Источником нейтронов является любое устройство, излучающее нейтроны , независимо от механизма, используемого для производства нейтронов. Источники нейтронов используются в физике, технике, медицине, ядерном оружии, разведке нефти, биологии, химии и ядерной энергетике.
Переменные источника нейтронов включают энергию нейтронов, испускаемых источником, скорость нейтронов, испускаемых источником, размер источника, стоимость владения и обслуживания источника, а также правительственные постановления, связанные с источником.
Некоторые изотопы подвергаются SF с испусканием нейтронов. Наиболее распространенным источником спонтанного деления является изотоп калифорний -252. 252 Cf и все другие источники нейтронов SF производятся путем облучения урана или трансуранового элемента в ядерном реакторе, где нейтроны поглощаются исходным материалом и его последующими продуктами реакции, превращая исходный материал в изотоп SF. Источники нейтронов 252 Cf обычно имеют диаметр от 1/4 до 1/2 дюйма и длину от 1 до 2 дюймов. Типичный источник нейтронов 252 Cf излучает от 10 7 до 10 9 нейтронов в секунду, когда он новый; но при периоде полураспада 2,6 года выход нейтронов падает вдвое за 2,6 года. Типичный источник нейтронов 252 Cf стоит от 15 000 до 20 000 долларов.
Нейтроны образуются, когда альфа-частицы сталкиваются с любым из нескольких легких изотопов, включая изотопы бериллия, углерода или кислорода. Таким образом, можно создать источник нейтронов, смешав альфа-излучатель, такой как радий , полоний или америций , с изотопом с низким атомным весом, обычно путем смешивания порошков двух материалов. Источники альфа-нейтронов обычно производят ~10 6 –10 8 нейтронов в секунду. Источник нейтронов из альфа-бериллия может производить около 30 нейтронов на 10 6 альфа-частиц. Полезный срок службы таких источников зависит от периода полураспада радиоизотопа. Размер и стоимость этих источников нейтронов сопоставимы с источниками спонтанного деления. Обычными комбинациями материалов являются плутоний - бериллий (PuBe), америций -бериллий (AmBe) или америций- литий (AmLi).
Гамма-излучение с энергией, превышающей энергию связи нейтрона ядра, может выбросить нейтрон ( фотонейтрон ). Два примера реакций:
Некоторые нейтронные генераторы на базе ускорителей вызывают синтез пучков ионов дейтерия и/или трития и металлогидридных мишеней, которые также содержат эти изотопы.
Источник нейтронов с фокусом плотной плазмы обеспечивает контролируемый ядерный синтез , создавая плотную плазму, внутри которой нагревается ионизированный газообразный дейтерий и/или тритий до температур, достаточных для создания термоядерного синтеза.
Устройства инерционного электростатического удержания , такие как фузор Фарнсворта-Хирша, используют электрическое поле для нагрева плазмы до условий термоядерного синтеза и производства нейтронов. Были разработаны различные приложения, от хобби-энтузиастов до коммерческих приложений , в основном в США.
Традиционные ускорители частиц с источниками ионов водорода (H), дейтерия (D) или трития (T) могут использоваться для производства нейтронов с использованием мишеней из дейтерия, трития, лития, бериллия и других материалов с низким Z. [ нужна цитация ] Обычно эти ускорители работают с энергиями в диапазоне > 1 МэВ.
Нейтроны образуются, когда фотоны, превышающие энергию ядерной связи вещества, падают на это вещество, заставляя его подвергаться гигантскому дипольному резонансу , после которого оно либо испускает нейтрон ( фотонейтрон ), либо подвергается делению ( фотоделение ). Количество нейтронов, выделяемых при каждом акте деления, зависит от вещества. Обычно фотоны начинают производить нейтроны при взаимодействии с обычной материей при энергиях от 7 до 40 МэВ , а это означает, что установки лучевой терапии , использующие мегавольтное рентгеновское излучение, также производят нейтроны, а некоторые требуют нейтронной защиты. [ нужна цитата ] Кроме того, электроны с энергией более 50 МэВ могут вызывать гигантский дипольный резонанс в нуклидах по механизму, обратному внутреннему преобразованию , и, таким образом, производить нейтроны по механизму, аналогичному механизму фотонейтронов. [1]
Ядерное деление внутри реактора производит много нейтронов и может использоваться для различных целей, включая выработку энергии и эксперименты. Исследовательские реакторы часто специально проектируются так, чтобы можно было помещать образцы материалов в среду с высоким потоком нейтронов.
Ядерный синтез , синтез тяжелых изотопов водорода, также потенциально может привести к образованию большого количества нейтронов. Небольшие термоядерные системы существуют для (плазменных) исследовательских целей во многих университетах и лабораториях по всему миру. Также существует небольшое количество крупномасштабных экспериментов по термоядерному синтезу, включая Национальную установку зажигания в США, JET в Великобритании и вскоре строящийся в настоящее время во Франции эксперимент ИТЭР . Ни один из них еще не используется в качестве источников нейтронов.
Инерционный термоядерный синтез потенциально может производить на порядки больше нейтронов, чем расщепление . [2] Это может быть полезно для нейтронной радиографии , которую можно использовать для определения местоположения атомов водорода в структурах, определения теплового движения атомов и изучения коллективного возбуждения ядер более эффективно, чем рентгеновские лучи .
Источник расщепления — это источник с высоким потоком, в котором протоны , ускоренные до высоких энергий, попадают в цель, вызывая испускание нейтронов. Самые сильные источники нейтронов в мире, как правило, основаны на расщеплении, поскольку реакторы деления с высоким потоком имеют верхний предел количества производимых нейтронов. По состоянию на 2022 год самым мощным источником нейтронов в мире является источник нейтронов расщепления в Ок-Ридже, штат Теннесси , [3] с строящимся европейским источником расщепления нейтронов в Лунде , Швеция, который станет самым мощным в мире источником импульсных нейтронов средней длительности. В подкритических ядерных реакторах деления предлагается использовать источники расщепительных нейтронов и их можно использовать как для ядерной трансмутации (например, для производства медицинских радионуклидов или синтеза драгоценных металлов ), так и для выработки электроэнергии, так как энергия, необходимая для производства одного расщепительного нейтрона (~30 МэВ в настоящее время технологического уровня) почти на порядок ниже энергии, выделяемой при делении (~200 МэВ для большинства делящихся актинидов).
Для большинства применений более высокий поток нейтронов предпочтительнее (поскольку он сокращает время, необходимое для проведения эксперимента, получения изображения и т. д.). Любительские термоядерные устройства, такие как термоядер , генерируют всего около 300 000 нейтронов в секунду. Коммерческие термоядерные устройства могут генерировать порядка 10 9 нейтронов в секунду, следовательно, полезный поток составляет менее 10 5 н/(см² с). Большие нейтронные пучки по всему миру достигают гораздо большего потока. Реакторные источники теперь производят 10 15 н/(см² с), а источники расщепления генерируют > 10 17 н/(см² с).