Генераторы нейтронов на линейных ускорителях частиц

Введение

Источник нейтронов от линейных ускорителей частиц – генераторы, использующие ускорители

Нейтронные генераторы – это устройства, содержащие компактные линейные ускорители частиц и производящие нейтроны путем слияния 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 их смесь. 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. Нейтронные генераторы находят применение в медицине, сфере безопасности и анализе материалов. Базовая концепция была впервые разработана командой Эрнеста Резерфорда в Кавендишской лаборатории в начале 1930-х годов. Используя линейный ускоритель, работающий от генератора Кокрофта-Уолтона, Марк Олифант возглавил эксперимент, в котором ионы дейтерия направлялись в металлическую фольгу, насыщенную дейтерием, и обнаружил, что небольшое количество этих частиц испускает альфа-частицы. Это была первая демонстрация ядерного синтеза, а также первое открытие гелия-3 и трития, образованных в этих реакциях. Внедрение новых источников энергии постоянно уменьшало размеры этих машин – от машин Олифанта, занимавших угол лаборатории, до современных, высокопортативных устройств. За последние пять десятилетий было построено тысячи таких небольших и относительно недорогих систем. Хотя нейтронные генераторы действительно производят реакции синтеза, количество ускоренных ионов, вызывающих эти реакции, очень невелико. Легко показать, что энергия, выделяемая этими реакциями, во много раз меньше энергии, необходимой для ускорения ионов, поэтому использование этих машин для получения чистой энергии синтеза невозможно. Связанная концепция – синтез сталкивающихся пучков – пытается решить эту проблему, используя два ускорителя, направленных друг на друга.

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.

Теория и работа нейтронного генератора

Малые генераторы нейтронов, использующие реакции синтеза дейтерия (D, водород-2, 2H) с тритием (T, водород-3, 3H), 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 D-T используется чаще, чем реакция D-D, поскольку выход реакции D-T в 50–100 раз выше, чем у реакции D-D. D + T → n + 4He En = 14,1 МэВ

D + D → n + 3He En = 2,5 МэВ

Нейтроны, образующиеся в реакциях D-D и D-T, испускаются несколько анизотропно из мишени, со слабым смещением в направлении вперед (вдоль оси ионного пучка). Анизотропия нейтронного излучения в реакциях D-D и D-T обусловлена тем, что реакции изотропны в системе отсчета центра масс (COM), но эта изотропия теряется при переходе из системы координат COM в лабораторную систему отсчета. В обеих системах отсчета ядра гелия отталкиваются в направлении, противоположном направлению испускаемого нейтрона, в соответствии с законом сохранения импульса. Газовое давление в области ионного источника нейтронных трубок обычно находится в диапазоне от 0,1 до 0,01 мм рт. ст. Средняя длина свободного пробега электронов должна быть меньше, чем длина разрядного промежутка, для достижения ионизации (нижний предел давления), при этом давление должно поддерживаться достаточно низким, чтобы избежать образования разрядов при высоких напряжениях экстракции, прикладываемых между электродами. Однако давление в ускоряющей области должно быть значительно ниже, поскольку средняя длина свободного пробега электронов должна быть больше, чтобы предотвратить образование разряда между электродами высокого напряжения. Ионный ускоритель обычно состоит из нескольких электродов с цилиндрической симметрией, функционирующих как эйнзельная линза. Таким образом, ионный пучок может быть сфокусирован в небольшую точку на мишени. Ускорителям обычно требуются источники питания на 100–500 кВ. Они обычно имеют несколько ступеней, при этом напряжение между ступенями не превышает 200 кВ для предотвращения полевой эмиссии. Это в основном твердотельное устройство, напоминающее компьютерный чип, изобретенное в Национальных лабораториях Сандии в Альбукерке, штат Нью-Мексико. Типичные герметичные конструкции используются в импульсном режиме и могут работать на различных уровнях мощности, в зависимости от ресурса ионного источника и загруженных мишеней.

Источники ионов

Хороший источник ионов должен обеспечивать интенсивный ионный пучок, не расходуя при этом много газа. Для изотопов водорода предпочтительно генерировать атомные ионы, а не молекулярные, поскольку атомные ионы дают больший выход нейтронов при столкновении. Ионы, образующиеся в источнике ионов, затем извлекаются электрическим полем в область ускорения и ускоряются в направлении мишени. Расход газа в основном обусловлен необходимостью поддерживать разность давлений между пространством генерации и пространством ускорения ионов. Достижимы ионные токи в 10 мА при расходе газа 40 см³/час.

Другие технологии

В дополнение к описанной выше стандартной конструкции нейтронного генератора, существуют и другие способы получения нейтронов с помощью электрических систем.

Инерционное электростатическое ограничение/сплав

Другой тип инновационного генератора нейтронов – устройство инерционного электростатического удержания для термоядерного синтеза. Этот генератор нейтронов позволяет избежать использования твердой мишени, которая подвергается распылению, вызывая металлизацию изолирующих поверхностей. Также исключается истощение рабочего газа внутри твердой мишени. Это обеспечивает значительно больший срок службы. Изначально названный фузором, он был изобретен Фило Фарнсвортом, изобретателем электронного телевидения.

Приложения

Нейтронные генераторы находят применение в индустрии производства полупроводников. Они также используются для обогащения обеднённого урана, ускорения реакторов-размножителей и активации и возбуждения экспериментальных ториевых реакторов. В анализе материалов нейтронный активационный анализ применяется для определения концентрации различных элементов в смешанных материалах, таких как минералы или руды.