Кіріспе
Нейтрон генераторлары – сызықтық бөлшектерді үдеткішпен жабдықталған және сутегі изотоптарын біріктіру арқылы нейтрондарды өндіретін нейтрон көзі құрылғылары. Бұл құрылғыларда синтез реакциялары дейтерий, тритий немесе осы екі изотоптың қоспасын, дейтерий, тритий немесе осы изотоптардың қоспасын қамтитын металл гидридтік нысанаға үдету арқылы жүзеге асырылады. Дейтерий атомдарының (D + D) бірігуі шамамен 2,5 МэВ кинетикалық энергиясы бар гелий-3 ионы мен нейтронды құрайды. Дейтерий және тритий атомдарының (D + T) бірігуі шамамен 14,1 МэВ кинетикалық энергиясы бар гелий-4 ионы мен нейтронды құрайды. Нейтрон генераторлары медицина, қауіпсіздік және материалдарды талдау салаларында қолданылады. Бұл тұжырымдама алғаш рет 1930 жылдардың басында Эрнест Резерфордтың Кавендиш лабораториясындағы тобымен әзірленді. Коккрофт-Уолтон генераторымен жұмыс істейтін сызықтық үдеткішті пайдаланып, Марк Олифант дейтерий иондарын дейтериймен қанықтырылған металл фольгаға бағыттап, осы бөлшектердің азы бөлігі альфа бөлшектерін шығаратынын байқады. Бұл ядролық синтездің алғашқы демонстрациясы, сондай-ақ осы реакцияларда пайда болған гелий-3 және тритийдің алғашқы ашылуы болды. Жаңа қуат көздерінің енгізілуі осы машиналардың мөлшерін үнемі қысқартып келеді – Олифанттың зертхананың бір бұрышын толтырғанынан бастап, қазіргі заманғы жоғары портативті машиналарға дейін. Соңғы бес онжылдықта мыңдаған осындай кішкентай, салыстырмалы түрде арзан жүйелер құрылды. Нейтрон генераторлары синтез реакцияларын тудырғанымен, осы реакцияларды тудыратын үдетілген иондардың саны өте аз. Бұл реакциялардан бөлінетін энергия иондарды үдетуге қажетті энергиядан әлдеқайда төмен екенін оңай көрсетуге болады, сондықтан бұл машиналарды таза синтез қуатын өндіру үшін пайдалану мүмкін емес. Бұл мәселені екі үдеткіштің бір-біріне бағыттауы арқылы шешуге тырысатын, соқтығысатын сәулелер синтезі деген байланысты концепция бар.
generators employing accelerators
Neutron generators are neutron source devices which contain compact linear particle accelerators and that produce neutrons by fusing isotopes of hydrogen together. The fusion reactions take place in these devices by accelerating either deuterium, tritium, or a mixture of these two isotopes into a metal hydride target which also contains deuterium, tritium or a mixture of these isotopes. Fusion of deuterium atoms (D + D) results in the formation of a helium 3 ion and a neutron with a kinetic energy of approximately 2.5 MeV. Fusion of a deuterium and a tritium atom (D + T) results in the formation of a helium 4 ion and a neutron with a kinetic energy of approximately 14.1 MeV. Neutron generators have applications in medicine, security, and materials analysis. The basic concept was first developed by Ernest Rutherford's team in the Cavendish Laboratory in the early 1930s. Using a linear accelerator driven by a Cockcroft–Walton generator, Mark Oliphant led an experiment that fired deuterium ions into a deuterium infused metal foil and noticed that a small number of these particles gave off alpha particles. This was the first demonstration of nuclear fusion, as well as the first discovery of Helium 3 and tritium, created in these reactions. The introduction of new power sources has continually shrunk the size of these machines, from Oliphant's that filled the corner of the lab, to modern machines that are highly portable. Thousands of such small, relatively inexpensive systems have been built over the past five decades. While neutron generators do produce fusion reactions, the number of accelerated ions that cause these reactions is very low. It can be easily demonstrated that the energy released by these reactions is many times lower than the energy needed to accelerate the ions, so there is no possibility of these machines being used to produce net fusion power. A related concept, colliding beam fusion, attempts to address this issue using two accelerators firing at each other.
Нейтрон генераторының теориясы мен жұмыс істеуі
Деутерий (D, сутек-2, 2H) және тритий (T, сутек-3, 3H) ядролық синтез реакцияларын пайдаланатын шағын нейтрон генераторлары – ең көп таралған үдеткішті (радиоактивті изотоптардан өзгеше) нейтрон көздері. Бұл жүйелерде нейтрондар дейтерий, тритий немесе дейтерий мен тритий иондарын жасау және оларды дейтериймен немесе дейтерий мен тритиймен толтырылған гидридтік нысанаға үдету арқылы өндіріледі. DT реакциясы DD реакциясына қарағанда жиі қолданылады, себебі DT реакциясының шығымы DD реакциясынан 50-100 есе жоғары. D + T → n + 4He En = 14.1 МэВ D + D → n + 3He En = 2.5 МэВ
D + D → n + 3He En = 2.5 MeV
Neutrons produced by DD and DT reactions are emitted somewhat anisotropically from the target, slightly biased in the forward (in the axis of the ion beam) direction. The anisotropy of the neutron emission from DD and DT reactions arises from the fact the reactions are isotropic in the center of momentum coordinate system (COM) but this isotropy is lost in the transformation from the COM coordinate system to the laboratory frame of reference. In both frames of reference, the He nuclei recoil in the opposite direction to the emitted neutron consistent with the law of conservation of momentum. The gas pressure in the ion source region of the neutron tubes generally ranges between 0.1 and 0.01 mm Hg. The mean free path of electrons must be shorter than the discharge space to achieve ionization (lower limit for pressure) while the pressure must be kept low enough to avoid formation of discharges at the high extraction voltages applied between the electrodes. The pressure in the accelerating region, however, has to be much lower, as the mean free path of electrons must be longer to prevent formation of a discharge between the high voltage electrodes. The ion accelerator usually consists of several electrodes with cylindrical symmetry, acting as an einzel lens. The ion beam can thus be focused to a small point at the target. The accelerators typically require power supplies of 100–500 kV. They usually have several stages, with voltage between the stages not exceeding 200 kV to prevent field emission. a mostly solid state device, resembling a computer chip, invented at Sandia National Laboratories in Albuquerque NM. Typical sealed designs are used in a pulsed mode and can be operated at different output levels, depending on the life from the ion source and loaded targets.
DD және DT реакцияларынан туындаған нейтрондар нысанадан анизотроптық түрде шығарылады, иондық сәуле осі бойындағы бағытта сәл бұрылыс байқалады. DD және DT реакцияларының нейтрондық эмиссиясының анизотропиясы реакциялардың импульс координаталар жүйесінің ортасында (COM) изотропты болуымен, бірақ COM жүйесінен зертханалық координаттар жүйесіне ауысқанда бұл изотропияның жоғалуымен байланысты. Екі координаттар жүйесінде де He ядролары шығарылған нейтронға қарама-қарсы бағытта импульстің сақталу заңына сәйкес кері қайтарылады. Нейтрон түтікшелерінің иондық көзі аймағындағы газ қысымы әдетте 0,1 және 0,01 мм сынқ. колонкасы аралығында болады. Иондануға қол жеткізу үшін (қысымның ең төменгі шегі) электрондардың орташа еркін жүріс жолы разряд кеңістігінен қысқа болуы керек, ал электродтар арасындағы жоғары кернеуде разрядтың пайда болуын болдырмау үшін қысым жеткілікті түрде төмен болуы тиіс. Дегенмен, үдету аймағындағы қысым одан да төмен болуы керек, өйткені жоғары кернеулі электродтар арасында разрядтың пайда болуын болдырмау үшін электрондардың орташа еркін жүріс жолы ұзақ болуы керек. Иондық үдеткіш әдетте цилиндрлік симметриялы бірнеше электродтан тұрады, олар жеке линза ретінде жұмыс істейді. Осылайша иондық сәуле нысананың кішкентай нүктесіне шоғырлантырылуы мүмкін. Үдеткіштерге әдетте 100-500 кВ қуат көзі қажет. Олар көбінесе бірнеше сатыдан тұрады, сатылар арасындағы кернеу далалық эмиссияны болдырмау үшін 200 кВ-тан аспауы керек. Бұл құрылғы негізінен компьютерлік чипке ұқсайтын қатты күйдегі элемент, және Альбукеркидегі Сандия ұлттық зертханасында ойлап табылды. Типтік герметикалық конструкциялар импульстік режимде қолданылады және иондық көздің және жүктелген нысаналардың қызмет ету мерзіміне байланысты әртүрлі шығыс деңгейлерінде жұмыс істей алады.
D + D → n + 3He En = 2.5 MeV
Neutrons produced by DD and DT reactions are emitted somewhat anisotropically from the target, slightly biased in the forward (in the axis of the ion beam) direction. The anisotropy of the neutron emission from DD and DT reactions arises from the fact the reactions are isotropic in the center of momentum coordinate system (COM) but this isotropy is lost in the transformation from the COM coordinate system to the laboratory frame of reference. In both frames of reference, the He nuclei recoil in the opposite direction to the emitted neutron consistent with the law of conservation of momentum. The gas pressure in the ion source region of the neutron tubes generally ranges between 0.1 and 0.01 mm Hg. The mean free path of electrons must be shorter than the discharge space to achieve ionization (lower limit for pressure) while the pressure must be kept low enough to avoid formation of discharges at the high extraction voltages applied between the electrodes. The pressure in the accelerating region, however, has to be much lower, as the mean free path of electrons must be longer to prevent formation of a discharge between the high voltage electrodes. The ion accelerator usually consists of several electrodes with cylindrical symmetry, acting as an einzel lens. The ion beam can thus be focused to a small point at the target. The accelerators typically require power supplies of 100–500 kV. They usually have several stages, with voltage between the stages not exceeding 200 kV to prevent field emission. a mostly solid state device, resembling a computer chip, invented at Sandia National Laboratories in Albuquerque NM. Typical sealed designs are used in a pulsed mode and can be operated at different output levels, depending on the life from the ion source and loaded targets.
Иондар көздері
Жақсы ион көзі газды көп жұмсамай, күшті ион сәулесін қамтамасыз етуі керек. Сутегінің изотоптары үшін атомдық иондардың түзілуі молекулалық иондарға қарағанда қолайлырақ, себебі атомдық иондар соқтығысқанда жоғары нейтрон шығымын береді. Ион көзінде пайда болған иондар электр өрісі арқылы үдеткіш аймаққа шығарылып, нысанаға қарай үдетіледі. Газдың жұмсалуы негізінен иондарды өндіру және үдету кеңістіктері арасындағы қысым айырмашылығын сақтау қажеттілігінен туындайды. 40 см³/сағат газ жұмсағанда 10 мА ион тогына қол жеткізу мүмкін.
Басқа технологиялар
Жоғарыда сипатталған дәстүрлі нейтрон генераторының құрылымынан өзге, нейтрондарды жасау үшін электр жүйелерін қолданудың тағы бірнеше әдісі бар.
Инерциялық электростатиктік тұйықтау/қозғалтқыш
Инновациялық нейтрон генераторларының тағы бір түрі – инерциялық электростаттық тұтқындау синтезі құрылғысы. Бұл нейтрон генераторы, металлданған тозаңның пайда болуына және оқшаулағыш беттердің металдануына себеп болатын, қатты нысананы пайдаланудан сақталады. Сондай-ақ, қатты нысана ішіндегі реакцияға қатысатын газдың азаюынан да сақталады. Осының арқасында, жұмыс істеу мерзімі едәуір ұзарады. Бұл құрылғы бастапқыда «фузор» деп аталған және электрондық теледидарды ойлап тапқан Фило Фарнсвортқа тиесілі.
Қолданбалар
Нейтрон генераторлары жартылай өткізгіш өндірісі саласында қолданылады. Олар сонымен қатар, қысылған уранды байыту, көбейткіш реакторларды үдету, сондай-ақ эксперименттік торий реакторларын іске қосу және оларды жандандыру үшін де пайдаланылады. Материалдарды талдау кезінде, минералдар мен кендер сияқты қосылыс материалдардағы әртүрлі элементтердің мөлшерін анықтау үшін нейтрондық белсендіру талдауы қолданылады.