nötron üreteci - Neutron generator

Idaho Ulusal Laboratuvarı'ndaki nükleer fizikçi, elektronik bir nötron üreteci kullanarak bir deney kurar.

Nötron jeneratörleri olan nötron kaynağı kompakt içeren cihazlar doğrusal partikül hızlandırıcılar ve bu üretmek nötron kaynaştırılmasıyla hidrojen izotopları birlikte. Füzyon reaksiyonları ya hızlandırarak, bu cihazlarda yer alan döteryum , trityum ya da bir metal bu iki izotop karışımını hidrit de döteryum, trityum ya da bu izotopların bir karışımını içeren bir hedef. Döteryum atomlarının (D + D) füzyonu , yaklaşık 2.5 MeV kinetik enerjiye sahip bir He-3 iyonu ve bir nötron oluşumuyla sonuçlanır . Bir döteryum ve bir trityum atomunun (D + T) füzyonu, yaklaşık 14.1 MeV kinetik enerjiye sahip bir He-4 iyonu ve bir nötron oluşumuyla sonuçlanır. Nötron jeneratörlerinin tıp, güvenlik ve malzeme analizinde uygulamaları vardır.

Temel konsept ilk olarak 1930'ların başında Cavendish Laboratuvarı'nda Ernest Rutherford'un ekibi tarafından geliştirildi . Bir Cockcroft-Walton jeneratörü tarafından çalıştırılan doğrusal bir hızlandırıcı kullanan Mark Oliphant , döteryum iyonlarını döteryumla aşılanmış bir metal folyoya ateşleyen bir deney yürüttü ve bu parçacıkların az sayıda alfa parçacıkları verdiğini fark etti . Bu, nükleer füzyonun ilk gösterimi ve bu reaksiyonlarda oluşturulan Helyum-3 ve trityumun ilk keşfiydi. Yeni güç kaynaklarının piyasaya sürülmesi, laboratuvarın köşesini dolduran Oliphant'lardan son derece taşınabilir modern makinelere kadar bu makinelerin boyutunu sürekli olarak küçültmüştür. Son elli yılda binlerce küçük, nispeten ucuz sistem inşa edildi.

Nötron jeneratörleri füzyon reaksiyonları üretirken, bu reaksiyonlara neden olan hızlandırılmış iyonların sayısı çok azdır. Bu reaksiyonlarla açığa çıkan enerjinin, iyonları hızlandırmak için gereken enerjiden birçok kez daha düşük olduğu kolayca gösterilebilir, bu nedenle bu makinelerin net füzyon gücü üretmek için kullanılma olasılığı yoktur . İlgili bir kavram, çarpışan ışın füzyonu , birbirine ateş eden iki hızlandırıcı kullanarak bu sorunu çözmeye çalışır.

Sandia Ulusal Laboratuarlarında mucit tarafından test edildiği gibi en basit haliyle nötristör

Nötron üreteci teorisi ve çalışması

Döteryum (D, hidrojen-2, ² H) trityum (T, hidrojen-3, ³ H) füzyon reaksiyonlarını kullanan küçük nötron jeneratörleri , en yaygın hızlandırıcı bazlı (radyoaktif izotopların aksine) nötron kaynaklarıdır. Bu sistemlerde nötronlar, döteryum, trityum veya döteryum ve trityum iyonları oluşturularak ve bunları döteryum veya döteryum ve trityum yüklü bir hidrit hedefine hızlandırarak üretilir. DT reaksiyonu, DD reaksiyonundan daha fazla kullanılır çünkü DT reaksiyonunun verimi, DD reaksiyonunun veriminden 50-100 kat daha fazladır.

D + T → n + ⁴ He E _n = 14.1 MeV

D + D → n + ³ He E _n = 2.5 MeV

DD ve DT reaksiyonları tarafından üretilen nötronlar , hedeften biraz anizotropik olarak yayılır , ileri yönde (iyon ışınının ekseninde) hafifçe bastırılır. DD ve DT reaksiyonlardan nötron emisyon anizotropisi reaksiyonlarıdır gerçeğinden ortaya çıkar , izotropik de (COM) momentum merkezi koordinat sistemi , ancak bu izotropi koordinat sistemi COM dönüşüm kaybolur bağlı olan laboratuar referans çerçevesi . Her iki referans çerçevesinde de, He çekirdeği , momentumun korunumu yasasıyla tutarlı olarak yayılan nötrona zıt yönde geri tepmektedir .

Nötron tüplerinin iyon kaynağı bölgesindeki gaz basıncı genellikle 0,1-0,01 mm Hg arasında değişir . Elektronların ortalama serbest yolu , iyonizasyon (basınç için alt sınır) elde etmek için deşarj alanından daha kısa olmalı, elektrotlar arasına uygulanan yüksek ekstraksiyon voltajlarında deşarj oluşumunu önlemek için basınç yeterince düşük tutulmalıdır. Bununla birlikte, yüksek voltajlı elektrotlar arasında bir deşarj oluşumunu önlemek için elektronların ortalama serbest yolu daha uzun olması gerektiğinden, hızlanma bölgesindeki basınç çok daha düşük olmalıdır.

İyon hızlandırıcı genellikle silindirik simetriye sahip birkaç elektrottan oluşur ve einzel lens görevi görür . İyon ışını böylece hedefte küçük bir noktaya odaklanabilir. Hızlandırıcılar tipik olarak 100 – 500 kV güç kaynakları gerektirir. Alan emisyonunu önlemek için genellikle 200 kV'u aşmayan aşamalar arasındaki voltaj ile birkaç aşamaya sahiptirler .

Radyonüklid nötron kaynaklarıyla karşılaştırıldığında, nötron tüpleri çok daha yüksek nötron akıları üretebilir ve tutarlı (tek renkli) nötron enerji spektrumları elde edilebilir. Nötron üretim hızı da kontrol edilebilir.

Mühürlü nötron tüpleri

Bir nötron üretecinin merkezi kısmı, bazen bir nötron tüpü olarak adlandırılan parçacık hızlandırıcının kendisidir. Nötron tüpleri, bir iyon kaynağı, iyon optik elemanları ve bir ışın hedefi dahil olmak üzere çeşitli bileşenlere sahiptir; bunların tümü, vakum geçirmez bir muhafaza içine alınır. Tüpün iyon optik elemanları arasındaki yüksek voltaj yalıtımı, cam ve/veya seramik yalıtkanlarla sağlanır. Nötron tüpü de, tüpün yüksek voltajlı elemanlarını çalışma alanından yalıtmak için bir dielektrik ortamla doldurulmuş hızlandırıcı kafa olan metal bir mahfaza içine alınır. Hızlandırıcı ve iyon kaynağı yüksek voltajları harici güç kaynakları tarafından sağlanmaktadır. Kontrol konsolu, operatörün nötron tüpünün çalışma parametrelerini ayarlamasını sağlar. Güç kaynakları ve kontrol ekipmanı normalde laboratuvar cihazlarında hızlandırıcı kafasının 10-30 fit içinde bulunur , ancak kuyu kaydı cihazlarında birkaç kilometre uzakta olabilir .

Kendinden öncekilere kıyasla, sızdırmaz nötron tüpleri , çalışması için vakum pompalarına ve gaz kaynaklarına ihtiyaç duymaz . Bu nedenle daha mobil ve kompakt, aynı zamanda dayanıklı ve güvenilirdirler. Örneğin, kapalı nötron tüpleri , modern nükleer silahların içe doğru patlayan çekirdeğine bir nötron darbesi sağlamada radyoaktif modülasyonlu nötron başlatıcıların yerini almıştır .

Nötron tüpü fikirlerinin örnekleri, Alman bilim adamlarının 1938'de bir Alman patenti (Mart 1938, patent # 261.156) başvurusunda bulunmaları ve bir Birleşik Devletler Patenti (Temmuz 1941, USP#2.251.190) almasıyla 1930'lara, nükleer silahlar öncesi döneme kadar uzanmaktadır; Mevcut teknolojinin örnekleri, Albuquerque NM'deki Sandia Ulusal Laboratuvarlarında icat edilen, çoğunlukla katı hal bir cihaz olan ve bir bilgisayar çipine benzeyen Neutristor gibi gelişmelerle verilmektedir . Tipik sızdırmaz tasarımlar darbeli modda kullanılır ve iyon kaynağının ömrüne ve yüklü hedeflere bağlı olarak farklı çıkış seviyelerinde çalıştırılabilir.

Test için hazır, ucuz, vakumla kapatılmış bir pakette nötristör

iyon kaynakları

İyi bir iyon kaynağı , gazın çoğunu tüketmeden güçlü bir iyon ışını sağlamalıdır . Hidrojen izotopları için, atom iyonlarının çarpışmada daha yüksek nötron verimine sahip olması nedeniyle, moleküler iyonlara göre atomik iyonların üretimi tercih edilir. İyon kaynağında üretilen iyonlar daha sonra bir elektrik alanı tarafından hızlandırıcı bölgeye çıkarılır ve hedefe doğru hızlandırılır. Gaz tüketimi, esas olarak, korunması gereken iyon üreten ve iyon hızlandıran boşluklar arasındaki basınç farkından kaynaklanır. 40 cm gaz tüketimi 10 mA iyon akımları ³ / saat elde edilebilir.

Mühürlü bir nötron tüpü için ideal iyon kaynağı, düşük gaz basıncı kullanmalı, büyük oranda atomik iyonlarla yüksek iyon akımı sağlamalı, düşük gaz temizleme özelliğine sahip olmalı, düşük güç kullanmalı, yüksek güvenilirliğe ve yüksek kullanım ömrüne sahip olmalıdır, yapısı olmalıdır. basit ve sağlam ve bakım gereksinimleri düşük olmalıdır.

Gaz, elektrikle ısıtılan bir zirkonyum tel bobini olan bir yenileyicide verimli bir şekilde depolanabilir. Sıcaklığı, muhafaza içindeki basıncı düzenleyen metal tarafından hidrojenin absorpsiyon/desorpsiyon oranını belirler.

Soğuk katot (Penning)

Penning kaynağı, düşük gaz basıncı, bir soğuk katot elektrik ve manyetik alanlar çapraz kullanmaktadır iyon kaynağı. İyon kaynağı anodu, kaynak katoda göre dc veya darbeli pozitif bir potansiyeldedir. İyon kaynağı voltajı normalde 2 ile 7 kilovolt arasındadır. Kaynak eksenine paralel yönlendirilmiş bir manyetik alan, kalıcı bir mıknatıs tarafından üretilir . Anot ekseni boyunca elektronları yakalayan ve bu da kaynaktaki gazı iyonize eden bir plazma oluşur. İyonlar çıkış katodundan çıkarılır. Normal çalışma altında, Penning kaynağı tarafından üretilen iyon türleri, %90'ın üzerinde moleküler iyonlardır. Ancak bu dezavantaj, sistemin diğer avantajları ile telafi edilir.

Katotlardan biri , boşaltma alanının çoğunu kaplayan, yumuşak demirden yapılmış bir kaptır . Kabın alt kısmında, üretilen iyonların çoğunun manyetik alan tarafından ivme uzayına fırlatıldığı bir delik vardır. Yumuşak demir, bir bozulmayı önlemek için ivme alanını manyetik alandan korur.

Çıkış katodundan çıkan iyonlar, çıkış katodu ile hızlandırıcı elektrot arasındaki potansiyel fark sayesinde hızlandırılır. Şematik, çıkış katodunun toprak potansiyelinde olduğunu ve hedefin yüksek (negatif) potansiyelde olduğunu gösterir. Bu, birçok sızdırmaz tüplü nötron üretecinde geçerlidir. Ancak, bir numuneye maksimum akı verilmesinin istendiği durumlarda, nötron tüpünün hedef topraklanmış ve kaynak yüksek (pozitif) potansiyelde yüzer halde çalıştırılması arzu edilir. Hızlandırıcı voltajı normalde 80 ile 180 kilovolt arasındadır.

Hızlandırıcı elektrot, uzun içi boş bir silindir şeklindedir. İyon ışını hafif bir sapma açısına sahiptir (yaklaşık 0,1 radyan ). Elektrot şekli ve hedefe olan uzaklığı, tüm hedef yüzeyi iyonlarla bombardıman edilecek şekilde seçilebilir. 200 kV'a kadar hızlanma gerilimleri elde edilebilir.

İyonlar hızlandırıcı elektrottan geçer ve hedefe çarpar. İyonlar hedefe çarptığında, ikincil emisyon ile iyon başına 2-3 elektron üretilir. Bu ikincil elektronların iyon kaynağına geri hızlandırılmasını önlemek için, hızlandırıcı elektrot hedefe göre negatif polarize edilir. Bastırıcı voltaj olarak adlandırılan bu voltaj, en az 500 volt olmalıdır ve birkaç kilovolt kadar yüksek olabilir. Bastırıcı voltajının kaybı, nötron tüpünde muhtemelen feci hasara neden olacaktır.

Bazı nötron tüpleri, hedef üzerindeki ışın noktasının boyutunu kontrol etmek için odak veya çıkarıcı elektrot adı verilen bir ara elektrot içerir. Kaynaktaki gaz basıncı, gaz rezervuar elemanının ısıtılması veya soğutulmasıyla düzenlenir.

Radyo frekansı (RF)

İyonlar, yüksek frekanslı elektromanyetik alanda oluşan elektronlar tarafından oluşturulabilir. Deşarj, elektrotlar arasında veya bir bobin içinde bulunan bir tüpte oluşturulur . Atomik iyonların %90'ından fazlası elde edilebilir.

Hedefler

Nötron jeneratörlerinde kullanılan hedefler , bir gümüş , bakır veya molibden substrat üzerine biriktirilen titanyum , skandiyum veya zirkonyum gibi ince metal filmlerdir . Titanyum, skandiyum ve zirkonyum , hidrojen veya izotopları ile birleştiğinde metal hidritler adı verilen kararlı kimyasal bileşikler oluşturur . Bu metal hidritler, metal atomu başına iki hidrojen ( döteryum veya trityum ) atomundan oluşur ve hedefin son derece yüksek hidrojen yoğunluklarına sahip olmasını sağlar. Bu, nötron tüpünün nötron verimini maksimize etmek için önemlidir. Gaz rezervuar elemanı ayrıca aktif malzeme olarak metal hidrürler, örneğin uranyum hidrit kullanır .

Titanyum, daha yüksek sıcaklıklara (200 °C) dayanabildiği ve döteronları zirkonyumdan daha iyi yakaladığı için daha yüksek nötron verimi sağladığı için zirkonyuma tercih edilir . Üzerinde hidrojen izotoplarının desorpsiyona uğradığı ve malzemeden kaçtığı hedef için izin verilen maksimum sıcaklık, hedefin yüzey birimi başına iyon akımını sınırlar; bu nedenle biraz ıraksayan kirişler kullanılır. A 1 mikroamper iyon demeti 10 kadar üretebilir bir titanyum-trityum hedefe 200 kV hızlandırılmış ⁸ saniyede nötronlar. Nötron verimi çoğunlukla hızlanan voltaj ve iyon akımı seviyesi tarafından belirlenir.

Kullanımda olan bir trityum hedefinin bir örneği, yüzeyinde 1 mikrometre titanyum tabakası bırakılmış 0,2 mm kalınlığında gümüş bir disktir; titanyum daha sonra trityum ile doyurulur.

Yeterince düşük hidrojen difüzyonuna sahip metaller, metal doyana kadar döteron bombardımanı ile döteryum hedeflerine dönüştürülebilir. Bu koşullar altında altın hedefler titanyumdan dört kat daha yüksek verim gösterir. Hidrojen daha sonra üst tabakada konsantre edildiğinden ve düşük hidrojen yayılımına sahip bir substrat (örneğin gümüş) üzerinde yüksek absorpsiyonlu yüksek yayınımlı bir metalden (örneğin titanyum) oluşan ince bir filmden yapılmış hedeflerle daha da iyi sonuçlar elde edilebilir. malzemenin kütlesine dağılmaz. Bir döteryum-trityum gaz karışımı kullanılarak kendi kendini yenileyen DT hedefleri yapılabilir. Bu tür hedeflerin nötron verimi, döteron ışınlarındaki trityumla doymuş hedeflerden daha düşüktür, ancak avantajları çok daha uzun ömür ve sabit düzeyde nötron üretimidir. Kendi kendini yenileyen hedefler, hidrojen izotopları ile doygunlukları fırınlama ve tüp sızdırmazlığından sonra yapıldığından, tüplerin yüksek sıcaklıkta pişmesine karşı da toleranslıdır .

Yüksek voltajlı güç kaynakları

Bir nötron tüpündeki iyonları hızlandırmak için gereken yüksek voltaj alanlarını oluşturmak için özellikle ilginç bir yaklaşım, bir piroelektrik kristal kullanmaktır . Nisan 2005'te UCLA'daki araştırmacılar, bir nötron jeneratörü uygulamasında yüksek elektrik alanları oluşturmak için termal olarak döngülü bir piroelektrik kristalin kullanımını gösterdi . Şubat 2006'da Rensselaer Politeknik Enstitüsündeki araştırmacılar bu uygulama için iki zıt kutuplu kristalin kullanımını gösterdiler. Bu düşük teknolojili güç kaynaklarını kullanarak , D + D füzyon reaksiyonunu üretmek için döteryum iyonlarını döteryumlu bir hedefe hızlandırmak için hızlanan bir boşluk boyunca yeterince yüksek bir elektrik alan gradyanı oluşturmak mümkündür . Bu cihazlar, çalışma prensipleri bakımından, tipik olarak Cockcroft-Walton tipi yüksek voltajlı güç kaynakları kullanan geleneksel sızdırmaz tüplü nötron jeneratörlerine benzer . Bu yaklaşımın yeniliği, yüksek voltaj kaynağının basitliğindedir. Ne yazık ki, piroelektrik kristallerin üretebileceği nispeten düşük hızlanma akımı, elde edilebilecek mütevazı darbe frekansları (dakikada birkaç döngü) ile birlikte, günümüzün ticari ürünleriyle karşılaştırıldığında yakın vadeli uygulamalarını sınırlar (aşağıya bakınız). Ayrıca bkz. piroelektrik füzyon .

Diğer teknolojiler

Yukarıda açıklanan geleneksel nötron üreteci tasarımına ek olarak, nötronları üretmek için elektrik sistemlerini kullanmak için birkaç başka yaklaşım da mevcuttur.

Atalet elektrostatik hapsi/fusor

Yenilikçi nötron üretecinin başka bir türü, atalet elektrostatik hapsetme füzyon cihazıdır. Bu nötron üreteci, yalıtkan yüzeylerin metalleşmesine neden olarak püskürtülen aşındırılacak katı bir hedef kullanmaktan kaçınır. Katı hedef içindeki reaktan gazın tükenmesi de önlenir. Çok daha uzun çalışma ömrü elde edilir. Başlangıçta fusor olarak adlandırılan elektronik televizyonun mucidi Philo Farnsworth tarafından icat edildi .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar

Chichester, DL; Simpson, JD (2003). "Kompakt Hızlandırıcı Nötron Jeneratörleri" (PDF) . Endüstri Fizikçisi . 9 (6): 22–25. Arşivlenmiş orijinal (PDF) 2013-09-08 tarihinde.
Elizondo-Decanini, JM; Schmale, D.; Çiç, M.; Martinez, M.; Genç, K.; Şenkov, M.; Kif, S.; Steele, J.; Gökçe, R.; Wroblewski, B.; Desko, J.; Dragt, AJ (2012). "Yeni Yüzeye Monte Nötron Jeneratörü". Plazma Biliminde IEEE İşlemleri . 40 (9): 2145–2150. Bibcode : 2012ITPS...40.2145E . doi : 10.1109/TPS.2012.2204278 . S2CID 20593594 .
"Sandia Ulusal Laboratuvarları" .

Languages

In other projects