Генератор нейтронов - Neutron generator

Физик-ядерщик в Национальная лаборатория Айдахо ставит эксперимент с использованием электронного нейтронного генератора.

Генераторы нейтронов находятся источник нейтронов устройства, содержащие компактные линейные ускорители частиц и это производит нейтроны путем слияния изотопы водорода вместе.^[1] В слияние в этих устройствах протекают реакции за счет ускорения либо дейтерий, тритий, или смесь этих двух изотопов в металл гидрид мишень, которая также содержит дейтерий, тритий или смесь этих изотопов. Слияние атомов дейтерия (D + D) приводит к образованию иона He-3 и нейтрона с кинетической энергией примерно 2,5МэВ. Синтез дейтерия и атома трития (D + T) приводит к образованию иона He-4 и нейтрона с кинетической энергией примерно 14,1 МэВ. Генераторы нейтронов находят применение в медицине, безопасности и анализе материалов.^[2]

Базовая концепция была впервые разработана Эрнест Резерфорд команда в Кавендишская лаборатория в начале 1930-х гг. Использование линейного ускорителя с приводом от Генератор Кокрофта-Уолтона, Марк Олифант провел эксперимент, в котором ионы дейтерия попали в металлическую фольгу, наполненную дейтерием, и заметил, что небольшое количество этих частиц испускает альфа-частицы. Это была первая демонстрация ядерного синтеза, а также первое открытие гелия-3 и трития, созданных в этих реакциях. Внедрение новых источников питания постоянно сокращало размеры этих машин, от машин Oliphant, которые заполняли угол лаборатории, до современных машин, которые легко переносятся. Тысячи таких небольших относительно недорогих систем были построены за последние пять десятилетий.

Хотя генераторы нейтронов действительно вызывают реакции синтеза, количество ускоренных ионов, вызывающих эти реакции, очень мало. Можно легко продемонстрировать, что энергия, выделяемая этими реакциями, во много раз ниже, чем энергия, необходимая для ускорения ионов, поэтому нет возможности использовать эти машины для производства чистого термоядерная энергия. Связанная концепция, синтез встречных пучков, пытается решить эту проблему, используя два ускорителя, стреляющих друг в друга.

Нейтристор в его простейшей форме, проверенный изобретателем в Sandia National Laboratories.

Теория и работа нейтронного генератора

Малые нейтронные генераторы на дейтерии (Д, водород-2, ²H) тритий (T, водород-3, ³H) термоядерные реакции являются наиболее распространенными источниками нейтронов на основе ускорителей (в отличие от радиоактивных изотопов). В этих системах нейтроны производятся путем создания ионов дейтерия, трития или дейтерия и трития и их ускорения в гидридную мишень, загруженную дейтерием или дейтерием и тритием. Реакция DT используется чаще, чем реакция DD, потому что выход реакции DT в 50–100 раз выше, чем выход реакции DD.

Д + Т → п + ⁴Он E_п = 14,1 МэВ

D + D → п + ³Он E_п = 2,5 МэВ

Нейтроны, образующиеся в результате реакций DD и DT, несколько выделяются. анизотропно от мишени, слегка смещенной вперед (по оси ионного пучка). Анизотропия испускания нейтронов от DD- и DT-реакций возникает из-за того, что реакции изотропный в система координат центра импульса (COM) но эта изотропия теряется при преобразовании из системы координат COM в лабораторная система координат. В обеих системах отсчета ядра He отскакивают в направлении, противоположном испускаемому нейтрону, в соответствии с законом сохранение импульса.

Давление газа в области источника ионов нейтронных трубок обычно находится в диапазоне 0,1–0,01.мм рт.. В длина свободного пробега Количество электронов должно быть короче разрядного пространства для достижения ионизации (нижний предел давления), при этом давление должно поддерживаться достаточно низким, чтобы избежать образования разрядов при высоких напряжениях извлечения, приложенных между электродами. Однако давление в ускоряющей области должно быть намного ниже, поскольку длина свободного пробега электронов должна быть больше, чтобы предотвратить образование разряда между высоковольтными электродами.^[3]

Ускоритель ионов обычно состоит из нескольких электродов цилиндрической симметрии, действующих как линза einzel. Таким образом, ионный пучок можно сфокусировать в небольшую точку на мишени. Для ускорителей обычно требуются источники питания 100-500 кВ. Обычно они состоят из нескольких ступеней, при этом напряжение между ступенями не превышает 200 кВ во избежание автоэлектронная эмиссия.^[3]

По сравнению с радионуклидными источниками нейтронов нейтронные трубки могут производить гораздо больше нейтронные потоки и могут быть получены согласованные (монохроматические) энергетические спектры нейтронов. Скорость образования нейтронов также можно контролировать.^[3]

Герметичные нейтронные трубки

Центральной частью нейтронного генератора является сам ускоритель частиц, иногда называемый нейтронной трубкой. Нейтронные трубки имеют несколько компонентов, включая источник ионов, элементы ионной оптики и мишень для пучка; все они заключены в герметичный корпус. Высоковольтная изоляция между ионно-оптическими элементами трубки обеспечивается стеклянными и / или керамическими изоляторами. Нейтронная трубка, в свою очередь, заключена в металлический корпус, ускорительную головку, которая заполнена диэлектрической средой для изоляции высоковольтных элементов трубки от рабочей зоны. Высокое напряжение ускорителя и источника ионов обеспечивается внешними источниками питания. Пульт управления позволяет оператору регулировать рабочие параметры нейтронной трубки. Источники питания и контрольное оборудование обычно расположены в пределах 10–30 ноги головки ускорителя в лабораторных приборах, но может быть несколько километров прочь в каротаж инструменты.

По сравнению со своими предшественниками герметичные нейтронные трубки не требуют вакуумные насосы и источники газа для эксплуатации. Поэтому они более мобильны и компактны, а также долговечны и надежны. Например, герметичные нейтронные трубки заменили радиоактивные нейтронные инициаторы, в подаче импульса нейтронов к взрывающейся активной зоне современного ядерное оружие.

Примеры идей нейтронных трубок восходят к 1930-м годам, в эпоху до создания ядерного оружия, когда немецкие ученые подали в 1938 г. немецкий патент (март 1938 г., патент № 261 156) и получили патент США (июль 1941 г., USP № 2,251,190); Примеры современного состояния техники представлены такими разработками, как Neutristor,^[4] в основном твердотельное устройство, напоминающее компьютерный чип, изобретенное в Сандийские национальные лаборатории в Альбукерке, штат Нью-Мексико.^{[нужна цитата ]} Типовые герметичные конструкции используются в импульсном режиме.^[5] и может работать на разных уровнях мощности, в зависимости от срока службы ионного источника и загруженных мишеней.^[6]

Нейтристор в недорогой вакуумной упаковке, готовой к испытаниям.

Источники ионов

Хороший ионный источник должен обеспечивать сильный ионный пучок не потребляя много газа. Для изотопов водорода образование атомарных ионов предпочтительнее молекулярных ионов, поскольку атомные ионы имеют более высокий выход нейтронов при столкновении. Ионы, генерируемые в источнике ионов, затем выводятся электрическим полем в область ускорителя и ускоряются по направлению к цели. Расход газа в основном вызван разницей давления между пространством, генерирующим ионы, и пространством для ускорения ионов, которое необходимо поддерживать. Ионные токи 10 мА при расходе газа 40 см³/ час достижимы.^[3]

Для герметичной нейтронной трубки идеальный источник ионов должен использовать низкое давление газа, давать высокий ионный ток с большой долей атомарных ионов, иметь низкую очистку газа, использовать низкую мощность, иметь высокую надежность и длительный срок службы, его конструкция должна быть простой и надежный, а требования к обслуживанию должны быть низкими.^[3]

Газ может эффективно храниться в пополнении, электрически нагреваемой катушке из циркониевой проволоки. Его температура определяет скорость поглощения / десорбции водорода металлом, который регулирует давление в корпусе.

Холодный катод (Пеннинга)

В Пеннинг источник - газ низкого давления, холодный катод ионный источник, использующий скрещенные электрическое и магнитное поля. Анод источника ионов имеет положительный потенциал, либо постоянный, либо импульсный, по отношению к катоду источника. Напряжение источника ионов обычно составляет от 2 до 7 киловольт. Магнитное поле, ориентированное параллельно оси источника, создается постоянный магнит. А плазма формируется вдоль оси анода, который захватывает электроны, которые, в свою очередь, ионизируют газ в источнике. Ионы выводятся через выходной катод. При нормальной работе ионные частицы, производимые источником Пеннинга, на 90% состоят из молекулярных ионов. Однако этот недостаток компенсируется другими преимуществами системы.

Один из катодов - чашка из мягкое железо, охватывая большую часть разрядного пространства. В нижней части чашки есть отверстие, через которое большая часть генерируемых ионов выбрасывается магнитным полем в пространство для ускорения. Мягкое железо защищает пространство ускорения от магнитного поля, чтобы предотвратить поломку.^[3]

Ионы, выходящие из выходного катода, ускоряются за счет разности потенциалов между выходным катодом и электродом ускорителя. Схема показывает, что выходной катод имеет потенциал земли, а цель - высокий (отрицательный) потенциал. Так обстоит дело во многих генераторах нейтронов с герметичными трубками. Однако в случаях, когда желательно подать максимальный поток к образцу, желательно работать с нейтронной трубкой с заземленной мишенью, а источник плавает при высоком (положительном) потенциале. Напряжение ускорителя обычно составляет от 80 до 180 киловольт.

Ускоряющий электрод имеет форму длинного полого цилиндра. Пучок ионов имеет слегка расходящийся угол (около 0,1 радиан ). Форма электрода и расстояние от мишени могут быть выбраны таким образом, чтобы вся поверхность мишени бомбардировалась ионами. Достижимы ускоряющие напряжения до 200 кВ.

Ионы проходят через ускоряющий электрод и попадают в цель. Когда ионы попадают в мишень, 2–3 электрона на ион создаются вторичной эмиссией. Чтобы предотвратить ускорение этих вторичных электронов обратно в ионный источник, электрод ускорителя смещен отрицательно по отношению к мишени. Это напряжение, называемое напряжением ограничителя, должно быть не менее 500 вольт и может достигать нескольких киловольт. Потеря напряжения ограничителя приведет к повреждению нейтронной трубки, возможно, к катастрофическому.

Некоторые нейтронные трубки включают в себя промежуточный электрод, называемый фокусирующим или вытяжным электродом, для управления размером пятна луча на мишени. Давление газа в источнике регулируется путем нагрева или охлаждения элемента газового резервуара.

Радиочастота (RF)

Ионы могут быть созданы электронами, образованными в высокочастотном электромагнитном поле. Разряд формируется в трубке, расположенной между электродами, или внутри катушка. Достигается более 90% доли атомарных ионов.^[3]

Цели

Мишени, используемые в нейтронных генераторах: тонкие пленки металла, такого как титан, скандий, или же цирконий которые откладываются на серебро, медь или же молибден субстрат. Титан, скандий и цирконий образуют стабильные химические соединения, называемые гидриды металлов в сочетании с водородом или его изотопами. Эти гидриды металлов состоят из двух водород (дейтерий или же тритий ) атомов на атом металла и позволяют мишени иметь чрезвычайно высокую плотность водорода. Это важно для максимизации нейтронного выхода нейтронной трубки. В элементе газового резервуара также используются гидриды металлов, например гидрид урана, как активный материал.

Титан предпочтительнее циркония, поскольку он может выдерживать более высокие температуры (200 ° C) и дает более высокий выход нейтронов, поскольку он захватывает дейтроны лучше циркония. Максимальная температура, разрешенная для мишени, выше которой изотопы водорода десорбируются и покидают материал, ограничивает ионный ток на единицу поверхности мишени; Поэтому используются слегка расходящиеся лучи. Пучок ионов 1 мкА, ускоренный при 200 кВ до титано-тритиевой мишени, может генерировать до 10⁸ нейтронов в секунду. Выход нейтронов в основном определяется ускоряющим напряжением и уровнем ионного тока.^[3]

Примером используемой тритиевой мишени является серебряный диск толщиной 0,2 мм с нанесенным на его поверхность слоем титана толщиной 1 мкм; затем титан насыщается тритием.^[3]

Металлы с достаточно низкой диффузией водорода могут быть превращены в дейтериевые мишени путем бомбардировки дейтронами до тех пор, пока металл не станет насыщенным. Золотые мишени в таких условиях показывают в четыре раза более высокую эффективность, чем титановые. Еще лучшие результаты могут быть достигнуты с мишенями, изготовленными из тонкой пленки металла с высоким коэффициентом поглощения и высокой диффузией (например, титана) на подложке с низким коэффициентом диффузии водорода (например, серебро), поскольку водород затем концентрируется на верхнем слое и может не диффундирует в объем материала. Используя газовую смесь дейтерия и трития, можно изготавливать самовосстанавливающиеся D-T мишени. Нейтронный выход таких мишеней ниже, чем у насыщенных тритием мишеней в пучках дейтронов, но их преимуществом является гораздо больший срок службы и постоянный уровень образования нейтронов. Самовосполняющиеся мишени также устойчивы к высоким температурам. запекание труб, так как их насыщение изотопами водорода происходит после обжига и герметизации трубок.^[3]

Источники питания высокого напряжения

Одним особенно интересным подходом к созданию полей высокого напряжения, необходимых для ускорения ионов в нейтронной трубке, является использование пироэлектрический кристалл. В апреле 2005 г. исследователи UCLA продемонстрировал использование термоциклического пироэлектрический кристалл для генерации сильных электрических полей в нейтронном генераторе. В феврале 2006 г. исследователи из Политехнический институт Ренсселера продемонстрировали использование двух кристаллов с противоположной полярностью для этого приложения. Используя эти низкотехнологичные блоки питания, можно генерировать достаточно высокий электрическое поле градиент через ускоряющий промежуток для ускорения ионов дейтерия в дейтерированную мишень, чтобы вызвать реакцию синтеза D + D. Эти устройства похожи по принципу действия на обычные генераторы нейтронов с герметичными трубками, в которых обычно используются Кокрофт – Уолтон Тип высоковольтных источников питания. Новизна этого подхода заключается в простоте источника высокого напряжения. К сожалению, относительно низкий ускоряющий ток, который могут генерировать пироэлектрические кристаллы, вместе со скромными возможными частотами импульсов (несколько циклов в минуту) ограничивают их краткосрочное применение по сравнению с сегодняшними коммерческими продуктами (см. Ниже). Также см пироэлектрический синтез.^[7]

Прочие технологии

В дополнение к описанной выше конструкции обычного нейтронного генератора существует несколько других подходов к использованию электрических систем для производства нейтронов.

Инерционное электростатическое удержание / фузор

Другой тип инновационного нейтронного генератора - инерционное электростатическое удержание термоядерное устройство. Этот нейтронный генератор позволяет избежать использования твердой мишени, которая подвергается эрозии распылением, вызывая металлизацию изолирующих поверхностей. Также предотвращается истощение газообразного реагента в твердой мишени. Достигается гораздо больший срок эксплуатации. Первоначально называвшийся фузором, он был изобретен Фило Фарнсворт, изобретатель электронных телевидение.

Смотрите также

внешняя ссылка

Чичестер, Д. Л .; Симпсон, Дж. Д. (2003). «Компактные ускорительные нейтронные генераторы» (PDF). Промышленный физик. 9 (6): 22–25. Архивировано из оригинал (PDF) на 2013-09-08.
Elizondo-Decanini, J.M .; Schmale, D .; Cich, M .; Мартинес, М .; Youngman, K .; Сеньков, М .; Kiff, S .; Steele, J .; Goeke, R .; Wroblewski, B .; Desko, J .; Драгт, А. Дж. (2012). "Новый нейтронный генератор поверхностного монтажа". IEEE Transactions по науке о плазме. 40 (9): 2145–2150. Bibcode:2012ITPS ... 40.2145E. Дои:10.1109 / TPS.2012.2204278.
"Сандианские национальные лаборатории".

[1] "Технология нейтронных генераторов: генераторы нейтронов с высоким выходом". Феникс. Получено 2020-02-28.

[2] Рейхонен, Дж. «Компактные генераторы нейтронов для медицины, внутренней безопасности и исследования планет» (PDF). Труды конференции по ускорителям частиц 2005 г., Ноксвилл, Теннесси: 49–53.

[ch8-3] а ^б ^c ^d ^е ^ж ^грамм ^час ^я ^j ван дер Хорст; Х. Л. (1964). "Генераторы нейтронов VIIIc" (PDF). Газоразрядные трубки. Техническая библиотека Philips. 16. Эйндховен, Нидерланды: Техническая библиотека Philips. С. 281–295. OCLC 10391645. УДК № 621.387.

[4] Elizondo-Decanini, J.M .; Schmale, D .; Cich, M .; Мартинес, М .; Youngman, K .; Сеньков, М .; Kiff, S .; Steele, J .; Goeke, R .; Wroblewski, B .; Desko, J .; Драгт, А. Дж. (2012). «Новый нейтронный генератор поверхностного монтажа». IEEE Transactions по науке о плазме. 40 (9): 2145–2150. Bibcode:2012ITPS ... 40.2145E. Дои:10.1109 / TPS.2012.2204278.

[5] Gow, J.D .; Поллок, Х.С. (1960). «Разработка компактного вакуумированного импульсного источника нейтронов». Обзор научных инструментов. 31 (3): 235–240. Bibcode:1960RScI ... 31..235G. Дои:10.1063/1.1716948.

[6] Уолко, Р. Дж .; Рошау, Г. Э. (1981). "Нейтронная трубка с высоким выходом, использующая источник окклюдированных ионов газа". IEEE Transactions по ядерной науке. 28 (2): 1531–1534. Bibcode:1981ITNS ... 28,1531 Вт. Дои:10.1109 / TNS.1981.4331459.

[7] ttp://www.scienceblog.com/cms/ny_team_confirms_ucla_tabletop_fusion_10017.html

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]