Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления титано-тритиевой мишени нейтронной трубки

Изобретение относится к способу изготовления титано-тритиевых мишеней нейтронных трубок, используемых в скважинной геофизической аппаратуре для каротажа нефтяных и газовых месторождений, а также в составе аппаратуры нейтронного активационного анализа.

Известен способ изготовления титано-тритиевой мишени нейтронной трубки [патент РФ №2257628, МПК G21G 4/04], заключающийся в том, что на молибденовую подложку в форме диска, находящуюся при температуре 20-50°C, напыляют титановую пленку методом термического испарения в вакууме. После этого подложку с титановым слоем извлекают из установки напыления и насыщают тритием в специальной установке. Насыщение титано-тритиевых мишеней по этому способу состоит из следующих стадий:

- помещают подложку с титановым слоем в камеру насыщения;

- производят вакуумирование камеры до давления 2⋅10^-5 мм рт.ст. с одновременным нагревом до 300°C (проводится активация титанового слоя);

- подают тритий в камеру для насыщения мишеней и осуществляют нагрев до 525°C;

- охлаждают камеру, в процессе чего происходит насыщение титанового слоя мишени тритием.

Известен способ изготовления титано-тритиевой мишени [патент РФ №2561499, МПК Н05Н 6/00], в котором, в отличие от приведенного выше способа, производится вакуумирование камеры насыщения с мишенью до давления 5⋅10^-5 мм рт.ст., а затем - заполнение камеры насыщения тритием с последующим ее нагревом до температуры 300-500°C. Согласно этому способу, тритий в камеру насыщения подают перед активацией слоя титана и активацию проводят в среде трития; количество трития рассчитывают из условия достижения атомного отношения T/Ti=1,5…1,7, а нагрев и охлаждение проводят с темпом 2-3°C/мин.

Мишени, изготовленные в соответствии со способами, приведенными выше, имеют существенный недостаток - недостаточную термическую стойкость, под которой понимается свойство гидрида сохранять начальное атомное отношение трития к титану при нагреве гидрида. В процессе эксплуатации нейтронных трубок мишени подвергаются значительным тепловым воздействиям. Расчетная оценка температуры локального нагрева поверхности мишени при интенсивной эксплуатации нейтронной трубки составляет 330-400°C. Реальная термическая стойкость гидрида титана невелика и в зависимости от атомного отношения водорода к титану составляет 250-280°C. При десорбции трития из мишени в объем трубки ее нейтронный выход снижается. Кроме того, недостаточная термическая стойкость титано-тритиевой мишени может приводить к потере трития в процессе вакуумной термической обработки трубки, что приводит к снижению нейтронного выхода нейтронной трубки из-за уменьшения концентрации трития в мишени.

Одним из путей совершенствования нейтронной трубки является повышение термической стойкости титано-тритиевой мишени.

Известен способ повышения термической стойкости титано-тритиевой мишени путем напыления сорбента на металлическую основу мишени, нагретую до температуры 500-650°C [патент РФ 2222064, МПК G21G 4/02, Н05Н 6/00]. Недостатком этого технического решения является то, что в процессе напыления титана на металлическую основу при указанных температурах возможно образование интерметаллидного слоя (Ti-Me, где Me - материал подложки). При образовании интерметаллидного слоя сорбционная емкость мишени уменьшается, равновесное давление трития над тритидом титана повышается, что снижает термическую стойкость мишени и технические характеристики трубки в целом [Горловой Г.Д., Степаненко В.А. Тритиевые излучатели. М.: Атомиздат, 1965; П.И. Гаврилов, А.В. Стеньгач, В.Г. Куропаткин и др. Исследование процесса изготовления тритиевых мишеней для нейтронных генераторов. В сб. «Потенциал российских ядерных центров и МНТЦ в тритиевых технологиях», г. Саров, 1999, с. 75-77].

Известен способ повышения термической стойкости гидрида титана, заключающийся в нанесении на его поверхность пленки из другого металла, например никеля, меди [P.M. Proa-Flores, A.L. Drew. Production of Aluminum Foams with Ni-coated TiH 2 Powder. Porous Metals and Metallic Foams, edited by L. P. Lefebvre, J. Banhart and D. Dunand. Proceedings of the Fifth International Conference on Porous Metals and Metallic Foams, September 5-7, 2007, Montreal, Canada, MetFoam 2007, DE-Stech Publications, Inc., 439 North Duke Street, Lancaster, Pennsylvania 17602 U.S.; Горькаева О.Л., Тарасова А.И., Стеньгач А.В. и др. Повышение термической стабильности гидрида титана. Материалы международной конференции «Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов, ICHMS'2009», 25-31 августа 2009, г. Киев, с. 214-215]. Поверхностный слой металла на гидрид наносится электролитическим способом. Реализация этого способа применительно к тритиду будет сложна технологически. Способ потребует применения дополнительных мер радиационной безопасности, поскольку в процессе нанесения гальванического покрытия на тритид будут образовываться жидкие радиоактивные отходы. Другим существенным недостатком этого технического решения является то, что для обеспечения сплошности металлического покрытия на гидриде его толщина должна быть не менее 0,5 мкм. Столь значительный по толщине металлический слой будет существенно тормозить дейтроны, проникающие в тритид при включении трубки, и существенно снижать ее нейтронный выход.

Известен способ повышения термической стойкости гидрида титана, заключающийся в его прогреве в атмосфере воздуха для образования на поверхности гидрида оксидной пленки [A.R. Kennedy, V.H. Lopez. Decomposition behaviour of as-received and oxidized TiH2 foaming-agent powder. Materials Science and Engineering A357, 2003, p. 258-263]. Согласно этому способу прогрев гидрида титана на воздухе рекомендуется проводить при температуре 530÷630°C. Недостатком этого способа обработки гидрида титана является то, что одновременно с повышением стойкости гидрида титана происходит существенное снижение в нем содержания водорода. Так, например, согласно данным [патент РФ 2222064, МПК G21G 4/02, Н05Н 6/00], мишени, насыщенные тритием до атомного отношения трития к титану, равного 1.6, после шестичасовой вакуумно-термической обработки при температуре 260°C теряют 14% трития. С повышением температуры до 290°C потери трития составляют 30%.

Известен способ повышения термической стойкости гидрида титана [патент РФ №2466929, МПК С01В 6/34, С01В06, 02], заключающийся в его прогреве в среде водорода при температуре 250-600°C при давлении 1,5÷48 атм в течение 1-480 часов. Недостатком этого технического решения является то, что при температуре, при которой потери трития из тритида будут минимальны, длительность технологического процесса составит несколько сотен часов. Кроме того, реализация указанного технического решения потребует обеспечения повышенных мер радиационной безопасности при работе с газообразным тритием при давлениях выше атмосферного.

Наиболее близким по существенным признакам и достигаемому техническому результату является способ изготовления нейтронной трубки с мишенью с покрытием [патент США №3640597, кл. МПК H01J 9/38, G21G 3/04], заключающийся в том, что проводят напыление активного металла (сорбента), например титана, на основу мишени, насыщают титан тритием или дейтерием и затем, непосредственно в трубку с установленной в ней мишенью, подают газ, которым может быть кислород, азот, хлор, углерод (в виде паров или газов, содержащих углерод). После подачи газа в трубку производят нагрев мишени до температуры 150-200°C с последующей выдержкой в этих условиях в течение 1 часа. В случае применения кислорода рекомендуемое давление в трубке составляет 200-400 мм рт.ст. Согласно заявленному техническому решению при этом на сорбенте происходит формирование защитного покрытия, повышающего термическую стойкость мишени.

Недостатком данного технического решения является сравнительно низкая термическая стойкость мишени после указанных воздействий. Кроме того, нагрев мишени в атмосфере газов производится в составе нейтронной трубки. При этом неизбежен нагрев элементов трубки, расположенных вблизи мишени, с растворением в них газов. В процессе хранения десорбция этих газов в объем трубки будет снижать ее ресурс. При использовании в качестве газа кислорода вместе с мишенью оксидированию будут подвергаться поверхности металлических элементов, находящихся внутри трубки. Оксидные пленки на поверхности металлов, в отличие от гидридов, имеют рыхлую структуру, что приводит к их отслаиванию от металла и образованию частиц оксидов металла, свободно перемещающихся в объеме трубки. Эти частицы оксидов могут инициировать разряды в трубке и нарушать ее нормальную эксплуатацию.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание титано-тритиевой мишени с повышенной термической стойкостью путем обработки в газовой среде вне объема нейтронной трубки и сохранения начального состава мишени по тритию на всех этапах изготовления трубки.

Техническим результатом является повышение термической стойкости титано-тритиевой мишени, повышение ресурса и надежности работы нейтронной трубки.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления титано-тритиевой мишени нейтронной трубки титан напыляют на металлическую основу мишени и насыщают его тритием, подают газовую среду к мишени и проводят в ней термическую обработку мишени, удаляют газовую среду от мишени, согласно изобретению термическую обработку мишени проводят в камере термической обработки при температуре 200-250°C в течение 1-2 часов, давление газовой среды в камере термической обработки определяют из условия, что при максимальном нагреве камеры оно составит 80-90 кПа, в качестве газовой среды используют осушенный воздух с содержанием влаги не более 13 мг/кг.

Способ осуществляется следующим образом.

Проводят напыление титана на металлическую основу мишени методом термического испарения в вакууме, затем помещают мишень в камеру насыщения установки насыщения мишеней. Проводят активацию титана при остаточном давлении в камере насыщения не более 5⋅10^-3 Па при температуре 350-400°C, после чего подают тритий в камеру насыщения. Количество трития в камере насыщения определяют из условия достижения мишенью заданного атомного отношения T/Ti. После этого проводят охлаждение камеры насыщения с мишенью со скоростью 2-3°C/мин. Насыщенную тритием мишень вынимают из камеры насыщения на воздух для контроля, затем помещают в камеру термической обработки. Камеру термической обработки вакуумируют до остаточного давления не более 5⋅10^-3 Па, после чего в нее подают осушенный воздух с содержанием влаги не более 13 мг/кг. Начальное давление воздуха в камере термической обработки определяют из условия, что при максимальном нагреве камеры оно составит 80-90 кПа. Заполненную воздухом камеру термической обработки нагревают до температуры 200-250°C. Время термической обработки мишеней составляет от 1 до 2 часов, но не более.

Требование по содержанию влаги в воздухе очень важно, поскольку влага (пары воды) активно взаимодействует с тритидом титана, а ее содержание в атмосфере нестабильно. Поэтому покрытие, сформированное на сорбенте мишени с использованием неосушенного воздуха, будет нестабильным по толщине и составу, что приведет к нестабильности параметров термической стойкости мишени. Кроме того, растворяясь в тритиде, влага, вследствие изотопного обмена, обогащает поверхностный слой мишени водородом (протаем), что отрицательно скажется на работоспособности трубки, поскольку протий не участвует в реакциях синтеза нейтронов. Отрицательное воздействие содержания влаги в воздухе более 13 мг/кг на термическую стойкость мишени было подтверждено экспериментально.

Экспериментально установлено, что термическая стойкость мишени возрастает с повышением давления осушенного воздуха в процессе термической обработки. Верхняя граница давления 90 кПа была принята исходя из условия обеспечения радиационной безопасности работ (давление в установке для работы с тритием должно быть ниже атмосферного) и возможности использования для формирования покрытия вакуумной установки, используемой для насыщения мишени тритием.

Экспериментально установлено, что с понижением температуры термической обработки мишени ниже 200°C ее термическая стойкость понижается. Оптимум температуры термической обработки находится в диапазоне 200-250°C. Верхняя граница указанного диапазона температур обеспечивает сохранение атомного отношения гидрида мишени, с начальным атомным отношением 1,9 и ниже, в процессе термической обработки мишени.

Экспериментально установлено, что увеличение времени термической обработки мишени свыше 2 часов не приводит к повышению ее термической стойкости, относительно достигнутой после обработки в течение 1-2 часов. При времени термической обработки менее 1 часа эффект повышения термической стойкости мишени снижается.

Необходимость использования специальной камеры для проведения термической обработки мишеней в атмосфере воздуха обусловлена тем, что в случае применения для этого процесса камеры насыщения мишеней тритием из состава установки насыщения камера насыщения будет загрязняться оксидами, которые затруднят или испортят последующий процесс насыщения мишеней окислением поверхности ненасыщенного титана. Для удаления растворенных оксидов перед насыщением мишеней потребуется длительный термовакуумный отжиг камеры насыщения.

При изготовлении камеры термической обработки необходимо использовать материалы, слабо сорбирующие кислород при повышенных температурах (керамика, молибден, нержавеющая сталь). Указанное требование важно, чтобы снизить потери кислородной компоненты воздуха, взаимодействующей с материалом камеры в процессе термической обработки мишеней. В нашем случае камера термической обработки мишеней представляла собой цилиндрический сосуд из нержавеющей стали с глухим дном с одной стороны и с присоединительным фланцем - с другой. Присоединительный фланец камеры позволял герметично соединить ее с установкой насыщения мишеней.

Количество одновременно обрабатываемых мишеней может быть произвольным и определяется емкостью камеры термической обработки и обеспечением равномерного температурного поля камеры в зоне нахождения мишеней.

Экспериментальные исследования термической стойкости мишеней с покрытиями различного типа проводились на мишенях, насыщенных дейтерием или тритием. На мишенях, насыщенных дейтерием, измерялась температура начала термодесорбции дейтерия из мишени с использованием масс-спектрометрической методики - по началу выделения молекулярного дейтерия. На мишенях, насыщенных тритием, с использованием радиометрической методики по измерению гамма-излучения от тритида с помощью сцинцилляционного детектора определялись потери трития из мишени после ее длительной вакуумной термической обработки в условиях динамического вакуума. В экспериментах шаг по температуре вакуумной термической обработки мишеней составлял 10°C. В качестве значимой потери трития мишенью принималась величина, превышающая 5% от исходного содержания.

В таблице 1 приведены сравнительные данные по термической стойкости мишеней, насыщенных до атомного отношения 1,9 и изготовленных по заявленной в прототипе технологии, и экспериментальных мишеней, термически обработанных в атмосфере осушенного воздуха. В таблице 1 использованы следующие обозначения:

Т₀ - диапазон температуры начала термодесорбции дейтерия из мишени при ее нагреве со скоростью 5°C/мин (результат получен по трем экспериментам);

Т₅ - предельная температура термической стойкости тритида мишени в динамическом вакууме в течение 5 часов (результат получен по двум экспериментам).

Из приведенных в таблице 1 данных следует, что технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в следующем:

- температура начала термодесорбции дейтерия из мишени возрастает не менее чем на 12°C;

- температура длительной (5 часов) термической стойкости тритида в составе мишени в условиях динамического вакуума повышается не менее чем на 10°C.

Из литературы известно, что окисление чистого металлического титана на воздухе при повышенных температурах протекает более интенсивно, чем в чистом кислороде, что связано с присутствием азота, который способствует образованию дефектов в решетке титана, которые приводят к повышению скорости его окисления [Пульцин Н.М. Взаимодействие титана с газами. М.: «Металлургия», 1969, 216 с.]. Вероятно, данный эффект справедлив и для тритида титана, что и отражают полученные нами результаты.

Таким образом, реализация предложенного способа при всей совокупности существенных признаков обеспечивает достижение заявленного технического результата, а именно повышение термической стойкости титано-тритиевой мишени при сохранении ее начального состава по тритию на всех этапах изготовления трубки, которая достигается без загрязнения компонентами используемого газа поверхности внутренних элементов нейтронной трубки.

Кроме этого можно отметить и другие преимущества использования способа:

- технология формирования покрытия, повышающего термическую стойкость мишени, допускает обработку нескольких мишеней одновременно;

- радиационная безопасность работ обеспечивается без применения дополнительных мер.

Предложенный способ изготовления мишеней нейтронной трубки прост и не требует специального сложного оборудования.

Мишени, изготовленные предложенным способом, могут найти применение в нейтронных генераторах и в составе аппаратуры нейтронного активационного анализа.