a power circuit including a storage capacitor, an accelerating voltage pulse generating circuit for a neutron tube, a power supply for an ion source of a neutron tube, a pulse generating circuit for igniting a neutron tube, the power circuit being housed in a separate unit in a metal sealed enclosure filled with a liquid dielectric, with a thermal compensation system, characterized in that the neutron tube with a metal casing is hermetically attached to the end face Pusa supply circuit unit since it has thermal and electrical contact with the ability to change the neutron tube neutron tube is placed with a gap between the high voltage insulator and insulator neutron tube supply circuit unit filled with a gaseous dielectric.

2. The neutron emitter block according to claim 1, characterized in that between the neutron tube body and the target there is a ceramic ring with an electrical resistance equal to the bias resistance.

3. The neutron emitter unit according to claim 1, characterized in that the power supply unit and the neutron tube are electrically connected to each other by floating contacts.