Generator neutronów - Neutron generator
| Fizyka nuklearna |
|---|
 |
| Jądro · Nukleony ( p , n ) · względu jądrowego · siły jądrowe · struktura jądrowego · reakcji jądrowej |
Generatory neutronowe są źródło neutronów urządzenia, które zawierają kompaktowe akceleratory cząstek liniowy i które wytwarzają neutrony przez fuzję izotopy wodoru razem. Do fuzji reakcję prowadzi się w takich urządzeniach, przyspieszania albo deuteru , trytu , albo mieszaninę tych dwóch izotopów do metalowej wodorku celu, który zawiera również do deuteru, trytu lub mieszaninę tych izotopów. Fuzja atomów deuteru (D + D) powoduje powstanie jonu He-3 i neutronu o energii kinetycznej około 2,5 MeV . W wyniku połączenia atomu deuteru i trytu (D + T) powstaje jon He-4 i neutron o energii kinetycznej około 14,1 MeV. Generatory neutronów mają zastosowanie w medycynie, bezpieczeństwie i analizie materiałów.
Podstawowa koncepcja została po raz pierwszy opracowana przez zespół Ernesta Rutherforda w Laboratorium Cavendisha na początku lat 30. XX wieku. Używając akceleratora liniowego napędzanego przez generator Cockcrofta-Waltona , Mark Oliphant przeprowadził eksperyment, w którym jony deuteru wystrzeliły do metalowej folii nasączonej deuterem i zauważył, że niewielka liczba tych cząstek wydziela cząstki alfa . Była to pierwsza demonstracja syntezy jądrowej, a także pierwsze odkrycie helu-3 i trytu powstałych w tych reakcjach. Wprowadzenie nowych źródeł zasilania stale zmniejszało rozmiary tych maszyn, od maszyn Oliphant, które wypełniały zakątki laboratorium, po nowoczesne maszyny, które są bardzo przenośne. W ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat zbudowano tysiące takich małych, stosunkowo niedrogich systemów.
Chociaż generatory neutronów wytwarzają reakcje fuzji, liczba przyspieszonych jonów, które wywołują te reakcje, jest bardzo niska. Można łatwo wykazać, że energia uwalniana w tych reakcjach jest wielokrotnie niższa niż energia potrzebna do przyspieszenia jonów, więc nie ma możliwości wykorzystania tych maszyn do produkcji energii syntezy jądrowej . Pokrewna koncepcja, łączenie wiązki zderzeniowej , próbuje rozwiązać ten problem przy użyciu dwóch akceleratorów strzelających do siebie.
Teoria i działanie generatora neutronowego
Małe generatory neutronów wykorzystujące reakcje fuzji deuteru (D, wodór-2, 2 H) trytu (T, wodór-3, 3 H) są najczęstszymi źródłami neutronów opartymi na akceleratorach (w przeciwieństwie do izotopów radioaktywnych). W tych systemach neutrony są wytwarzane przez tworzenie jonów deuteru, trytu lub deuteru i trytu i przyspieszanie ich do celu wodorkowego obciążonego deuterem lub deuterem i trytem. Reakcja DT jest używana częściej niż reakcja DD, ponieważ wydajność reakcji DT jest 50–100 razy wyższa niż w przypadku reakcji DD.
D + T → n + 4 He E n = 14,1 MeV
D + D → n + 3 He E n = 2,5 MeV
Neutrony wytwarzane w reakcjach DD i DT są emitowane nieco anizotropowo z tarczy, lekko przesunięte w kierunku do przodu (w osi wiązki jonów). Anizotropia emisji neutronów z reakcji DD i DT wynika z tego, że reakcje te są izotropowe w centrum układu współrzędnych pędu (COM), ale ta izotropia jest tracona podczas transformacji układu współrzędnych COM na laboratoryjny układ odniesienia . W obu układach odniesienia jądra He odrzucają się w kierunku przeciwnym do emitowanego neutronu zgodnie z prawem zachowania pędu .
Ciśnienie gazu w obszarze źródła jonów lamp neutronowych na ogół mieści się w zakresie 0,1–0,01 mm Hg . Średnia droga swobodna elektronów musi być krótszy niż przestrzeni wyładowczej w celu uzyskania jonizacji (dolna granica ciśnienia), przy czym ciśnienie musi być na tyle niska, aby uniknąć tworzenia się do powstawania wyładowań o wysokiej ekstrakcji napięcia między elektrodami. Jednak ciśnienie w obszarze przyspieszania musi być znacznie niższe, ponieważ średnia swobodna droga elektronów musi być dłuższa, aby zapobiec tworzeniu się wyładowania między elektrodami wysokiego napięcia.
Akcelerator jonów zwykle składa się z kilku elektrod o cylindrycznej symetrii, działających jak soczewka Einzela . W ten sposób wiązka jonów może być skupiona w małym punkcie na celu. Akceleratory zwykle wymagają zasilania o napięciu 100 – 500 kV. Zwykle mają kilka stopni, a napięcie między stopniami nie przekracza 200 kV, aby zapobiec emisji pola .
W porównaniu z radionuklidowymi źródłami neutronów, lampy neutronowe mogą wytwarzać znacznie wyższe strumienie neutronów i można uzyskać spójne (monochromatyczne) widma energii neutronów. Można również kontrolować szybkość produkcji neutronów.
Uszczelnione rurki neutronowe
Centralną częścią generatora neutronów jest sam akcelerator cząstek, czasami nazywany lampą neutronową. Lampy neutronowe mają kilka elementów, w tym źródło jonów, elementy optyczne jonów i cel wiązki; wszystkie są zamknięte w hermetycznej obudowie. Izolację wysokonapięciową pomiędzy jonowymi elementami optycznymi lampy zapewniają izolatory szklane i/lub ceramiczne. Lampa neutronowa jest z kolei zamknięta w metalowej obudowie, głowicy akceleratora, która jest wypełniona medium dielektrycznym izolującym elementy lampy wysokiego napięcia od obszaru roboczego. Wysokie napięcia akceleratora i źródła jonów są dostarczane przez zewnętrzne zasilacze. Konsola sterownicza umożliwia operatorowi dostosowanie parametrów pracy lampy neutronowej. Zasilacze i sprzęt sterujący zwykle znajdują się w odległości 10–30 stóp od głowicy akceleratora w przyrządach laboratoryjnych, ale mogą znajdować się w odległości kilku kilometrów w przyrządach do rejestrowania odwiertów .
W porównaniu z poprzednikami szczelne lampy neutronowe nie wymagają do działania pomp próżniowych i źródeł gazu. Dzięki temu są bardziej mobilne i kompaktowe, a jednocześnie trwałe i niezawodne. Na przykład uszczelnione lampy neutronowe zastąpiły radioaktywne modulowane inicjatory neutronowe , dostarczające impuls neutronowy do implodującego rdzenia nowoczesnej broni jądrowej .
Przykłady pomysłów na lampy neutronowe sięgają lat 30-tych, ery sprzed broni jądrowej, przez niemieckich naukowców, którzy złożyli niemiecki patent z 1938 r. (marzec 1938, patent nr 261,156) i uzyskali patent amerykański (lipiec 1941, USP nr 2251190); przykłady obecnego stanu techniki są podane w opracowaniach, takich jak Neutristor, urządzenie w większości półprzewodnikowe, przypominające chip komputerowy, wynalezione w Sandia National Laboratories w Albuquerque w stanie Nowy Meksyk. Typowe konstrukcje zamknięte są używane w trybie pulsacyjnym i mogą działać na różnych poziomach wyjściowych, w zależności od żywotności źródła jonów i obciążonych celów.
Źródła jonów
Dobre źródło jonów powinno zapewniać silną wiązkę jonów bez zużywania dużej ilości gazu. W przypadku izotopów wodoru wytwarzanie jonów atomowych jest faworyzowane w stosunku do jonów molekularnych, ponieważ jony atomowe mają wyższą wydajność neutronów przy zderzeniu. Jony generowane w źródle jonów są następnie ekstrahowane przez pole elektryczne do obszaru akceleratora i przyspieszane w kierunku celu. Zużycie gazu jest spowodowane głównie różnicą ciśnień między przestrzenią generującą jony i przestrzenią przyspieszającą jony, która musi być utrzymana. Prądy jonowe 10 mA w zużyciu gazu 40 cm 3 / h są osiągalne.
W przypadku szczelnej lampy neutronowej idealne źródło jonów powinno wykorzystywać niskie ciśnienie gazu, dawać wysoki prąd jonów przy dużym udziale jonów atomowych, mieć niski poziom oczyszczania gazu, wykorzystywać małą moc, mieć wysoką niezawodność i długą żywotność, jego konstrukcja musi być prosty i solidny, a jego wymagania konserwacyjne muszą być niskie.
Gaz może być efektywnie magazynowany w regeneratorze, podgrzewanej elektrycznie cewce drutu cyrkonowego. Jego temperatura określa szybkość absorpcji/desorpcji wodoru przez metal, co reguluje ciśnienie w obudowie.
Zimna katoda (Penning)
Źródłem Penninga jest źródło jonów z zimną katodą o niskim ciśnieniu gazu, które wykorzystuje skrzyżowane pola elektryczne i magnetyczne. Anoda źródła jonów ma dodatni potencjał, stały lub pulsacyjny, w stosunku do katody źródła. Napięcie źródła jonów wynosi zwykle od 2 do 7 kilowoltów. Magnes trwały wytwarza pole magnetyczne zorientowane równolegle do osi źródła . Plazma powstaje wzdłuż osi anody, która wychwytuje elektrony, które z kolei ulegają jonizacji gazu w źródle. Jony są ekstrahowane przez katodę wyjściową. W normalnych warunkach jony wytwarzane przez źródło Penninga to ponad 90% jonów molekularnych. Ta wada jest jednak kompensowana innymi zaletami systemu.
Jedną z katod jest miseczka wykonana z miękkiego żelaza , zamykająca większość przestrzeni wyładowczej. Dno kubka ma otwór, przez który większość generowanych jonów jest wyrzucana przez pole magnetyczne do przestrzeni przyspieszenia. Miękkie żelazo osłania przestrzeń akceleracyjną przed polem magnetycznym, aby zapobiec awariom.
Jony wychodzące z katody wyjściowej są przyspieszane przez różnicę potencjałów między katodą wyjściową a elektrodą akceleratora. Schemat wskazuje, że katoda wyjściowa ma potencjał uziemienia, a tarcza ma wysoki (ujemny) potencjał. Tak jest w przypadku wielu generatorów neutronów w obudowie zamkniętej. Jednak w przypadkach, gdy pożądane jest dostarczenie maksymalnego strumienia do próbki, pożądane jest działanie lampy neutronowej z uziemionym celem i źródłem unoszącym się na wysokim (dodatnim) potencjale. Napięcie akceleratora wynosi zwykle od 80 do 180 kilowoltów.
Elektroda przyspieszająca ma kształt długiego pustego cylindra. Wiązka jonów ma lekko rozbieżny kąt (około 0,1 radiana ). Kształt elektrody i odległość od celu można dobrać tak, aby cała powierzchnia celu była bombardowana jonami. Osiągalne są napięcia przyspieszenia do 200 kV.
Jony przechodzą przez elektrodę przyspieszającą i uderzają w tarczę. Kiedy jony uderzają w tarczę, w wyniku emisji wtórnej wytwarzane są 2-3 elektrony na jon. Aby zapobiec przyspieszeniu tych wtórnych elektronów z powrotem do źródła jonów, elektroda akceleratora jest spolaryzowana ujemnie w stosunku do celu. To napięcie, zwane napięciem tłumiącym, musi wynosić co najmniej 500 woltów i może wynosić nawet kilka kilowoltów. Utrata napięcia tłumika spowoduje uszkodzenie, być może katastrofalne, lampy neutronowej.
Niektóre lampy neutronowe zawierają elektrodę pośrednią, zwaną elektrodą skupiającą lub ekstrakcyjną, do kontrolowania wielkości plamki wiązki na celu. Ciśnienie gazu w źródle jest regulowane przez ogrzewanie lub chłodzenie elementu zbiornika gazu.
Częstotliwość radiowa (RF)
Jony mogą być tworzone przez elektrony powstałe w polu elektromagnetycznym o wysokiej częstotliwości. Wyładowanie powstaje w rurce umieszczonej pomiędzy elektrodami lub wewnątrz cewki . Możliwy jest do uzyskania ponad 90% udział jonów atomowych.
Cele
Tarcze stosowane w generatorach neutronów to cienkie warstwy metalu, takiego jak tytan , skand lub cyrkon, które są osadzane na podłożu ze srebra , miedzi lub molibdenu . Tytan, skand i cyrkon tworzą stabilne związki chemiczne zwane wodorkami metali w połączeniu z wodorem lub jego izotopami. Te wodorki metali składają się z dwóch atomów wodoru ( deuteru lub trytu ) na atom metalu i pozwalają na uzyskanie niezwykle wysokiej gęstości wodoru w tarczy. Jest to ważne, aby zmaksymalizować wydajność neutronów w lampie neutronowej. Element zbiornika gazu wykorzystuje również jako materiał aktywny wodorki metali, np. wodorek uranu .
Tytan jest preferowany od cyrkonu, ponieważ może wytrzymać wyższe temperatury (200 ° C) i daje wyższą wydajność neutronów, ponieważ wychwytuje deuterony lepiej niż cyrkon. Maksymalna temperatura dozwolona dla tarczy, powyżej której izotopy wodoru ulegają desorpcji i uciekają z materiału, ogranicza prąd jonów na jednostkę powierzchni tarczy; dlatego stosuje się nieco rozbieżne wiązki. Wiązka jonów 1 mikroamperach przyspieszony przy 200 kV do tarczy tytanowo-tryt można wygenerować 10 8 neutronów na sekundę. Wydajność neutronów zależy głównie od napięcia przyspieszającego i poziomu prądu jonowego.
Przykładem stosowanej tarczy trytowej jest srebrny dysk o grubości 0,2 mm z warstwą tytanu o grubości 1 mikrometra osadzoną na jego powierzchni; tytan jest następnie nasycony trytem.
Metale o wystarczająco niskiej dyfuzji wodoru mogą zostać przekształcone w cele deuterowe przez bombardowanie deuteronami, aż metal zostanie nasycony. Złote tarcze w takich warunkach wykazują czterokrotnie wyższą wydajność niż tytan. Jeszcze lepsze wyniki można osiągnąć, stosując tarcze wykonane z cienkiej warstwy wysokoabsorpcyjnego metalu o wysokiej dyfuzyjności (np. tytanu) na podłożu o niskiej dyfuzyjności wodoru (np. srebro), ponieważ wodór jest następnie skoncentrowany na górnej warstwie i może nie dyfundować do masy materiału. Używając mieszaniny gazów deuterowo-trytowych, można wykonać samonapełniające się cele DT. Wydajność neutronowa takich celów jest niższa niż celów nasyconych trytem w wiązkach deuteronowych, ale ich zaletą jest znacznie dłuższy czas życia i stały poziom produkcji neutronów. Samonapełniające się cele są również odporne na wypalanie rurek w wysokiej temperaturze , ponieważ ich nasycenie izotopami wodoru następuje po wypaleniu i uszczelnieniu rurek.
Zasilacze wysokiego napięcia
Jednym ze szczególnie interesujących podejść do generowania pól wysokiego napięcia potrzebnych do przyspieszania jonów w lampie neutronowej jest zastosowanie kryształu piroelektrycznego . W kwietniu 2005 roku naukowcy z UCLA zademonstrowali zastosowanie kryształu piroelektrycznego poddanego cyklowi termicznemu do generowania wysokich pól elektrycznych w generatorze neutronów. W lutym 2006 roku naukowcy z Rensselaer Polytechnic Institute zademonstrowali zastosowanie w tym zastosowaniu dwóch przeciwnie biegunowych kryształów. Korzystając z tych nowoczesnych zasilaczy, możliwe jest wygenerowanie wystarczająco wysokiego gradientu pola elektrycznego w szczelinie przyspieszającej, aby przyspieszyć jony deuteru do deuterowanego celu, aby wytworzyć reakcję fuzji D + D. Urządzenia te są podobne w swojej zasadzie działania do konwencjonalnych generatorów neutronów z zamkniętą rurą, które zwykle wykorzystują zasilacze wysokiego napięcia typu Cockcroft-Walton . Nowość tego podejścia polega na prostocie źródła wysokiego napięcia. Niestety, stosunkowo niski prąd przyspieszający, jaki mogą generować kryształy piroelektryczne, wraz z możliwymi do uzyskania skromnymi częstotliwościami pulsowania (kilka cykli na minutę) ogranicza ich krótkoterminowe zastosowanie w porównaniu z dzisiejszymi produktami komercyjnymi (patrz poniżej). Zobacz także fuzja piroelektryczna .
Inne technologie
Oprócz opisanej powyżej konstrukcji konwencjonalnego generatora neutronów istnieje kilka innych podejść do wykorzystania systemów elektrycznych do wytwarzania neutronów.
Inercyjne zabezpieczenie elektrostatyczne/utrwalacz
Innym typem innowacyjnego generatora neutronów jest bezwładnościowe elektrostatyczne urządzenie do syntezy termojądrowej. Ten generator neutronów pozwala uniknąć użycia stałego celu, który ulegnie erozji napylanej, powodując metalizację powierzchni izolacyjnych. Unika się również wyczerpywania się gazu reakcyjnego w stałej tarczy. Osiągnięto znacznie dłuższy okres eksploatacji. Pierwotnie nazywany fusorem, został wynaleziony przez Philo Farnswortha , wynalazcę telewizji elektronicznej .
Zobacz też
- Szybki neutron
- Rozszczepienia jądrowego
- Fuzja nuklearna
- Źródło neutronów
- Moderator neutronów
- Rozpad radioaktywny
- Powolny neutron
- Zetatron
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Chichester, DL; Simpson, JD (2003). „Kompaktowe generatory neutronów z akceleratorem” (PDF) . Fizyk Przemysłowy . 9 (6): 22–25. Zarchiwizowane z oryginału (PDF) w dniu 08.09.2013.
- Elizondo-Decanini, JM; Schmale, D.; Cich, M.; Martinez, M.; Youngman K.; Senkow, M.; Kiff, S.; Steele, J.; Goeke, R.; Wróblewski B.; Desko, J.; Dragt, AJ (2012). „Nowatorski natynkowy generator neutronów”. Transakcje IEEE w dziedzinie nauki o plazmie . 40 (9): 2145–2150. Kod bib : 2012ITPS...40.2145E . doi : 10.1109/TPS.2012.2204278 . S2CID 20593594 .
- „Krajowe Laboratoria Sandia” .