Генераторы нейтронов — это устройства- источники нейтронов , которые содержат компактные линейные ускорители частиц и которые производят нейтроны путем слияния изотопов водорода . Реакции слияния 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 приблизительно 2,5 МэВ . Слияние атома дейтерия и трития (D + T) приводит к образованию иона гелия-4 и нейтрона с кинетической энергией приблизительно 14,1 МэВ. Генераторы нейтронов применяются 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, управляемый генератором Кокрофта-Уолтона , Марк Олифант провел эксперимент, в котором ионы дейтерия выстреливали в металлическую фольгу, пропитанную 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, созданных в этих реакциях. Внедрение новых источников энергии постоянно уменьшало размер этих машин, от машин Олифанта, которые заполняли угол лаборатории, до современных машин, которые являются очень портативными. За последние пять десятилетий были построены тысячи таких небольших, относительно недорогих систем.
В то время как нейтронные генераторы действительно производят реакции синтеза, количество ускоренных ионов, которые вызывают эти реакции, очень мало. Можно легко продемонстрировать, что энергия, выделяемая этими реакциями, во много раз меньше энергии, необходимой для ускорения ионов, поэтому нет никакой возможности использовать эти машины для производства чистой мощности синтеза . Связанная концепция, слияние встречных пучков , пытается решить эту проблему с помощью двух ускорителей, стреляющих друг в друга.
Малые нейтронные генераторы, 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 ускорения их в гидридную мишень, загруженную дейтерием или дейтерием и тритием. Реакция DT используется чаще, чем реакция DD, поскольку выход реакции DT в 50–100 раз выше, чем у реакции DD.
2 P + 2 N = 17,7 МэВ [19,34 МэВ - 1,626 МэВ]
D + T → n + 4 He E n = 14,1 МэВ
D + D -> p + Позитрон + 3 x Гамма = 2,5 МэВ
высокая начальная энергия: 11,4 МэВ : D + D → p + Позитрон + 2 Гамма + 3 He
En = 13,91 МэВ верно. -> сумма: около 2,5 МэВ
Расчет: 6,8 МэВ [Протон-> Гипопротон]+ 1,26*1,45 +1,26*0,42 [2,11] МэВ [Гипернейтрон -> Нейтрон] + ~ 2x 2,5 [5] МэВ [Гипернейтрон-> Гиперпротон] 2x HN Дейтерий + высокие энергии => 3 He + Протон + Позитрон + 2 x Гамма
Нейтроны, образующиеся в реакциях DD и DT, испускаются из мишени несколько анизотропно , слегка смещенные вперед (в направлении оси ионного пучка). Анизотропия испускания нейтронов в реакциях DD и DT возникает из-за того, что реакции изотропны в системе координат центра импульса (СОМ) , но эта изотропия теряется при переходе от системы координат СОМ к лабораторной системе отсчета . В обеих системах отсчета ядра He отскакивают в направлении, противоположном испускаемому нейтрону, в соответствии с законом сохранения импульса .
Давление газа в области источника ионов нейтронных трубок обычно колеблется от 0,1 до 0,01 мм рт . ст. Длина свободного пробега электронов должна быть короче, чем разрядное пространство, чтобы достичь ионизации (нижний предел давления), в то время как 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, так как длина свободного пробега электронов должна быть длиннее, чтобы предотвратить образование разряда между высоковольтными электродами. [2]
Ускоритель ионов обычно состоит из нескольких электродов с цилиндрической симметрией, действующих как линза айнзеля . Таким образом, пучок ионов может быть сфокусирован в небольшую точку на мишени. Ускорители обычно требуют источников питания 100–500 кВ. Они обычно имеют несколько ступеней, при этом напряжение между ступенями не превышает 200 кВ для предотвращения полевой эмиссии . [2]
По сравнению с радионуклидными источниками нейтронов нейтронные трубки могут производить гораздо более высокие потоки нейтронов и могут быть получены последовательные (монохроматические) спектры энергии нейтронов. Скорость производства нейтронов также может контролироваться. [2]
Центральной частью нейтронного генератора является сам ускоритель частиц, иногда называемый нейтронной трубкой. Нейтронные трубки имеют несколько компонентов, включая источник ионов, ионно-оптические элементы и мишень для пучка; все они заключены в вакуумно-плотный 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, 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 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 .
В сравнении 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 , подавая импульс нейтронов к схлопывающемуся ядру современного ядерного оружия .
Примеры идей нейтронной трубки относятся к 1930-м годам, до эпохи ядерного оружия, когда немецкие ученые подали заявку на немецкий патент 1938 года (март 1938 года, патент № 261 156) и получили патент США (июль 1941 года, USP № 2 251 190); примерами современного состояния дел являются такие разработки , как Нейтристор [3], в основном твердотельное устройство, напоминающее компьютерный чип, изобретенное в Национальных лабораториях Сандиа в Альбукерке, штат Нью-Мексико. [ необходима цитата ] Типичные герметичные конструкции используются в импульсном режиме [4] и могут работать на разных уровнях выходной мощности в зависимости от срока службы источника ионов и загруженных мишеней [5]
Хороший источник ионов должен обеспечивать сильный ионный пучок, не потребляя много газа. Для изотопов водорода производство атомарных ионов предпочтительнее, чем 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 по направлению к мишени. Расход газа в основном обусловлен разницей давления между генерирующим и ускоряющим ионы пространствами, которую необходимо поддерживать. Достижимы ионные токи 10 мА при расходе 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, потреблять мало энергии, иметь высокую надежность и длительный срок службы, его конструкция должна быть простой и прочной, а требования к его обслуживанию должны быть низкими. [2]
Газ может эффективно храниться в пополнителе, представляющем собой электрически нагреваемую спираль из циркониевой проволоки. Ее температура определяет скорость абсорбции/десорбции водорода металлом, что регулирует давление в корпусе.
Источник Пеннинга — это источник ионов с холодным катодом низкого давления газа, который использует скрещенные электрические и магнитные поля. Анод источника ионов находится под положительным потенциалом, постоянным или импульсным, относительно катода 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 , которая захватывает электроны, которые, в свою очередь, ионизируют газ в источнике. Ионы извлекаются через выходной катод. При нормальной работе ионные виды, 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 , охватывающую большую часть разрядного пространства. В нижней части чашки имеется отверстие, через которое большая часть образующихся ионов выбрасывается магнитным полем в ускоряющее пространство. Мягкое железо экранирует ускоряющее пространство от магнитного поля, предотвращая пробой. [2]
Ионы, выходящие из выходного катода, ускоряются за счет разности потенциалов между выходным катодом и электродом ускорителя. Схема показывает, что выходной катод имеет нулевой потенциал, а мишень — высокий (отрицательный) потенциал. Это имеет место во многих герметичных трубчатых нейтронных генераторах. Однако в случаях, когда требуется доставить максимальный поток к образцу, желательно эксплуатировать нейтронную трубку с заземленной мишенью и источником, плавающим при высоком (положительном) потенциале. Напряжение ускорителя обычно составляет от 80 до 180 киловольт.
Ускоряющий 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. Достижимы ускоряющие напряжения до 200 кВ.
Ионы проходят через ускоряющий электрод и ударяются о цель. Когда ионы ударяются о цель, 2–3 электрона на ион производятся вторичной эмиссией. Чтобы предотвратить ускорение этих вторичных электронов обратно в источник ионов, ускорительный электрод смещен отрицательно по отношению к цели. Это напряжение, называемое напряжением подавителя, должно быть не менее 500 вольт и может достигать нескольких киловольт. Потеря напряжения подавителя приведет к повреждению нейтронной трубки, возможно, катастрофическому.
Некоторые нейтронные трубки включают промежуточный электрод, называемый фокусирующим или экстракторным электродом, для управления размером пятна пучка на мишени. Давление газа в источнике регулируется путем нагрева или охлаждения элемента газового резервуара.
Ионы могут быть созданы электронами, образованными в высокочастотном электромагнитном поле. Разряд формируется в трубке, расположенной между электродами, или внутри катушки . Достижимо более 90% доли атомарных ионов. [2]
Вход - цель для детектора распада гипернейтрона: например, это могут быть вольфрамовые конусы во вложенных предварительных цилиндрических диодах из вольфрама. Мишени, используемые в самом детекторе нейтронов, представляют собой тонкие пленки металла, такого как титан , скандий или цирконий, которые нанесены 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 цели иметь чрезвычайно высокую плотность водорода. Это важно для максимизации выхода нейтронов нейтронной трубки. Элемент газохранилища также использует гидриды металлов, например, гидрид урана , в качестве активного материала.
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 пучки. Ионный пучок в 1 микроампер, ускоренный при 200 кВ на титано-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 с нанесенным на его поверхность слоем титана толщиной 1 мкм; затем титан насыщается тритием. [2]
Металлы с достаточно низкой диффузией водорода можно превратить в дейтериевые мишени бомбардировкой дейтронами до насыщения металла. Золотые мишени в таких условиях показывают в четыре раза более высокую эффективность, чем титановые. Еще лучших результатов можно достичь с мишенями, изготовленными из тонкой пленки металла с высокой поглощающей способностью и высокой диффузией (например, титана) на подложке с низкой диффузией водорода (например, серебра), поскольку водород тогда концентрируется на верхнем слое и не может диффундировать в объем материала. Используя газовую смесь дейтерия и трития, можно изготовить самовосстанавливающиеся DT-мишени. Выход нейтронов таких мишеней ниже, чем у мишеней, насыщенных тритием, в дейтронных пучках, но их преимуществом является гораздо более длительный срок службы и постоянный уровень производства нейтронов. Самовосстанавливающиеся мишени также устойчивы к высокотемпературному прогреву трубок, поскольку их насыщение изотопами водорода выполняется после прогрева 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 термоциклированного пироэлектрического кристалла для создания сильных электрических полей в приложении нейтронного генератора. В феврале 2006 года исследователи из Политехнического института Ренсселера продемонстрировали использование двух противоположно полюсных кристаллов для этого приложения. Используя эти низкотехнологичные источники питания, можно создать достаточно высокий градиент электрического поля через ускоряющий зазор для ускорения ионов дейтерия в дейтерированную мишень для получения реакции синтеза D + D. Эти устройства по своему принципу работы аналогичны обычным нейтронным генераторам с герметичной трубкой, которые обычно используют высоковольтные источники питания 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 умеренными частотами импульсов, которые могут быть достигнуты (несколько циклов в минуту), ограничивает их краткосрочное применение по сравнению с сегодняшними коммерческими продуктами (см. ниже). Также см. пироэлектрический синтез . [6]
Помимо описанной выше традиционной конструкции нейтронного генератора существует несколько других подходов к использованию электрических систем для получения нейтронов.
Другой тип инновационного нейтронного генератора — это устройство термоядерного синтеза с инерционным электростатическим удержанием . Этот нейтронный генератор избегает использования твердой мишени, которая будет распыляться, вызывая металлизацию изолирующих поверхностей. Также избегается истощение газа-реагента внутри твердой мишени. Достигается гораздо больший срок службы. Первоначально названный фузором, он был изобретен Фило Фарнсвортом , изобретателем электронного телевидения .
Генераторы нейтронов находят применение в полупроводниковой промышленности. Они также используются в обогащении обедненного урана, ускорении реакторов-размножителей, активации и возбуждении экспериментальных ториевых реакторов.
В анализе материалов нейтронный активационный анализ используется для определения концентрации различных элементов в смешанных материалах, таких как минералы или руды. Приблизительная модель балансирующего детектора распада гипернейтронов с двумя вариантами распада в обычных нейтронах и гиперпротонах. Эти последующие детекторы могут быть разработаны для еще большей точности.
