Способ получения нейтронов

 

Использование: в ядерно-физических исследованиях, в частности в нейтронно-активационном и радиационном анализе. Сущность изобретения: способ предусматривает бомбардирование нейтронно-образующей мишени ионами дейтерия и дополнительно бомбардирование ионами более тяжелого газа, например аргона, ксенона, одновременно или попеременно с бомбардированием ионами дейтерия. 3 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к нейтронной физике, в частности к способу получения нейтронов с энергией 14 МэВ, образуемых в результате реакции Т (d, n) Не, и может быть использовано в ядерно-физических исследованиях, нейтронно-активационном и радиационном анализе.

Известны способы получения потоков 14 МэВ нейтронов, заключающиеся в бомбардировке тритиевой мишени дейтронами.

Недостатками этих способов являются низкая стабильность во времени потока нейтронов за счет выделения трития из мишени в результате термического разложения тритида титана, замещения трития имплантированным дейтерием и выделения трития из мишени в результате диффузии, а также уменьшение выхода нейтронов за счет протекания реакций Д-Д, Т-Т.

Известен способ стабилизации потока нейтронов, использующий сепарацию ионов дейтерия перед нейтронообразующей мишенью, уменьшающий процесс разбавления ионами Д₂⁺ и Д₃⁺ участка мишени, генерирующего нейтроны с энергией 14 МэВ.

К недостаткам этого способа следует отнести невысокую стабильность пучка облучающих мишень ионов, наличие магнита, позволяющего создать вращающееся магнитное поле, направленное перпендикулярно оси пучка, что очень усложняет конструкцию и не решает проблему стабилизации выхода нейтронов.

Наиболее близким к изобретению является способ стабилизации потока нейтронов в откачном нейтронном генераторе, включающий облучение мишени смешанным пучком ускоренных ионов дейтерия и трития, реализованный на устройстве, состоящем из ионного источника, находящегося под высоким потенциалом, ускорительной трубки, мишени, вакуумного насоса и емкости, наполненной смесью дейтерия и трития. Ионный источник работает на смеси дейтерия и трития. За счет постоянного пополнения мишени тритием поток нейтронов стабилизируется.

К недостаткам прототипа следует отнести то, что работа на смешанных пучках снижает выход нейтронов с энергией 14 МэВ за счет протекания реакций типа Т-Т, Д-Д, кроме того, не обеспечивается надежная радиационная безопасность работы генератора нейтронов в случае разгерметизации вакуумной системы и выброса в помещение радиоактивного трития, а также имплантации трития во внутреннюю часть электродов ускорительной трубки и ионопровода.

Задача изобретения увеличение выхода Д-Т-нейтронов за счет исключения вклада генерации нейтронов из Т-Т-реакции и значительного уменьшения вклада нейтронов из Д-Д-реакции, увеличение ресурса работы мишени, увеличение радиационной безопасности работы откачиваемого нейтронного генератора.

Технический эффект достигается тем, что нейтронообразующую мишень бомбардируют не только ионами дейтерия, но и ионами тяжелых газов, например аргона, криптона, ксенона. Бомбардировка ионами тяжелого газа производится либо одновременно с ионами дейтерия, либо периодически в промежутках между бомбардировкой ионами дейтерия.

При бомбардировке тритиевой мишени ионами дейтерия (в основном это Д₁⁺ и Д₂⁺) выход нейтронов в результате реакции Т (d, n)⁴ Не со временем падает. Это происходит вследствие вымывания или замещения трития имплантируемыми ионами Д₁⁺ и Д₂⁺ в конце их пробега в мишени. Область вымывания приблизительно равна страгглингу пробега ионов дейтерия и практически неподвижна относительно поверхности мишени (для легких ионов с энергией в области несколько сотен килоэлектровольт коэффициент распыления S намного меньше единицы, например коэффициент распыления титана дейтронами с энергией 200 кэВ составляет ≈ 1,5˙10^-2). При пробеге ионов Д₂⁺, примерно в 2 раза меньшем, чем Д₁⁺, вымывание трития ионами Д₂⁺ происходит в области, где Д₁⁺ теряют половину своей энергии, т.е. при энергии пучка 200 кэВ вымывание происходит на глубине, где энергия Д₁⁺ составляет ≈ 100 кэВ. Так как максимум сечения реакции Т(d, n)⁴Не лежит в области ≈ 100 кэВ, то ясно, что выход нейтронов со временем падает. Под действием бомбардировки поверхности мишени ионами тяжелых газов с большим коэффициентом распыления (S > 1) в результате распыления поверхностного слоя ионы Д₂⁺ заканчивают свой пробег все время на новых участках и вымывания или замещения дейтерия в области максимального сечения реакции не происходит, т. е. выход нейтронов стабилизируется и по абсолютной величине превышает выход нейтронов по способу, описанному в прототипе, так как нет вклада реакций Т-Т и Д-Д.

Ионы тяжелого газа кроме распыления внедряются в мишень, но так как одновременно с этим происходит их распыление ионами пучка этих же газов, то в конце концов наступает динамическое равновесие между этими процессами.

Распыление поверхности мишени ионами тяжелых газов может происходить и периодически после бомбардировки мишени ускоренными дейтронами в зависимости от требований к генератору нейтронов по выходу и стабильности.

Технический результат по изобретению состоит в том, что при введении дополнительной операции распыления мишени ускоренными ионами тяжелого газа в 2-3 раза увеличивается выход Д-Т-нейтронов за счет исключения вклада нейтронов по Т-Т-реакции и значительного уменьшения вклада нейтронов из Д-Д-реакции, в 5-7 раз увеличивается ресурс работы мишени, а также повышается радиационная безопасность работы откачиваемого нейтронного генератора, так как в ионном источнике отсутствует газообразный тритий, который при работе насосов неизбежно нужно было бы выбрасывать в атмосферу, а внутри вакуумного объема загрязнял элементы его конструкции, что затрудняет вести профилактический ремонт и смену узлов. Ввиду того, что эта операция является новой и именно она обеспечивает достижение положительного эффекта решения поставленных задач, то этот признак является существенным отличительным признаком.

В качестве примера рассмотрим работу откачного генератора нейтронов с ионным источником типа дуаплазмотрон. Дейтроны ускоряются до энергии 200 кэВ и бомбардируют эрбиевую мишень диаметром 45 мм, толщиной ≈ 10 мкм, насыщенную тритием. Тяжелый газ может поступать в основной источник ионов дейтерия, находящийся под высоким потенциалом, или в дополнительный источник ионов, находящийся под потенциалом кондуктора или при пониженном потенциале. Ток ускоренных ионов дейтерия составлял ≈ 1,5 мА, а плотность тока при условии равномерного облучения мишени диаметром 45 мм j_d 0,1 мА/см². Ток ускоренных ионов аргона составлял ≈ 100 мкА, т.е. < 10% от тока дейтронов, а плотность тока j_Ar ≃ 6,6 мкА/см². Коэффициент распыления эрбия ионами аргона с энергией 200 кэВ составлял S_Ar 2. Пробег молекулярных ионов дейтерия Д₂⁺ с энергией 200 кэВ составляет ≈ 0,5 мкм, а разброс пробега (страгглинг) составляет не более 2% т.е. ≈ 0,01 мкм. Рассчитаем скорость распыления поверхности эрбиевой мишени. При плотности тока j [ион/ (см² с)] за время Δt с площади поверхности а [см²] выбито ΔN SjaΔt атомов, которые при концентрации атомов эрбия n_o [см^-3] занимают объем ΔV aΔl ΔN/n_o, где Δl толщина распыленного слоя. Отсюда получаем выражение для скорости распыления: v (1) где n_o= N_A число Авогадро; ρ- плотность; A атомная масса распыляемого материала.

Для эрбия ρ_Er= 4,8 г/см³, A 167. Подставим приведенные величины в уравнение (1) и получим v≈7,2˙10^-9 см/с, а за 1 ч работы распылится слой Δl≈0,26 мкм. Так как обычно время для стабильной работы тритиевой мишени не превышает несколько часов, то, как видно из приведенных выше оценок, пробег молекулярных ионов дейтерия из-за распыления поверхности постоянно смещается вглубь мишени, причем скорость перемещения даже при концентрации аргона ≈ 10% достаточна, несмотря на разброс пробега, для того, чтобы Д₂⁺ не накапливались в одном месте, а попадали каждый раз на свежие участки мишени. Толщина мишени достаточна, чтобы она проработала несколько десятков часов.

Режимы проведения операции распыления мишени определяются энергией и током пучка ускоренных ионов тяжелого газа. В каждом конкретном случае они определяются величиной ускоряющего напряжения ускорителя дейтронов и его мощности, так как в простейшем случае ионы тяжелого газа ускоряются до той же энергии, что и дейтроны. Что касается величины тока ускоряемых ионов тяжелого газа, то они также зависят от устройства и мощности ускорителя, а также задаются конкретными условиями поставленной задачи, которая определяет режимы работы нейтронного генератора. Но очевидно, что изменение тока и энергии пучка ускоренных ионов тяжелого газа по отношению к аналогичным характеристикам пучка дейтронов не влияет на сущность изобретения. Бомбардировку мишени ионами аргона можно производить и периодически. Для этого используется дополнительный ионный источник, предназначенный для образования ионов аргона. Такой способ особенно эффективен при работе нейтронного генератора в импульсном режиме. В этом случае распыление поверхности мишени проводится в промежутках между нейтронными импульсами.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕЙТРОНОВ, включающий бомбардировку тритиевой мишени ионами дейтерия, отличающийся тем, что тритиевую мишень дополнительно бомабардируют ионами более тяжелых газов, чем дейтерий.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что бомбардировку мишени ионами более тяжелого газа производят одновременно бомбардировкой ионами дейтерия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что бомбардировку мишени ионами более тяжелого газа проводят периодически в промежутках между бомбардировкой ионами дейтерия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для дополнительной бомбардировки в качестве ионов более тяжелого газа используют ионы Ar, Kr и Xe.