Nötron jeneratörü - Neutron generator

Bu makale, hızlandırıcı kullanan jeneratörler hakkındadır. Daha genel kaynaklar için bkz. Nötron kaynağı.
Nükleer Fizik
NuclearReaction.svg
Çekirdek  · Nükleonlar  (p, n ) · Nükleer madde  · Nükleer kuvvet  · Nükleer yapı  · Nükleer reaksiyon
Nükleer fizikçi Idaho Ulusal Laboratuvarı elektronik nötron üreteci kullanarak bir deney kurar.

Nötron jeneratörleri vardır nötron kaynağı kompakt içeren cihazlar doğrusal parçacık hızlandırıcılar ve üreten nötronlar kaynaştırarak hidrojen izotopları birlikte.[1] füzyon reaksiyonlar bu cihazlarda ya hızlanarak gerçekleşir döteryum, trityum veya bu iki izotopun bir metale karışımı hidrit döteryum, trityum veya bu izotopların bir karışımını da içeren hedef. Döteryum atomlarının füzyonu (D + D), bir He-3 iyonu ve yaklaşık 2.5 kinetik enerjiye sahip bir nötron oluşumuyla sonuçlanır.MeV. Bir döteryum ve bir trityum atomunun (D + T) füzyonu, bir He-4 iyonunun ve yaklaşık 14.1 MeV kinetik enerjiye sahip bir nötronun oluşumuyla sonuçlanır. Nötron jeneratörlerinin tıp, güvenlik ve malzeme analizinde uygulamaları vardır.[2]

Temel konsept ilk olarak Ernest Rutherford takımının içindeki Cavendish Laboratuvarı 1930'ların başında. Tarafından tahrik edilen doğrusal bir hızlandırıcı kullanma Cockcroft – Walton jeneratör, Mark Oliphant döteryum iyonlarını döteryumla aşılanmış bir metal folyoya ateşleyen bir deney başlattı ve bu parçacıkların az bir kısmının yayıldığını fark etti. alfa parçacıkları. Bu, nükleer füzyonun ilk gösterimi ve bu reaksiyonlarda yaratılan ilk Helyum-3 ve trityum keşfiydi. Yeni güç kaynaklarının piyasaya sürülmesi, laboratuvarın köşesini dolduran Oliphant'tan son derece taşınabilir modern makinelere kadar bu makinelerin boyutunu sürekli olarak küçültmüştür. Son elli yılda binlerce böylesi küçük, nispeten ucuz sistem inşa edildi.

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

Sandia National Laboratories'de mucit tarafından test edilen en basit haliyle nötristör

Nötron üreteci teorisi ve operasyonu

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

D + T → n + 4O   En = 14.1 MeV

D + D → n + 3O   En = 2,5 MeV

DD ve DT reaksiyonları tarafından üretilen nötronlar bir şekilde salınır anizotropik olarak hedeften ileri doğru (iyon ışınının ekseninde) hafifçe eğimli. DD ve DT reaksiyonlarından kaynaklanan nötron emisyonunun anizotropisi, reaksiyonların izotropik içinde momentum merkezi koordinat sistemi (COM) ancak bu izotropi, COM koordinat sisteminden koordinat sistemine dönüşümde kaybolur. laboratuvar referans çerçevesi. Her iki referans çerçevesinde, He çekirdeği, yayılan nötronun tersi yönde geri teper. momentumun korunması.

Nötron tüplerinin iyon kaynağı bölgesindeki gaz basıncı genellikle 0,1-0,01 arasında değişir.mm Hg. demek özgür yol Elektrotlar arasına uygulanan yüksek ekstraksiyon voltajlarında deşarj oluşumunu önlemek için basıncın yeterince düşük tutulması gerekirken, iyonizasyon elde etmek için elektronların sayısı boşaltma boşluğundan daha kısa olmalıdır (basınç için alt sınır). Bununla birlikte, yüksek voltaj elektrotları arasında bir deşarj oluşumunu önlemek için ortalama serbest elektron yolunun daha uzun olması gerektiğinden, hızlanma bölgesindeki basınç çok daha düşük olmalıdır.[3]

İyon hızlandırıcı genellikle silindirik simetriye sahip birkaç elektrottan oluşur. einzel lens. İyon ışını böylece hedefte küçük bir noktaya odaklanabilir. Hızlandırıcılar tipik olarak 100 - 500 kV güç kaynağı gerektirir. Genellikle birkaç aşamaya sahiptirler, kademeler arasındaki voltajı önlemek için 200 kV'u geçmezler. Alan emisyon.[3]

Radyonüklid nötron kaynaklarına kıyasla, nötron tüpleri çok daha yüksek nötron akıları ve tutarlı (tek renkli) nötron enerji spektrumları elde edilebilir. Nötron üretim hızı da kontrol edilebilir.[3]

Mühürlü nötron tüpleri

Bir nötron üretecinin merkezi parçası, bazen nötron tüpü olarak adlandırılan parçacık hızlandırıcının kendisidir. Nötron tüpleri, bir iyon kaynağı, iyon optik öğeleri ve bir ışın hedefi dahil olmak üzere çeşitli bileşenlere sahiptir; bunların tümü vakum geçirmez bir muhafaza içinde yer alır. Tüpün iyon optik elemanları arasında yüksek voltaj yalıtımı cam ve / veya seramik izolatörler ile sağlanmaktadır. Nötron tüpü ise, tüpün yüksek voltaj elemanlarını çalışma alanından izole etmek için bir dielektrik ortam ile doldurulan, metal bir mahfaza, hızlandırıcı kafası içine alınır. Hızlandırıcı ve iyon kaynağı yüksek voltajları harici güç kaynakları tarafından sağlanır. Kontrol konsolu, operatörün nötron tüpünün çalışma parametrelerini ayarlamasına izin verir. Güç kaynakları ve kontrol ekipmanı normalde 10–30 arasında bulunur ayak hızlandırıcı kafasının laboratuar cihazlarında, ancak birkaç kilometre uzakta iyi kayıt aletler.

Önceki modellere kıyasla, kapalı nötron tüpleri, vakum pompası ve operasyon için gaz kaynakları. Bu nedenle daha mobil ve kompakt olmanın yanı sıra dayanıklı ve güvenilirdirler. Örneğin, kapalı nötron tüpleri radyoaktif nötron başlatıcılar, modernin çökmekte olan çekirdeğine bir nötron darbesi sağlamada nükleer silahlar.

Nötron tüpü fikirlerinin örnekleri, Alman bilim adamlarının 1938 Alman patentini (Mart 1938, patent no. 261,156) doldurması ve bir Birleşik Devletler Patenti (Temmuz 1941, USP # 2,251,190) almasıyla, nükleer silahlar öncesi dönem olan 1930'lara kadar uzanmaktadır; Günümüz teknolojisinin örnekleri, Nötristör gibi gelişmeler tarafından verilmektedir.[4] bir bilgisayar çipine benzeyen, çoğunlukla katı hal cihazı, Sandia Ulusal Laboratuvarları Albuquerque NM'de.[kaynak belirtilmeli ] Darbeli modda tipik sızdırmaz tasarımlar kullanılır[5] iyon kaynağı ve yüklenen hedeflerin ömrüne bağlı olarak farklı çıkış seviyelerinde çalıştırılabilir.[6]

Nötristör, teste hazır, vakumla kapatılmış ucuz bir pakette

İyon kaynakları

Ana makale: İyon kaynağı

İyi bir iyon kaynağı, güçlü bir iyon ışını gazın çoğunu tüketmeden. Hidrojen izotopları için, atomik iyonların çarpışmada daha yüksek nötron verimine sahip olması nedeniyle, atomik iyonların üretimi moleküler iyonlara göre tercih edilir. İyon kaynağında üretilen iyonlar daha sonra bir elektrik alanı tarafından hızlandırıcı bölgeye çıkarılır ve hedefe doğru hızlandırılır. Gaz tüketimine esas olarak iyon üreten ve iyon hızlandıran alanlar arasındaki ve korunması gereken basınç farkı neden olur. 40 cm gaz tüketimlerinde 10 mA iyon akımları3/ saat ulaşılabilir.[3]

Sızdırmaz bir nötron tüpü için ideal iyon kaynağı düşük gaz basıncı kullanmalı, büyük oranda atomik iyon ile yüksek iyon akımı vermeli, düşük gaz temizleme, düşük güç kullanmalı, yüksek güvenilirliğe ve yüksek ömre sahip olmalıdır, yapısının basit ve sağlam ve bakım gereksinimleri düşük olmalıdır.[3]

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

Soğuk katot (Penning)

Penning kaynak düşük bir gaz basıncıdır, soğuk katot çapraz elektrik ve manyetik alanlar kullanan iyon kaynağı. İyon kaynağı anotu, 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, bir kalıcı mıknatıs. Bir plazma kaynakta gazı iyonize eden elektronları yakalayan anodun ekseni boyunca oluşur. İyonlar, çıkış katotundan çıkarılır. Normal çalışma altında, Penning kaynağı tarafından üretilen iyon türleri,% 90'ın üzerinde moleküler iyonlardır. Ancak bu dezavantaj, sistemin diğer avantajlarıyla telafi edilmektedir.

Katotlardan biri, yumuşak demir, boşaltma alanının çoğunu çevreliyor. Kabın dibinde, üretilen iyonların çoğunun manyetik alan tarafından ivme boşluğuna atıldığı bir delik bulunur. Yumuşak demir, bir arızayı önlemek için ivme alanını manyetik alandan korur.[3]

Çıkış katodundan çıkan iyonlar, çıkış katodu ile hızlandırıcı elektrot arasındaki potansiyel fark yoluyla hızlandırılır. Şematik, çıkış katodunun toprak potansiyelinde olduğunu ve hedefin yüksek (negatif) potansiyelde olduğunu gösterir. Bu, birçok kapalı tüp nötron jeneratöründe görülen durumdur. Bununla birlikte, bir numuneye maksimum akının iletilmesinin istendiği durumlarda, nötron tüpünün hedef topraklanmış ve kaynak yüksek (pozitif) potansiyelde yüzerek çalıştırılması arzu edilir. Hızlandırıcı voltajı normalde 80 ile 180 kilovolt arasındadır.

Hızlandırıcı elektrot, uzun içi boş bir silindir şeklindedir. İyon ışınının biraz uzaklaşan bir açısı vardır (yaklaşık 0,1 radyan ). Elektrot şekli ve hedeften uzaklığı seçilebilir, böylece tüm hedef yüzey iyon bombardımanına tutulur. 200 kV'a kadar hızlanma gerilimlerine ulaşılabilir.

İyonlar hızlanan elektrodun içinden geçer ve hedefi vurur. İyonlar hedefe çarptığında, ikincil emisyon tarafından iyon başına 2-3 elektron üretilir. Bu ikincil elektronların iyon kaynağına geri ivmelenmesini önlemek için, hızlandırıcı elektrot hedefe göre negatif önyargılıdır. Bastırıcı voltaj olarak adlandırılan bu voltaj, en az 500 volt olmalı ve birkaç kilovolt kadar yüksek olabilir. Bastırıcı voltajın kaybı, nötron tüpüne muhtemelen felaket getiren hasara yol açacaktır.

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 arasına yerleştirilmiş bir tüpte veya bir bobin. Atomik iyonların% 90'ından fazlası elde edilebilir.[3]

Hedefler

Nötron jeneratörlerinde kullanılan hedefler ince filmler gibi metal titanyum, skandiyum veya zirkonyum bir üzerine yatırılan gümüş, bakır veya molibden substrat. Titanyum, skandiyum ve zirkonyum, metal hidrürler hidrojen veya izotopları ile birleştirildiğinde. Bu metal hidritler iki parçadan oluşur hidrojen (döteryum veya trityum ) metal atomu başına atom ve hedefin son derece yüksek hidrojen yoğunluklarına sahip olmasına izin verir. Bu, nötron tüpünün nötron verimini en üst düzeye çıkarmak için önemlidir. Gaz rezervuar elemanı ayrıca metal hidritler, ör. uranyum hidrit aktif malzeme olarak.

Titanyum, daha yüksek sıcaklıklara (200 ° C) dayanabildiği ve yakaladıkça daha yüksek nötron verimi sağladığı için zirkonyuma tercih edilir. döteronlar zirkonyumdan daha iyi. Hidrojen izotoplarının desorpsiyona uğradığı ve malzemeden kaçtığı hedef için izin verilen maksimum sıcaklık, hedefin yüzey birimi başına iyon akımını sınırlar; bu nedenle biraz farklı kirişler kullanılır. 200 kV'de bir titanyum-trityum hedefine hızlandırılmış 1 mikroamper iyon ışını 10'a kadar üretebilir8 saniyede nötron. Nötron verimi çoğunlukla hızlanan voltaj ve iyon akımı seviyesi tarafından belirlenir.[3]

Kullanımda olan bir trityum hedefinin bir örneği, yüzeyinde 1 mikrometre titanyum katmanının biriktirildiği 0.2 mm kalınlığında bir gümüş disktir; titanyum daha sonra trityum ile doyurulur.[3]

Yeterince düşük hidrojen difüzyonuna sahip metaller, metal doyana kadar döteron bombardımanı ile döteryum hedeflerine dönüştürülebilir. Böyle bir durumda altın hedefler, titanyumdan dört kat daha yüksek verimlilik gösterir. Hidrojen daha sonra üst katman üzerinde yoğunlaştığından, düşük hidrojen yayılımlı (örn. Gümüş) bir substrat üzerinde yüksek absorpsiyonlu yüksek difüziviteli bir metalden (örn. Titanyum) ince bir filmden yapılmış hedeflerle daha da iyi sonuçlar elde edilebilir. malzemenin büyük bir kısmına dağılmaz. Döteryum-trityum gazı karışımı kullanarak, kendi kendini yenileyen D-T hedefleri yapılabilir. Bu tür hedeflerin nötron verimi, döteron ışınlarındaki trityuma doymuş hedeflerden daha düşüktür, ancak avantajları çok daha uzun ömür ve sabit nötron üretimi seviyesidir. Kendi kendini yenileyen hedefler ayrıca yüksek sıcaklığa toleranslıdır fırında pişirmek Hidrojen izotopları ile doygunlukları pişirme ve tüp mühürlemesinden sonra gerçekleştirildiğinden, tüplerin[3]

Yüksek voltajlı güç kaynakları

Bir nötron tüpündeki iyonları hızlandırmak için gereken yüksek voltaj alanlarını oluşturmak için özellikle ilginç bir yaklaşım, piroelektrik kristal. Nisan 2005'te araştırmacılar UCLA termal olarak çevrilmiş bir piroelektrik bir nötron jeneratör uygulamasında yüksek elektrik alanları oluşturmak için kristal. Şubat 2006'da araştırmacılar Rensselaer Politeknik Enstitüsü bu uygulama için karşılıklı kutuplanmış iki kristalin kullanıldığını gösterdi. Bu düşük teknolojili güç kaynaklarını kullanarak yeterince yüksek bir güç kaynağı oluşturmak mümkündür. Elektrik alanı D + D füzyon reaksiyonunu üretmek için döteryum iyonlarını döteryumlanmış bir hedefe hızlandırmak için hızlanan bir boşluk boyunca gradyan. Bu cihazlar çalışma prensipleri açısından tipik olarak kullanılan geleneksel kapalı tüp nötron jeneratörlerine benzerdir. Cockcroft – Walton yüksek voltajlı güç kaynakları yazın. Bu yaklaşımın yeniliği, yüksek voltaj kaynağının basitliğindedir. Maalesef, piroelektrik kristallerin üretebildiği nispeten düşük hızlanma akımı, elde edilebilen mütevazı darbe frekansları (dakikada birkaç döngü) ile birlikte, günümüzün ticari ürünlerine kıyasla kısa vadeli uygulamalarını sınırlar (aşağıya bakınız). Ayrıca bakın piroelektrik füzyon.[7]

Diğer teknolojiler

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

Atalet elektrostatik hapsetme / füzer

Ana makale: Fusor

Bir başka yenilikçi nötron üreteci türü de eylemsiz elektrostatik hapsetme füzyon cihazı. Bu nötron jeneratörü, yalıtım yüzeylerinin metalleşmesine neden olacak şekilde püskürtülerek aşınacak katı bir hedefin kullanılmasını önler. Katı hedef içindeki reaktan gazın tükenmesi de önlenir. Çok daha uzun çalışma ömrü elde edilir. Başlangıçta bir füzör olarak adlandırılan bu, tarafından icat edildi Philo Farnsworth elektronikin mucidi televizyon.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ "Nötron Jeneratör Teknolojisi: Yüksek Verimli Nötron Jeneratörleri". Anka kuşu. Alındı 2020-02-28.
  2. ^ Reijonen, J. "Tıp, Ulusal Güvenlik ve Gezegen Keşifleri için Kompakt Nötron Jeneratörleri" (PDF). 2005 Parçacık Hızlandırıcı Konferansı Bildirileri, Knoxville, Tennessee: 49–53.
  3. ^ a b c d e f g h ben j van der Horst; H. L. (1964). "VIIIc Nötron Jeneratörleri" (PDF). Gaz Deşarj Tüpleri. Philips Teknik Kitaplığı. 16. Eindhoven, Hollanda: Philips Teknik Kütüphanesi. s. 281–295. OCLC  10391645. UDC No. 621.387.
  4. ^ Elizondo-Decanini, J. M .; Schmale, D .; Cich, M .; Martinez, M .; Youngman, K .; Senkow, M .; Kiff, S .; Steele, J .; Goeke, R .; Wroblewski, B .; Desko, J .; Dragt, A.J. (2012). "Yeni Yüzeye Monte Edilmiş Nötron Üreteci". Plazma Biliminde IEEE İşlemleri. 40 (9): 2145–2150. Bibcode:2012ITPS ... 40.2145E. doi:10.1109 / TPS.2012.2204278.
  5. ^ Gow, J. D .; Pollock, H.C (1960). "Kompakt Tahliye Edilmiş Darbeli Nötron Kaynağının Geliştirilmesi". Bilimsel Aletlerin İncelenmesi. 31 (3): 235–240. Bibcode:1960RScI ... 31..235G. doi:10.1063/1.1716948.
  6. ^ Walko, R. J .; Rochau, G.E. (1981). "Tıkalı Gaz İyon Kaynağı Kullanan Yüksek Çıkışlı Bir Nötron Tüpü". Nükleer Bilimde IEEE İşlemleri. 28 (2): 1531–1534. Bibcode:1981ITNS ... 28.1531W. doi:10.1109 / TNS.1981.4331459.
  7. ^ http://www.scienceblog.com/cms/ny_team_confirms_ucla_tabletop_fusion_10017.html

Dış bağlantılar