Генераторы нейтронов — это устройства -источники нейтронов , которые содержат компактные линейные ускорители частиц и производят нейтроны путем синтеза изотопов водорода . Реакции синтеза происходят в этих устройствах путем ускорения дейтерия , трития или смеси этих двух изотопов в металлогидридную мишень , которая также содержит дейтерий, тритий или смесь этих изотопов. Слияние атомов дейтерия (D+D) приводит к образованию иона гелия-3 и нейтрона с кинетической энергией примерно 2,5 МэВ . Слияние атома дейтерия и трития (D + T) приводит к образованию иона гелия-4 и нейтрона с кинетической энергией примерно 14,1 МэВ. Генераторы нейтронов находят применение в медицине, безопасности и анализе материалов. [1]
Основная концепция была впервые разработана командой Эрнеста Резерфорда в Кавендишской лаборатории в начале 1930-х годов. Используя линейный ускоритель, приводимый в движение генератором Кокрофта-Уолтона , Марк Олифант провел эксперимент, в ходе которого ионы дейтерия попадали в металлическую фольгу, наполненную дейтерием, и заметил, что небольшое количество этих частиц испускало альфа-частицы . Это была первая демонстрация ядерного синтеза, а также первое открытие гелия-3 и трития, образовавшихся в результате этих реакций. Внедрение новых источников питания постоянно уменьшало размеры этих машин: от машин Олифанта, заполнивших угол лаборатории, до современных машин, которые очень портативны. За последние пять десятилетий были построены тысячи таких небольших и относительно недорогих систем.
Хотя генераторы нейтронов действительно производят реакции синтеза, количество ускоренных ионов, вызывающих эти реакции, очень невелико. Можно легко продемонстрировать, что энергия, выделяемая в результате этих реакций, во много раз ниже, чем энергия, необходимая для ускорения ионов, поэтому нет возможности использовать эти машины для производства чистой энергии термоядерного синтеза . Связанная с этим концепция, термоядерный синтез на встречных лучах , пытается решить эту проблему, используя два ускорителя, стреляющих друг в друга.
Небольшие генераторы нейтронов, использующие реакции синтеза дейтерия (D, водорода-2, 2 H) и трития (T, водорода-3, 3 H), 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. Реакцию DT используют чаще, чем реакцию DD, поскольку выход реакции DT в 50–100 раз выше, чем выход реакции DD.
D + T → n + 4 He E n = 14,1 МэВ
D + D → n + 3 He E n = 2,5 МэВ
Нейтроны, образующиеся в результате реакций DD и DT, вылетают из мишени несколько анизотропно , слегка смещенно в прямом (по оси ионного пучка) направлении. Анизотропия нейтронного излучения в реакциях DD и DT возникает из-за того, что реакции изотропны в системе координат центра импульса (COM), но эта изотропия теряется при переходе от системы координат COM к лабораторной системе отсчета . В обеих системах отсчета ядра He откатываются в направлении, противоположном испускаемому нейтрону, в соответствии с законом сохранения импульса .
Давление газа в зоне источника ионов нейтронных трубок обычно колеблется в пределах 0,1–0,01 мм рт. ст . Средняя длина свободного пробега электронов должна быть короче разрядного пространства для достижения ионизации (нижний предел давления), в то время как давление должно поддерживаться достаточно низким, чтобы избежать образования разрядов при высоких извлекающих напряжениях, 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. [2]
Ускоритель ионов обычно состоит из нескольких электродов цилиндрической симметрии, действующих как линза Эйнзеля . Таким образом, ионный луч может быть сфокусирован в небольшую точку на мишени. Обычно для ускорителей требуются источники питания напряжением 100–500 кВ. Обычно они имеют несколько ступеней, при этом напряжение между ступенями не превышает 200 кВ для предотвращения автоэмиссии . [2]
По сравнению с радионуклидными источниками нейтронов нейтронные трубки могут производить гораздо более высокие потоки нейтронов и могут быть получены согласованные (монохроматические) энергетические спектры нейтронов. Скорость образования нейтронов также можно контролировать. [2]
Центральной частью генератора нейтронов является сам ускоритель частиц, иногда называемый нейтронной трубкой. Нейтронные трубки состоят из нескольких компонентов, включая источник ионов, ионно-оптические элементы и мишень пучка; все они заключены в вакуумонепроницаемый корпус. Высоковольтная изоляция между ионно-оптическими элементами трубки обеспечивается стеклянными и/или керамическими изоляторами. Нейтронная трубка, в свою очередь, заключена в металлический корпус - головку ускорителя, заполненную 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 параметры работы нейтронной трубки. Источники питания и оборудование управления обычно располагаются в пределах 3–10 метров (10–30 футов) от головки ускорителя в лабораторных приборах, но могут находиться на расстоянии нескольких километров в приборах для каротажа скважин .
По сравнению со своими предшественниками герметичные нейтронные трубки не требуют для работы вакуумных насосов и источников газа. Поэтому они более мобильны и компактны, а также долговечны и надежны. Например, герметичные нейтронные трубки заменили радиоактивные модулированные нейтронные инициаторы при подаче импульса нейтронов к взрывающемуся ядру современного ядерного оружия .
Примеры идей нейтронных трубок датируются еще 1930-ми годами, до появления ядерного оружия, когда немецкие ученые подали немецкий патент 1938 года (март 1938 года, патент № 261 156) и получили патент США (июль 1941 года, USP № 2 251 190); Примерами современного уровня техники являются такие разработки, как нейтристор [ 3] — полупроводниковое устройство, напоминающее компьютерный чип, изобретенное в Национальной лаборатории Сандия в Альбукерке, штат Нью-Мексико. [ нужна ссылка ] Типичные герметичные конструкции используются в импульсном режиме [4] и могут работать на разных уровнях выходной мощности, в зависимости от срока службы источника ионов и нагруженных мишеней. [5]
Хороший источник ионов должен обеспечивать сильный ионный пучок , не потребляя при этом большого количества газа. Для изотопов водорода образование атомарных ионов предпочтительнее молекулярных ионов, поскольку атомарные ионы имеют более высокий выход нейтронов при столкновении. Ионы, генерируемые в источнике ионов, затем извлекаются электрическим полем в область ускорителя и ускоряются к мишени. Расход газа в основном вызван разницей давлений между пространством, генерирующим ионы, и пространством, ускоряющим ионы, которое необходимо поддерживать. Достижимы ионные токи 10 мА при расходах газа 40 см 3 /час. [2]
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 техническому обслуживанию должны быть низкими. [2]
Газ можно эффективно хранить в пополнителе — электрически нагреваемой катушке из циркониевой проволоки. Его температура определяет скорость поглощения/десорбции водорода металлом, что регулирует давление в камере.
Источник Пеннинга представляет собой источник ионов с холодным катодом при низком давлении газа , в котором используются скрещенные электрическое и магнитное поля. Анод источника ионов имеет положительный потенциал, постоянный или импульсный, по отношению к катоду источника. Напряжение источника ионов обычно составляет от 2 до 7 киловольт. Магнитное поле, ориентированное параллельно оси источника, создается постоянным магнитом . Вдоль оси анода образуется плазма, захватывающая электроны, которые, в свою очередь, ионизируют газ в источнике . Ионы извлекаются через выходной катод. При нормальной работе ионы, производимые источником Пеннинга, на 90% состоят из молекулярных ионов. Однако этот недостаток компенсируется другими преимуществами системы.
Один из катодов представляет собой чашку из мягкого железа , заключающую в себе большую часть разрядного пространства. В дне чашки имеется отверстие, через которое большая часть генерируемых ионов выбрасывается магнитным полем в ускорительное пространство. Мягкое железо защищает пространство ускорения от магнитного поля, чтобы предотвратить пробой. [2]
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 мишень имеет высокий (отрицательный) потенциал. Так обстоит дело во многих генераторах нейтронов с герметичными трубками. Однако в случаях, когда желательно доставить к образцу максимальный поток, желательно эксплуатировать нейтронную трубку с заземленной мишенью и плавающим источником с высоким (положительным) потенциалом. Напряжение акселератора обычно составляет от 80 до 180 киловольт.
Ускорительный электрод имеет форму длинного полого цилиндра. Ионный пучок имеет слегка расходящийся угол (около 0,1 радиана ). Форму электрода и расстояние от мишени можно выбрать таким образом, чтобы вся поверхность мишени бомбардировалась ионами. Достижимо ускоряющее напряжение до 200 кВ.
Ионы проходят через ускоряющий электрод и попадают в мишень. Когда ионы ударяются о мишень, в результате вторичной эмиссии образуется 2–3 электрона на каждый ион. Чтобы предотвратить ускорение этих вторичных электронов обратно в источник ионов, электрод ускорителя смещен отрицательно по отношению к мишени. Это напряжение, называемое напряжением супрессора, должно быть не менее 500 вольт и может достигать нескольких киловольт. Потеря напряжения подавителя приведет к повреждению нейтронной трубки, возможно, катастрофическому.
Некоторые нейтронные трубки имеют промежуточный электрод, называемый фокусирующим или экстракторным электродом, для контроля размера пятна луча на мишени. Давление газа в источнике регулируется путем нагрева или охлаждения элемента газохранилища.
Ионы могут создаваться электронами, образующимися в высокочастотном электромагнитном поле. Разряд формируется в трубке, расположенной между электродами, или внутри катушки . Достигается более 90% доли атомарных ионов. [2]
Мишенями, используемыми в генераторах нейтронов, являются тонкие пленки металлов, таких как титан , скандий или цирконий , которые осаждаются на подложку из серебра , меди или молибдена . Титан, скандий и цирконий образуют стабильные химические соединения, называемые гидридами металлов , в сочетании с водородом или его изотопами. Эти гидриды металлов состоят из двух атомов водорода ( дейтерия или трития ) на атом металла и позволяют мишени иметь чрезвычайно высокую плотность водорода. Это важно для максимизации нейтронного выхода нейтронной трубки. В газовом резервуарном элементе в качестве активного материала также используются гидриды металлов, например гидрид урана .
Титан предпочтительнее циркония, поскольку он может выдерживать более высокие температуры (200 ° C) и дает более высокий выход нейтронов, поскольку он захватывает дейтроны лучше, чем цирконий. Максимальная температура, допустимая для мишени, выше которой изотопы водорода подвергаются десорбции и покидают материал, ограничивает ионный ток на единицу поверхности мишени; поэтому используются слегка расходящиеся лучи. Ионный пучок силой 1 микроампер, ускоренный при напряжении 200 кВ на титан-тритиевой мишени, может генерировать до 10 8 нейтронов в секунду. Выход нейтронов в основном определяется ускоряющим напряжением и уровнем ионного тока. [2]
Примером используемой тритиевой мишени является серебряный диск толщиной 0,2 мм со слоем титана толщиной 1 микрометр, нанесенным на его поверхность; затем титан насыщается тритием. [2]
Металлы с достаточно низкой диффузией водорода можно превратить в дейтериевые мишени путем бомбардировки дейтронами до тех пор, пока металл не станет насыщенным. Золотые мишени в таких условиях показывают эффективность в четыре раза выше, чем титановые. Еще лучших результатов можно достичь, используя мишени, изготовленные из тонкой пленки металла с высоким поглощением и высоким коэффициентом диффузии (например, титана) на подложке с низкой диффузией водорода (например, серебра), поскольку водород затем концентрируется на верхнем слое и может не диффундировать в массу материала. Используя газовую смесь дейтерия и трития, можно изготовить самовосполняющиеся мишени DT. Выход нейтронов таких мишеней ниже, чем у мишеней, насыщенных тритием, в пучках дейтронов, но их преимуществом является гораздо большее время жизни и постоянный уровень образования нейтронов. Самовосполняющиеся мишени также устойчивы к высокотемпературному отжигу трубок, так как их насыщение изотопами водорода происходит после отжига и герметизации трубок. [2]
Одним из подходов к созданию полей высокого напряжения, необходимых для ускорения ионов в нейтронной трубке, является использование пироэлектрического кристалла . В апреле 2005 года исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе продемонстрировали использование пироэлектрического кристалла с термическим циклом для генерации сильных электрических полей в генераторе нейтронов. В феврале 2006 года исследователи из Политехнического института Ренсселера продемонстрировали использование для этого применения двух кристаллов с противоположными полюсами. Используя эти низкотехнологичные источники питания, можно создать достаточно высокий градиент электрического поля в ускоряющем промежутке, чтобы ускорить ионы дейтерия в дейтерированную мишень и вызвать реакцию синтеза D + D. Эти устройства по принципу действия аналогичны обычным нейтронным генераторам с герметичными трубками, в которых обычно используются источники высокого напряжения типа Кокрофта-Уолтона . Новизна этого подхода заключается в простоте источника высокого напряжения. К сожалению, относительно низкий ускоряющий ток, который могут генерировать пироэлектрические кристаллы, вместе с скромными частотами пульсации, которых можно достичь (несколько циклов в минуту), ограничивают их краткосрочное применение по сравнению с сегодняшними коммерческими продуктами (см. Ниже). Также см. пироэлектрический синтез . [6]
В дополнение к традиционной конструкции генератора нейтронов, описанной выше, существует несколько других подходов к использованию электрических систем для производства нейтронов.
Другим типом инновационного генератора нейтронов является термоядерное устройство с инерционным электростатическим удержанием . Этот генератор нейтронов позволяет избежать использования твердой мишени, которая будет подвергаться эрозии распылением, вызывая металлизацию изолирующих поверхностей. Также предотвращается истощение газа-реагента внутри твердой мишени. Достигается гораздо больший срок эксплуатации. Первоначально называвшийся фузором, он был изобретен Фило Фарнсвортом , изобретателем электронного телевидения .
Генераторы нейтронов находят применение в полупроводниковой промышленности. У них также есть варианты использования при обогащении обедненного урана, ускорении реакторов-размножителей, а также активации и возбуждении экспериментальных ториевых реакторов.
В анализе материалов нейтронно-активационный анализ используется для определения концентрации различных элементов в смешанных материалах, таких как минералы или руды.
