DE1276221B

DE1276221B - Neutron generator with an electrostatic lens system to accelerate the ions

Info

Publication number: DE1276221B
Application number: DE1967G0049644
Authority: DE
Inventors: Dr Werner Eyrich; Wolfgang Keller
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1967-03-23
Filing date: 1967-03-23
Publication date: 1968-08-29

Description

Neutronengenerator mit einem elektrostatischen Linsensystem zur Beschleunigung der Ionen Die Erfindung betrifft einen Neutronengenerator, bei dem sich an die Öffnung eines evakuierten Gehäuses eine Ionenquelle anschließt, während innerhalb des Gehäuses ein als elektrostatisches Linsensystem ausgebildetes Beschleunigungssystem angeordnet ist, welches das divergent eintretende Ionenstrahlbündel auf ein Target fokussiert, das am Ende eines Ionenrohres angebracht ist, wobei das Ionenrohr auf der der Ionenquelle gegenüberliegenden Seite an das evakuierte Gehäuse angeschlossen ist, das Target mit dem evakuierten Gehäuse auf Erdpotential und die Anode der Ionenquelle an Hochspannung liegt.Neutron generator with an electrostatic lens system for acceleration of ions The invention relates to a neutron generator, in which the opening an evacuated housing connects an ion source while within the housing an acceleration system designed as an electrostatic lens system is arranged is which focuses the divergent incoming ion beam onto a target, which is attached to the end of an ion tube, the ion tube on top of that of the ion source opposite side is connected to the evacuated housing, the target with the evacuated housing on earth potential and the anode of the ion source on high voltage lies.

Für bestimmte Anwendungsgebiete, wie z. B. Exponentialexperimente mit gepulsten Neutronenfeldern an schnellen Brutreaktoren, ist es erforderlich, eine große Neutronenmenge kurzzeitig in einem bestimmten Raumgebiet, z. B. im Core des Reaktors, zu erzeugen. Dabei steht z. B. für den relativ langen Ionenlaufweg von 150 cm im Loopkanal des Reaktors nur ein Rohr von etwa 30 mm 0 zur Verfügung.For certain areas of application, such as B. Exponential Experiments with pulsed neutron fields on fast breeder reactors, it is necessary a large amount of neutrons briefly in a certain area of space, e.g. B. in the core of the reactor. It stands z. B. for the relatively long ion path of 150 cm in the loop channel of the reactor, only a tube of about 30 mm diameter is available.

Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Forderungen Neutronengeneratoren mit Fokussierungseinrichtungen zu bauen (Nukleonik, Jahrgang 1962, S. 167 bis 174). Die konstruktiven Eigenarten dieser bekannten Neutronengeneratoren bedingen jedoch einen relativ langen Flugweg der Ionen innerhalb der Beschleunigungs- und Evakuier-Anordnung, bevor der Ionenstrahl fokussiert in das Ionenrohr eingeführt werden kann, an dessen Ende das neutronenerzeugende Target angeordnet ist.It is known to use neutron generators to meet these demands to build with focusing devices (Nukleonik, born 1962, p. 167 to 174). However, the structural peculiarities of these known neutron generators require a relatively long flight path of the ions within the acceleration and evacuation arrangement, before the ion beam can be introduced into the ion tube in a focused manner, at its The end of the neutron generating target is arranged.

So ist bei den bekannten Neutronengeneratoren die auf Hochspannungspotential liegende Ionenquelle von der Erdelektrode der Fokussierungseinrichtung durch einen beide Bauelemente tragenden rohrförmigen Isolator getrennt, an den in Ionenflugrichtung ein ebenfalls rohrförmiges T-Stück zum Anschluß der Vakuumpumpe angesetzt ist.In the known neutron generators, for example, the one is at high voltage potential lying ion source from the ground electrode of the focusing device through a The tubular insulator carrying both components is separated from the one in the direction of ion flight a tubular T-piece is attached to connect the vacuum pump.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neutronengenerator zu schaffen, der durch kompakte Bauweise eine erhebliche Verkürzung des Ionenlaufweges zwischen Ionenquelle und Eintritt in das Ionenrohr ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen die Absaugelektrode und mindestens teilweise auch das elektrostatische Linsensystem halternden und das evakuierte Gehäuse zur Ionenquelle hin abschließenden scheibenförmigen Isolator mit zentraler Bohrung. Dabei wird ein kegelstumpfförmiges, die Fokussierungseinrichtung mindestens teilweise aufnehmendes, an der Peripherie des Scheibenisolators angeflanschtes Gehäuse als Vakuumkammer verwendet, in dessen Außenwand seitlich von dem elektrostatischen Linsensystem ein Hochvakuumanschluß für die Diffusionspumpe angeordnet ist. Durch diese Maßnahmen wird eine wesentliche Verkürzung des von den Ionen innerhalb des Teilchenbeschleunigers zurückzulegenden Weges erreicht. So wurde in einem speziellen Fall der Ionenweg von 120 auf 40 cm, also auf ein Drittel verkürzt.The invention is based on the object of a neutron generator to create a considerable shortening of the ion path due to its compact design between the ion source and the entry into the ion tube. This task will solved according to the invention by the suction electrode and at least partially also supporting the electrostatic lens system and the evacuated housing Disc-shaped insulator with a central bore terminating in the direction of the ion source. In this case, a frustoconical, the focusing device at least partially receiving housing flanged to the periphery of the disk insulator as Vacuum chamber used, in the outer wall of the side of the electrostatic lens system a high vacuum connection for the diffusion pump is arranged. Through these measures is a substantial shortening of the ions within the particle accelerator Reached the path to be covered. This is how the ion path became in a special case from 120 to 40 cm, i.e. shortened to a third.

Bei einer Weiterbildung des Neutronengenerators besitzt dieser eine mit flüssigem, isolierendem Kühlmittel gefüllte Kammer, die begrenzt wird von der an die zentrale Bohrung des Scheibenisolators angeflanschten Ionenquelle, einem an der Peripherie des Scheibenisolators angeflanschten Isolierstoffmantel und einer den Ringspalt zwischen beiden Teilen an der dem Scheibenisolator abgewandten Seite verschließenden Membran.In a further development of the neutron generator, it has one Chamber filled with liquid, insulating coolant, which is delimited by the ion source flanged to the central bore of the disk insulator, a insulating jacket flanged to the periphery of the disk insulator and one the annular gap between the two parts on the side facing away from the disk insulator occluding membrane.

Die Isolierflüssigkeit, z. B. Öl, wird während des Betriebes ständig in einem in sich geschlossenen Kreislauf, der einen Wärmetauscher mit einer im umzuwälzenden Medium laufenden Pumpe einschließlich Antriebsmotor besitzt, umgewälzt, führt die in der Ionenquelle erzeugte Wärme ab und verhindert Sprühentladungen an den Elektroden und Gleitfunkenentladungen an der Oberfläche der die Kammerwand bildenden Isolierstoffe.The insulating liquid, e.g. B. Oil, is constantly during operation in a self-contained circuit, which has a heat exchanger with one to be circulated Medium running pump including drive motor owns, circulates, performs the heat generated in the ion source and prevents spray discharges on the electrodes and floating spark discharges on the surface of the insulating materials forming the chamber wall.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Öffnung des die Ionenquelle umgebenden Isolierstoffmantels mit einem Isolierstoffdeckel zu verschließen, auf dessen abgerundeter Innenseite zur Verhinderung von Gleitfunkenentladungen eine leitfähige Schicht aufgebracht ist.It is particularly advantageous to open the ion source surrounding insulating jacket to close with an insulating cover on its rounded inside to prevent sliding spark discharges a conductive layer is applied.

Zwischen dem Kathodenflansch der Ionenquelle und dem Isolierstoffdeckel entsteht also eine Kammer, durch welche die Kathode der Ionenquelle, die in gewissen Zeitabständen ausgewechselt werden muß, leicht zugänglich wird, ohne daß die Isolierflüssigkeit abgelassen werden müßte. Durch die Kammer wird zur Kühlung der sich während des Betriebes stark erwärmenden Kathode ein Luftstrom geleitet.Between the cathode flange of the ion source and the insulating material cover Thus a chamber arises through which the cathode of the ion source, which in certain Must be replaced at intervals, is easily accessible without the insulating liquid drained would have to be. The chamber is used to cool down during operation The cathode is heated by a stream of air.

Bei einer anderen Weiterbildung des Neutronengenerators werden Isoliertransformatoren zwischen den auf Erdpotential liegenden Geräten zur Erzeugung der Heiz- und Pulsspannung und der auf Hochspannungspotential liegenden Innenquellen eingesetzt, so daß das Pulsgerät und die Regeleinrichtung für den Heizstrom unmittelbar an das Netz angeschlossen werden können.In another development of the neutron generator, isolating transformers are used between the devices at ground potential for generating the heating and pulse voltage and the indoor sources lying on high voltage potential are used, so that the Pulse device and the control device for the heating current are connected directly to the mains can be.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Neutronengenerators werden Mittel zum mechanischen Einstellen des als elektrostatisches Linsensystem ausgebildeten Beschleunigungssystems verwendet. Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß z. B. bei einer dreistufigen Hochspannungskaskade die Spannung für die Absaugelektrode unmittelbar der zweiten Stufe des Hochspannungsgenerators entnommen werden kann, während die Anode der Innenquelle an der letzten Stufe liegt. Dadurch wird es möglich, das bei den bekannten Neutronengeneratoren erforderliche Gerät zum Erzeugen der Absaugspannung von etwa 60 kV vollständig einzusparen. Das elektrostatische Linsensystem ist so ausgebildet, daß die Fokussierungsbedingungen für verschiedene Entfernungen des Targets vom Beschleuniger durch axiales Verstellen der Erdelektrode des Linsensystems einstellbar sind.In a particularly advantageous embodiment of the neutron generator are means for mechanically adjusting the as an electrostatic lens system trained acceleration system used. This has the advantage that z. B. in a three-stage high-voltage cascade, the voltage for the suction electrode can be taken directly from the second stage of the high-voltage generator, while the anode of the internal source is on the last stage. This makes it possible the device required for the known neutron generators to generate the Completely save suction voltage of around 60 kV. The electrostatic lens system is designed so that the focusing conditions for different distances of the target from the accelerator by axially adjusting the ground electrode of the lens system are adjustable.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben: Der scheibenförmige Porzellanisolator 1 besitzt eine zentrale Bohrung und ist auf der Druckseite eben, auf der Vakuumseite aus statischen Gründen und zur Verminderung des Gewichtes kegelförmig zur Mitte hin verjüngt. An der Bohrung und an der Peripherie ist die Scheibe mit eben geschliffenen Dichtflächen versehen. An den Rand der Scheibe ist vakuumdicht eine kegelstumpffönnige Vakuumkammer 2 aus V2A-Stahl angeflanscht, deren Mantel den Anschlußstutzen 3 für eine nicht dargestellte Hochvakuumpumpe trägt.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below: The disk-shaped porcelain insulator 1 has a central hole and is flat on the pressure side and on the vacuum side for static reasons and to reduce weight, conical to the center tapered towards. The disc is ground flat on the bore and on the periphery Provide sealing surfaces. A frustoconical ring is vacuum-tight on the edge of the disc Flanged vacuum chamber 2 made of V2A steel, the jacket of which the connecting piece 3 for carries a high vacuum pump, not shown.

In die zentrale Bohrung des Scheibenisolators ist die Linsenelektrode 4 mit einem Flansch 5 und O-Ringdichtungen vakuumdicht eingesetzt. Auf den Flansch 5 ist die Absaugelektrode 6 direkt und ein kurzes Porzellanrohr 7 sowie der Grundflansch 8 der Innenquelle mit Isolierschrauben aufgeschraubt. Der Grundflansch 8 trägt eine Duoplasmatron-Ionenquelle, die im wesentlichen aus der Anode 9, dem Permanent-Magneten 10, der Zwischenelektrode 11 und der Kathode 12 besteht.The lens electrode is in the central hole of the disk insulator 4 with a flange 5 and O-ring seals used in a vacuum-tight manner. On the flange 5 is the suction electrode 6 directly and a short porcelain tube 7 and the base flange 8 of the inner source screwed on with insulating screws. The base flange 8 carries a Duoplasmatron ion source, which essentially consists of the anode 9, the permanent magnet 10, the intermediate electrode 11 and the cathode 12.

Mit einem Ring 13 ist der Isolierstoffmantel 14, welcher die Innenquelle umschließt, mit dem Scheibenisolator 1 verschraubt. Der Scheibenisolator 1, der Isolierstoffmantel 14, das Porzellanrohr 7, der Grundflansch 8, die Anode 9, der Permanentmagnet 10 und die Zwischenelektrode 11 sind miteinander verbunden und bilden abgeschlossen durch eine Membran 15 eine ringförmige Kammer 16, die mit einem flüssigen Isolierstoff gefüllt ist, der in einem nicht dargestellten geschlossenen Kreislauf zur Abführung der in der Innenquelle entstehenden Wärme ständig umgewälzt wird. Die Umwälzpumpe ist mit ihrem Antriebsmotor innerhalb des Wärmetauschers montiert, so daß nur das Stromzuführungskabel durch die Wand desselben hindurchgeführt werden muß. Die Kathode 12 ist in eine Bohrung der Zwischenelektrode 11 eingeführt und durch den Kathodenflansch 17 gehalten, welcher zusammen mit der Kathode nach Entfernen des die Öffnung des Isolierstoffmantels 14 verschließenden Isolierstoffdeckels 18 leicht ausgewechselt werden kann, ohne daß Isolieröl abgelassen werden müßte.The insulating material jacket 14, which encloses the internal source, is screwed to the disk insulator 1 by means of a ring 13. The disk insulator 1, the insulating jacket 14, the porcelain tube 7, the base flange 8, the anode 9, the permanent magnet 10 and the intermediate electrode 11 are connected to one another and, closed by a membrane 15, form an annular chamber 16 which is filled with a liquid insulating material, which is constantly circulated in a closed circuit (not shown) to dissipate the heat generated in the internal source. The circulation pump is mounted with its drive motor inside the heat exchanger, so that only the power supply cable has to be passed through the wall of the same. The cathode 12 is inserted into a bore in the intermediate electrode 11 and held by the cathode flange 17, which together with the cathode can easily be replaced after removing the insulating cover 18 closing the opening of the insulating jacket 14, without the insulating oil having to be drained off.

In den Mantel 14 sind drei Steckbuchsen eingelassen. Über die Buchse 19 wird die Hochspannung an die Absaugelektrode 6, über Buchse 20 die Hochspannung an die Anode 9 der Innenquelle und über Buchse 21 die Heizspannung an die Kathode 12 und die Pulsspannung an die Kathode 12 und Anode 9 herangeführt. Da die Kathode 12 und die Anode 9 auf Hochspannungspotential liegen, werden zwischen diese Bauelemente und die Geräte zur Erzeugung der Heiz- bzw. Pulsspannung nicht dargestellte Isoliertransformatoren geschaltet.In the jacket 14 three sockets are embedded. About the socket 19 the high voltage is applied to the suction electrode 6, via socket 20 the high voltage to the anode 9 of the internal source and via socket 21 the heating voltage to the cathode 12 and the pulse voltage brought up to the cathode 12 and anode 9. As the cathode 12 and the anode 9 are at high voltage potential, are between these components and the devices for generating the heating or pulse voltage, not shown insulating transformers switched.

Die Vakuumkammer 2 ist auf der der Innenquelle abgewandten Seite durch einen Flansch 22 abgeschlossen, der drei um 120° versetzte Führungsbolzen 23 trägt, von denen ein mit der Erdelektrode 24 des Linsensystems verbundener Ring 25 geführt wird. Dieser Ring 25 und damit die Erdelektrode 24 ist über einen gegen den Flansch 22 mit O-Ringen abdichteten Gewindespindel 26 und Kegelräder 27 durch einen Elektromotor 28 in axialer Richtung des Innenstrahles verstellbar. Das Zonenrohr 29 ist über ein Ventil 30, einen Faltenbalg 31 zur Feinjustierung und einen Justierflansch 32 zur Grobjustierung an den Flansch 22 der Vakuumkammer angeschlossen und trägt am unteren Ende das Target 33.The vacuum chamber 2 is through on the side facing away from the internal source a flange 22 completed, which carries three guide pins 23 offset by 120 °, of which a ring 25 connected to the earth electrode 24 of the lens system is guided will. This ring 25 and thus the earth electrode 24 is against the flange via a 22 with O-rings sealed threaded spindle 26 and bevel gears 27 by an electric motor 28 adjustable in the axial direction of the inner jet. The zone tube 29 is over a valve 30, a bellows 31 for fine adjustment and an adjustment flange 32 connected to the flange 22 of the vacuum chamber for coarse adjustment and carries on lower end of the target 33.

Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, die Absaugelektrode mit der Linsenelektrode zu vereinigen und auf der der Vakuumkammer zugewandten Seite des Scheibenisolators an dessen zentrale Bohrung anzuschließen. Dadurch kann die Innenquelle unmittelbar an die Druckseite des Scheibenisolators angeschraubt und somit eine weitere Verkürzung des Ionenlaufweges innerhalb des Beschleunigers erreicht werden. Die Zuführung der Hochspannung an die kombinierte Absaug- und Linsenelektrode erfolgt in diesem Fall über eine in der kegelförmigen Wand der Vakuumkammer angeordnete Hochspannungsdurchführung.Notwithstanding the embodiment described, it is also possible to unite the suction electrode with the lens electrode and on that of the vacuum chamber facing side of the disk insulator to be connected to its central bore. As a result, the internal source can directly reach the pressure side of the pane insulator screwed on and thus a further shortening of the ion path within the Accelerator can be achieved. The feeding of the high voltage to the combined In this case, the suction and lens electrodes are made via a conical electrode Wall of the vacuum chamber arranged high-voltage bushing.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch die Verwendung eines Scheibenisolators die Innenwege im Beschleuniger sehr kurz sind und durch diese kompakte Bauweise die Möglichkeit geschaffen wird, erheblich größere Innenströme durch das Beschleunigersystem zu bringen. Ferner kann man jetzt den Innenstrahl über größere Entfernungen vom Beschleuniger weg fokussieren, wobei die Verluste durch Raumladungsaufweitung des Strahles bedeutend herabgesetzt werden.The main advantages of the invention are, in particular, that by using a disk insulator, the inner paths in the accelerator are very short and this compact design creates the possibility of to bring considerably larger internal currents through the accelerator system. Furthermore can you now focus the inner beam over greater distances away from the accelerator, the losses due to the expansion of the space charge of the beam are significantly reduced will.

Ein weiterer beachtlicher Vorteil ergibt sich aus der Anordnung der Kathode der Innenquelle, die nach Abnehmen eines Isolierstoffdeckels ohne weitere Manipulationen, insbesondere auch ohne Ablassen von Isolieröl, von außen zugänglich wird und daher außerordentlich leicht auswechselbar ist.Another notable advantage results from the arrangement of the Cathode of the inner source, which after removing an insulating cover without further Manipulation, especially without draining the insulating oil, is accessible from the outside and is therefore extremely easy to replace.

Sehr vorteilhaft ist auch die Verwendung von Trenntransformatoren für die Zuführung von Heiz-und Pulsstrom zur Innenquelle, da hierdurch die Geräte zur Erzeugung der erforderlichen Spannung unmittelbar an das Netz angeschlossen werden können. Ein anderer Vorteil ergibt sich aus der mechanischen Einstellung der Linsenebene, indem z. B. bei einer dreistufigen Hochspannungskaskade die Spannung für die Absaugelektrode unmittelbar der zweiten Stufe des Hochspannungsgenerators entnommen werden kann, während die Anode der Ionenquelle an der letzten Stufe desselben liegt. Dadurch wird es möglich, das bei den bekannten Neutronengeneratoren erforderliche Gerät zum Erzeugen der Absaugspannung von etwa 60 kV vollständig einzusparen.The use of isolating transformers is also very beneficial for the supply of heating and pulse current to the indoor source, as this makes the devices directly connected to the mains to generate the required voltage can be. Another advantage arises from the mechanical one Adjustment of the lens plane by z. B. in a three-stage high-voltage cascade the voltage for the suction electrode directly from the second stage of the high-voltage generator can be removed while the anode of the ion source is at the last stage of the same lies. This makes it possible to do what is required with the known neutron generators The device for generating the suction voltage of around 60 kV can be completely saved.

Claims

Claims: 1. Neutron generator, in which the opening an evacuated housing connects an ion source while within the housing an acceleration system designed as an electrostatic lens system is arranged is which focuses the divergent incoming ion beam onto a target, which is attached to the end of an ion tube, the ion tube on top of that of the ion source opposite side is connected to the evacuated housing, the target with the evacuated housing on earth potential and the anode of the ion source on high voltage the suction electrode (6) and at least partially also holding the electrostatic lens system (4) and that evacuated housing (2) to the ion source closing disk-shaped insulator (1) with central hole.

2. Neutron generator according to claim 1, characterized by a frustoconical, flanged to the periphery of the disk insulator Housing as a vacuum chamber.

3. Neutron generator according to claim 2, characterized by a laterally in the outer wall of the frustoconical evacuated housing high vacuum port located by the electrostatic lens system.

4. Neutron generator according to one or more of claims 1 to 3, characterized by one with a liquid, insulating coolant-filled chamber (16) which is delimited by the ion source flanged to the central bore of the disk-shaped insulator, an insulating jacket flanged to the periphery of the disk-shaped insulator (14) and one the annular gap between the two parts on the disk insulator facing away from the sealing membrane (15).

5. Neutron generator after a or more of claims 1 to 4, characterized by the opening of the the ion source receiving the insulating jacket closing, on its inside rounded, at least partially provided with a conductive layer of insulating material cover (l.8).

6. Neutron generator according to one or more of claims 1 to 5, characterized through one of a cathode flange (17) of the ion source of the membrane (15) and the Isolierstoffdeckel (18) formed air-cooled chamber.

7. Neutron generator after one or more of claims 1 to 6, characterized by one after removal of the insulating material cover exchangeable cathode (12) of the ion source. B.

Neutron generator according to one or more of claims 1 to 7, characterized by insulating transformers between the devices at ground potential for generating the heating and pulse voltage and the ion source at high voltage potential.

9. Neutron generator according to one or more of claims 1 to 8, characterized by means for mechanical adjustment of the acceleration system designed as an electrostatic lens system.

10. Neutron generator according to one or more of claims 4 to 9, characterized by a self-contained, a heat exchanger and a pump containing Circuit for the insulating coolant.