Nøytron generator - Neutron generator

Kjernefysiker ved Idaho National Laboratory setter opp et eksperiment med en elektronisk nøytrongenerator.

Nøytrongeneratorer er nøytronkildeenheter som inneholder kompakte lineære partikkelakseleratorer og som produserer nøytroner ved å smelte isotoper av hydrogen sammen. De fusjonsreaksjoner finner sted i disse anordninger ved å akselerere enten deuterium , tritium , eller en blanding av disse to isotoper i en metall- hydrid mål som også inneholder deuterium, tritium eller en blanding av disse isotoper. Fusjon av deuteriumatomer (D + D) resulterer i dannelse av et He-3-ion og et nøytron med en kinetisk energi på omtrent 2,5 MeV . Fusjon av et deuterium og et tritiumatom (D + T) resulterer i dannelse av et He-4-ion og et nøytron med en kinetisk energi på omtrent 14,1 MeV. Nøytrongeneratorer har applikasjoner innen medisin, sikkerhet og materialanalyse.

Grunnkonseptet ble først utviklet av Ernest Rutherfords team i Cavendish Laboratory på begynnelsen av 1930 -tallet. Ved å bruke en lineær akselerator drevet av en Cockcroft-Walton-generator , ledet Mark Oliphant et eksperiment som avfyrte deuteriumioner til en deuterium-infisert metallfolie og la merke til at et lite antall av disse partiklene avgav alfapartikler . Dette var den første demonstrasjonen av atomfusjon, så vel som den første oppdagelsen av Helium-3 og tritium, skapt i disse reaksjonene. Innføringen av nye strømkilder har kontinuerlig krympet størrelsen på disse maskinene, fra Oliphants som fylte hjørnet av laboratoriet, til moderne maskiner som er svært bærbare. Tusenvis av slike små, relativt rimelige systemer har blitt bygget i løpet av de siste fem tiårene.

Mens nøytrongeneratorer produserer fusjonsreaksjoner, er antallet akselererte ioner som forårsaker disse reaksjonene svært lavt. Det kan enkelt demonstreres at energien som frigjøres ved disse reaksjonene er mange ganger lavere enn energien som trengs for å akselerere ionene, så det er ingen mulighet for at disse maskinene brukes til å produsere netto fusjonskraft . Et beslektet konsept, kollisjon av strålefusjon , prøver å løse dette problemet ved å bruke to akseleratorer som skyter mot hverandre.

Neutristor i sin enkleste form som testet av oppfinneren ved Sandia National Laboratories

Nøytrongenerator teori og drift

Små nøytrongeneratorer som bruker deuterium (D, hydrogen-2, ² H) tritium (T, hydrogen-3, ³ H) fusjonsreaksjoner er de vanligste akseleratorbaserte (i motsetning til radioaktive isotoper) nøytronkilder. I disse systemene produseres nøytroner ved å lage ioner av deuterium, tritium eller deuterium og tritium og akselerere disse til et hydridmål lastet med deuterium, eller deuterium og tritium. DT -reaksjonen brukes mer enn DD -reaksjonen fordi utbyttet av DT -reaksjonen er 50–100 ganger høyere enn DD -reaksjonen.

D + T → n + ⁴ He E _n = 14,1 MeV

D + D → n + ³ He E _n = 2,5 MeV

Nøytroner produsert av DD- og DT -reaksjoner sendes ut noe anisotropisk fra målet, noe forspent i fremover (i ionestrålens akse) retning. Anisotropien til nøytronemisjonen fra DD- og DT -reaksjoner stammer fra det faktum at reaksjonene er isotrope i sentrum av momentumkoordinatsystemet (COM), men denne isotropien går tapt i transformasjonen fra COM -koordinatsystemet til laboratoriets referanseramme . I begge referanserammer rekylerer He -kjernene i motsatt retning av det utsendte nøytronet i samsvar med loven om bevarelse av momentum .

Gasstrykket i ionekildeområdet til nøytronrørene varierer vanligvis mellom 0,1-0,01 mm Hg . Den gjennomsnittlige frie banen til elektroner må være kortere enn utladningsrommet for å oppnå ionisering (nedre grense for trykk), mens trykket må holdes lavt nok til å unngå dannelse av utladninger ved de høye ekstraksjonsspenningene som påføres mellom elektrodene. Trykket i akselerasjonsområdet må imidlertid være mye lavere, ettersom den gjennomsnittlige frie banen til elektroner må være lengre for å forhindre dannelse av utladning mellom høyspentelektrodene.

Ionakseleratoren består vanligvis av flere elektroder med sylindrisk symmetri, som fungerer som en einzel -linse . Ionstrålen kan dermed fokuseres til et lite punkt ved målet. Akseleratorene krever vanligvis strømforsyninger på 100 - 500 kV. De har vanligvis flere trinn, med spenning mellom trinnene som ikke overstiger 200 kV for å forhindre feltutslipp .

I sammenligning med radionuklid -nøytronkilder kan nøytronrør produsere mye høyere nøytronstrømmer og konsistente (monokromatiske) nøytronenergispektre kan oppnås. Nøytronproduksjonshastigheten kan også kontrolleres.

Forseglede nøytronrør

Den sentrale delen av en nøytrongenerator er selve partikkelakseleratoren, noen ganger kalt et nøytronrør. Nøytronrør har flere komponenter, inkludert en ionekilde, ionoptiske elementer og et strålemål; alle disse er innelukket i et vakuumtett kabinett. Høyspenningsisolasjon mellom de optiske ionelementene i røret tilveiebringes av glass- og/eller keramiske isolatorer. Nøytronrøret er i sin tur innelukket i et metallhus, akseleratorhodet, som er fylt med et dielektrisk medium for å isolere rørets høyspenningselementer fra arbeidsområdet. Akseleratoren og ionekilden høyspenninger leveres av eksterne strømforsyninger. Kontrollkonsollen lar operatøren justere driftsparametrene til nøytronrøret. Strømforsyningene og kontrollutstyret befinner seg normalt innenfor 10–30 fot fra gasshodet i laboratorieinstrumenter, men kan være flere kilometer unna i brønnloggingsinstrumenter .

I sammenligning med forgjengerne krever forseglede nøytronrør ikke vakuumpumper og gasskilder for drift. De er derfor mer mobile og kompakte, men også holdbare og pålitelige. For eksempel har forseglede nøytronrør erstattet radioaktivt modulerte nøytroninitiatorer ved å levere en puls av nøytroner til den imploderende kjernen i moderne atomvåpen .

Eksempler på ideer om nøytronrør dateres helt tilbake til 1930-årene, før atomvåpenetiden, av tyske forskere som inngav et tysk patent fra 1938 (mars 1938, patent nr. 261 156) og innhentet et amerikansk patent (juli 1941, USP # 2 251 190); eksempler på dagens teknikk er gitt av utviklinger som Neutristor, en for det meste solid state -enhet, som ligner en datamaskinbrikke, oppfunnet ved Sandia National Laboratories i Albuquerque NM. Typiske forseglede konstruksjoner brukes i pulsmodus og kan betjenes på forskjellige utgangsnivåer, avhengig av levetiden fra ionekilden og belastede mål.

Neutristor i en billig vakuumforseglet pakke klar for testing

Ionkilder

En god ionekilde skal gi en sterk ionestråle uten å forbruke mye av gassen. For hydrogenisotoper foretrekkes produksjon av atomioner fremfor molekylære ioner, ettersom atomioner har høyere nøytronutbytte ved kollisjon. Ionene som genereres i ionekilden ekstraheres deretter av et elektrisk felt inn i akseleratorområdet og akselereres mot målet. Gassforbruket skyldes hovedsakelig trykkforskjellen mellom ionegenererende og ioneakselerende rom som må opprettholdes. Ionstrømmer på 10 mA ved gassforbruk på 40 cm ³ /time er oppnåelige.

For et forseglet nøytronrør bør den ideelle ionekilden bruke lavt gasstrykk, gi høy ionestrøm med stor andel atomioner, ha lav gassopprydding, bruke lav effekt, ha høy pålitelighet og høy levetid, konstruksjonen må være enkel og robust og vedlikeholdskravene må være lave.

Gass kan effektivt lagres i en påfyllingsanordning, en elektrisk oppvarmet spole av zirkoniumtråd. Temperaturen bestemmer graden av absorpsjon/desorpsjon av hydrogen av metallet, som regulerer trykket i kabinettet.

Kald katode (Penning)

Den Penning kilden er et lavt gasstrykk, kald katode ione-kilde som benytter et innlegg, elektriske og magnetiske felt. Ionkildeanoden har et positivt potensial, enten dc eller pulserende, med hensyn til kildekatoden. Ionkildespenningen er normalt mellom 2 og 7 kilovolt. Et magnetfelt, orientert parallelt med kildeaksen, produseres av en permanent magnet . Et plasma dannes langs aksen til anoden som fanger elektroner som igjen ioniserer gass i kilden. Ionene ekstraheres gjennom utgangskatoden. Under normal drift er ionearter produsert av Penning -kilden over 90% molekylære ioner. Denne ulempen kompenseres imidlertid av de andre fordelene med systemet.

En av katodene er en kopp laget av mykt jern , som omslutter det meste av utslippsrommet. Bunnen av koppen har et hull der de fleste genererte ionene blir kastet ut av magnetfeltet inn i akselerasjonsrommet. Det myke jernet beskytter akselerasjonsrommet fra magnetfeltet for å forhindre sammenbrudd.

Ioner som kommer ut av utgangskatoden akselereres gjennom potensialforskjellen mellom utgangskatoden og akseleratorelektroden. Skjematisk indikerer at utgangskatoden er ved bakkepotensial og målet har et høyt (negativt) potensial. Dette er tilfellet i mange forseglede rørnøytrongeneratorer. I tilfeller der det er ønsket å levere maksimal fluks til en prøve, er det imidlertid ønskelig å operere nøytronrøret med målet jordet og kilden flyter med høyt (positivt) potensial. Akseleratorspenningen er normalt mellom 80 og 180 kilovolt.

Akselerasjonselektroden har form av en lang hul sylinder. Ionstrålen har en litt divergerende vinkel (ca. 0,1 radian ). Elektrodens form og avstand fra målet kan velges slik at hele målflaten bombarderes med ioner. Akselerasjonsspenninger på opptil 200 kV er oppnåelige.

Ionene passerer gjennom den akselererende elektroden og treffer målet. Når ioner treffer målet, produseres 2–3 elektroner per ion ved sekundær emisjon. For å forhindre at disse sekundære elektronene blir akselerert tilbake til ionekilden, er akseleratorelektroden forspent negativ i forhold til målet. Denne spenningen, kalt suppressorspenningen, må være minst 500 volt og kan være så høy som noen få kilovolt. Tap av suppressorspenning vil resultere i skade, muligens katastrofale, på nøytronrøret.

Noen nøytronrør har en mellomliggende elektrode, kalt fokus- eller ekstraktorelektroden, for å kontrollere størrelsen på strålepunktet på målet. Gasstrykket i kilden reguleres ved oppvarming eller nedkjøling av gassreservoarelementet.

Radiofrekvens (RF)

Ioner kan dannes av elektroner dannet i høyfrekvent elektromagnetisk felt. Utladningen dannes i et rør plassert mellom elektroder, eller inne i en spole . Over 90% andel atomioner er oppnåelig.

Mål

Målene som brukes i nøytrongeneratorer er tynne filmer av metall som titan , skandium eller zirkonium som avsettes på et sølv- , kobber- eller molybden -substrat. Titan, skandium og zirkonium danner stabile kjemiske forbindelser som kalles metallhydrider når de kombineres med hydrogen eller dets isotoper. Disse metallhydridene består av to hydrogen ( deuterium eller tritium ) atomer per metallatom og lar målet ha ekstremt høy tetthet av hydrogen. Dette er viktig for å maksimere nøytronutbyttet til nøytronrøret. Gassreservoarelementet bruker også metallhydrider, f.eks. Uranhydrid , som det aktive materialet.

Titan foretrekkes fremfor zirkonium da det tåler høyere temperaturer (200 ° C), og gir høyere nøytronutbytte ettersom det fanger deuteroner bedre enn zirkonium. Den maksimalt tillatte temperaturen for målet, over hvilket hydrogenisotoper gjennomgår desorpsjon og unnslipper materialet, begrenser ionestrømmen per overflatenhet av målet; Det brukes derfor litt divergerende bjelker. En 1 mikroampere ionestråle akselerert ved 200 kV til et titan-tritium-mål kan generere opptil 10 ⁸ nøytroner per sekund. Nøytronutbyttet bestemmes for det meste av akselerasjonsspenningen og ionestrømnivået.

Et eksempel på et tritium -mål i bruk er en 0,2 mm tykk sølvskive med et 1 mikrometer titanlag avsatt på overflaten; titanet blir deretter mettet med tritium.

Metaller med tilstrekkelig lav hydrogendiffusjon kan omdannes til deuteriummål ved bombardering av deuteroner til metallet er mettet. Gullmål under en slik tilstand viser fire ganger høyere effektivitet enn titan. Enda bedre resultater kan oppnås med mål laget av en tynn film av et høyabsorberende metall med høy diffusjon (f.eks. Titan) på et underlag med lav hydrogendiffusivitet (f.eks. Sølv), ettersom hydrogenet deretter konsentreres på topplaget og kan ikke diffundere bort i hoveddelen av materialet. Ved hjelp av en deuterium-tritium gassblanding kan selvpåfyllende DT-mål lages. Nøytronutbyttet til slike mål er lavere enn for tritiummettede mål i deuteronstråler, men deres fordel er mye lengre levetid og konstant nivå av nøytronproduksjon. Selvfornyende målene er også tolerante for høy temperatur bakeout av rørene, som deres metning med hydrogenisotoper som utføres etter at bakeout og røret forsegling.

Høyspent strømforsyninger

En spesielt interessant tilnærming for å generere høyspentfeltene som trengs for å akselerere ioner i et nøytronrør, er å bruke en pyroelektrisk krystall . I april 2005 demonstrerte forskere ved UCLA bruken av en termisk syklet pyroelektrisk krystall for å generere høye elektriske felt i en nøytrongeneratorapplikasjon. I februar 2006 demonstrerte forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute bruken av to motsatt polede krystaller for denne applikasjonen. Ved å bruke disse lavteknologiske strømforsyningene er det mulig å generere en tilstrekkelig høy elektrisk feltgradient over et akselererende gap for å akselerere deuteriumioner til et deuterert mål for å produsere D + D-fusjonsreaksjonen. Disse enhetene ligner i deres driftsprinsipp på konvensjonelle nøytrongeneratorer med forseglede rør som vanligvis bruker Cockcroft-Walton- type høyspenningsforsyninger. Nyheten i denne tilnærmingen er i enkelheten til høyspenningskilden. Dessverre begrenser den relativt lave akselerasjonsstrømmen som pyroelektriske krystaller kan generere, sammen med de beskjedne pulserende frekvensene som kan oppnås (noen få sykluser per minutt) deres nærtidsbruk i sammenligning med dagens kommersielle produkter (se nedenfor). Se også pyroelektrisk fusjon .

Andre teknologier

I tillegg til den konvensjonelle nøytrongeneratoren som er beskrevet ovenfor, finnes det flere andre tilnærminger for å bruke elektriske systemer for å produsere nøytroner.

Inertial elektrostatisk innesperring/fusor

En annen type innovativ nøytrongenerator er inertial elektrostatisk inneslutningsfusjonsenhet . Denne nøytrongeneratoren unngår å bruke et solidt mål som vil bli ødelagt og forårsake metallisering av isolerende overflater. Nedbrytning av reaktantgassen i det faste målet unngås også. Det oppnås langt større levetid. Opprinnelig kalt en fusor, den ble oppfunnet av Philo Farnsworth , oppfinneren av elektronisk fjernsyn .

Se også

Referanser

Eksterne linker

Chichester, DL; Simpson, JD (2003). "Kompakte akselerator -nøytrongeneratorer" (PDF) . Industriell fysiker . 9 (6): 22–25. Arkivert fra originalen (PDF) 2013-09-08.
Elizondo-Decanini, JM; Schmale, D .; Cich, M .; Martinez, M .; Youngman, K .; Senkow, M .; Kiff, S .; Steele, J .; Goeke, R .; Wroblewski, B .; Desko, J .; Dragt, AJ (2012). "Ny overflatemontert nøytrongenerator". IEEE -transaksjoner på plasmavitenskap . 40 (9): 2145–2150. Bibcode : 2012ITPS ... 40.2145E . doi : 10.1109/TPS.2012.2204278 . S2CID 20593594 .
"Sandia National Laboratories" .

Languages

In other projects