Войти
Физик-ядерщик из Национальной лаборатории Айдахо ставит эксперимент с использованием электронного генератора нейтронов. Генераторы нейтронов - это источники нейтронов устройства, которые содержат компактные линейные ускорители частиц и которые производят нейтроны путем плавления изотопы водорода вместе. Реакции синтеза происходят в этих устройствах за счет ускорения дейтерия, трития или смеси этих двух изотопов в гидрид металла мишень, которая также содержит дейтерий, тритий или смесь этих изотопов. Синтез атомов дейтерия (D + D) приводит к образованию иона He-3 и нейтрона с кинетической энергией примерно 2,5 МэВ. 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.
Основная концепция была впервые разработана командой Эрнеста Резерфорда в лаборатории Кавендиша в начале 1930-е годы. Используя линейный ускоритель, управляемый генератором Кокрофта-Уолтона, Марк Олифант провел эксперимент, в котором ионами дейтерия подверглась металлическая фольга, наполненная дейтерием, и заметил, что небольшое количество этих частиц дает выкл 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 в этих реакциях, во много раз ниже, чем энергия, необходимая для ускорения ионов, поэтому нет возможности использовать эти машины для получения чистой термоядерной энергии. Связанная концепция, объединение встречных пучков, пытается решить эту проблему с помощью двух ускорителей, стреляющих друг в друга.
Нейтристор в его простейшей форме, испытанный изобретателем в Sandia National Laboratories Малые нейтронные генераторы, использующие дейтерий (D, водород-2, H), тритий (T, водород-3, H) в реакциях синтеза обычные ускорительные (в отличие от радиоактивных изотопов) источники нейтронов. 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.
D + T → n + He E n = 14,1 МэВ
D + D → n + He E n = 2,5 МэВ
Нейтроны, образующиеся в результате реакций DD и DT, испускаются несколько анизотропно из мишени, слегка смещенные в прямом (по оси ионного пучка) направлении. Анизотропия испускания нейтронов в реакциях DD и DT возникает из-за того, что реакции изотропны в системе координат центра импульса (COM), но эта изотропия теряется при преобразовании из систему координат COM в лабораторную систему координат. 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 находится в диапазоне 0,1–0,01. мм рт. Ст.. 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 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.
Ускоритель ионов обычно состоит из нескольких электроды с цилиндрической симметрией, действующие как линза Эйнцеля. Таким образом, ионный пучок можно сфокусировать в небольшую точку на мишени. Для ускорителей обычно требуются источники питания 100-500 кВ. Обычно они имеют несколько ступеней, при этом напряжение между ступенями не превышает 200 кВ для предотвращения автоэлектронной эмиссии.
По сравнению с радионуклидными источниками нейтронов нейтронные трубки могут производить гораздо более высокие потоки нейтронов и согласованные (монохроматические) энергетические спектры нейтронов. Скорость образования нейтронов также может контролироваться.
Центральной частью нейтронного генератора является сам ускоритель частиц, иногда называемый нейтронной трубкой. Нейтронные трубки состоят из нескольких 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 футов от головки ускорителя в лабораторных приборах, но могут быть на расстоянии нескольких километров в каротажных приборах..
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 нейтронные инициаторы в подаче импульса нейтронов во взрывающуюся ядро современного ядерного оружия.
Примеры идей нейтронных трубок восходят к 1930-м годам. эра до ядерного оружия, немецкими учеными, подающими в 1938 г. немецкий патент (март 1938 г., патент № 261 156) и получившие патент США (июль 1941 г., USP № 2 251 190); Примеры современного уровня техники представлены такими разработками, как Neutristor, в основном твердотельное устройство, напоминающее компьютерный чип, изобретенное в Sandia National Laboratories в Альбукерке, штат Нью-Мексико. Типичные герметичные конструкции используются в импульсном режиме и могут работать с различными уровнями выходной мощности, в зависимости от срока службы источника ионов и загруженных мишеней.
Нейтристор в недорогом герметичном корпусе, готовый к испытаниям Хороший ионный источник должен обеспечивать мощный 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. Достижимы ионные токи 10 мА при расходе газа 40 см / час.
Для герметичной нейтронной трубки идеальный источник ионов должен использовать низкое давление газа, обеспечивать высокий ионный ток с большой долей атомарных ионов, иметь низкий уровень очистки газа, низкое энергопотребление, высокая надежность и длительный срок службы, его конструкция должна быть простой и прочной, а требования к техническому обслуживанию должны быть низкими.
Газ можно эффективно хранить в пополнителе, электрически нагреваемая катушка из циркониевой проволоки. Его температура определяет скорость поглощения / десорбции водорода металлом, который регулирует давление в корпусе.
Источник Пеннинга представляет собой источник ионов с низким давлением газа с холодным катодом, который использует 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 постоянным магнитом . Плазма формируется вдоль оси анода, которая 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 представляет собой чашку из мягкого железа, охватывающую 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 пробой.
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. Ионный пучок 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 содержат промежуточный электрод, называемый фокусирующим или экстракционным электродом, для управления размером пятна луча 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 . Достижима доля атомарных ионов более 90%.
Мишени, используемые в нейтронных генераторах, 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 мишени иметь чрезвычайно высокие плотности водорода. Это важно для максимизации нейтронного выхода нейтронной трубки. В элементе газового резервуара также используются 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, 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 микроампер, ускоренный при 200 кВ до титано-тритиевой мишени, может генерировать до 10 нейтронов в секунду. Выход нейтронов в основном определяется ускоряющим напряжением и уровнем ионного тока.
Примером используемой тритиевой мишени является серебряный диск толщиной 0,2 мм с нанесенным на его поверхность слоем титана толщиной 1 микрометр; затем титан насыщается тритием.
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 высокотемпературному обжигу трубок, поскольку их насыщение изотопами водорода происходит после отжига и герметизации трубок.
Одним особенно интересным подходом для создания полей высокого напряжения, необходимых для ускорения ионов в нейтронной трубке, является использование пироэлектрического кристалла. В апреле 2005 года исследователи из UCLA продемонстрировали использование термоциклического пироэлектрического кристалла для создания сильных электрических полей в нейтронном генераторе. В феврале 2006 года исследователи из Политехнического института Ренсселера продемонстрировали использование двух кристаллов с противоположными полюсами для этого приложения. Используя эти низкотехнологичные источники питания, можно создать достаточно высокий градиент электрического поля через ускоряющий промежуток, чтобы ускорить ионы дейтерия в дейтерированную мишень, чтобы вызвать реакцию синтеза D + D. Эти устройства аналогичны по принципу действия обычным нейтронным генераторам с герметичными трубками, в которых обычно используются высоковольтные источники питания типа Cockcroft – Walton. Новизна этого подхода заключается в простоте источника высокого напряжения. К сожалению, относительно низкий ускоряющий ток, который могут генерировать пироэлектрические кристаллы, вместе с достижимыми умеренными частотами импульсов (несколько циклов в минуту) ограничивают их краткосрочное применение по сравнению с сегодняшними коммерческими продуктами (см. Ниже). Также см. пироэлектрический синтез.
В дополнение к описанной выше конструкции обычного нейтронного генератора существует несколько других подходов к использованию электрических систем для производства нейтронов.
Другой тип инновационного нейтронного генератора - это термоядерное устройство с инерционным электростатическим удержанием. 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 названный фузором, он был изобретен Фило Фарнсвортом, изобретателем электронного телевидения.
Портал ядерных технологий 
Технологический портал 