ГЕНЕРАТОР БЫСТРЫХ МОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2015 года по МПК G21K1/00 

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для получения пучка быстрых моноэнергетических нейтронов.

Нейтронные генераторы и разрабатываемые на их основе аппаратурные комплексы выпускаются для таких областей применения, как:

- каротаж нефтегазовых и урановых скважин;

- контроль технологических процессов промышленных производств, сертификация продукции;

- обнаружение и идентификация отравляющих и взрывчатых веществ;

- нейтронная терапия;

- нейтронная радиография и томография;

- обнаружение и контроль содержания ядерных материалов;

- научные исследования.

В качестве прототипа нейтронного генератора выбран нейтронный генератор ускорительного типа [1,2], в таких нейтронных генераторах для получения потока нейтронов обычно используются ядерные реакции d(d,n)³He и t(d,n)⁴He. При бомбардировке ускоренными ионами дейтерия мишеней-конвертеров, которые содержат дейтерий или тритий, в результате ядерной реакции рождаются нейтроны. Такие нейтронные генераторы разнообразны по размерам и характеристикам. Некоторые из них размещаются на площади 50-100 м² и обладают мощностью - 10¹²-10¹³ нейтронов в 1 сек (энергию ионов можно варьировать от 10 до 10 эВ). Существуют и миниатюрные ускорительные трубки (диаметры 25-30 мм), испускающие 10⁷-10⁸ нейтронов в 1 сек, которые используются в нейтронном каротаже.

Нейтронный генератор, в котором энергия ускоренных ионов дейтерия невелика (намного меньше энергии образующихся в результате ядерных реакций нейтронов), может быть точечным моноэнергетическим источником нейтронов. Нейтроны вылетают из мишени практически изотропно.

Ускорители, используемые в таких нейтронных генераторах, обычно непрерывного действия. Чтобы получить импульсный пучок в ускорителях используют импульсные ионные источники или устройства отклонения и группировки пучка ионов.

Мишени-конвертеры нейтронных генераторов, позволяющих получить высокоинтенсивные потоки нейтронов, обычно твердотельные и представляют собой тонкие слои (до нескольких десятков мкм) титана, скандия или цинка, нанесенные на медную подложку. Эти металлы способны образовывать так называемые металлические гидриды. Так гидриды титана или скандия способны удерживать до двух атомов изотопов водорода на один атом металла. Это свойство металлических гидридов позволяет использовать их в качестве аккумуляторов изотопов водорода и, в частности, изготовлять из них мишени-конвертеры.

Энергия, теряемая пучком заряженных частиц в мишени-конвертере, определяется током и энергией пучка ионов и может достигать больших величин (до десятков кВт на квадратный сантиметр). Такие мишени требуют эффективного охлаждения.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение класса материалов используемых для мишеней-конвертеров нейтронных генераторов. В качестве нового материала для аккумуляторов изотопов водорода и изготовления мишеней-конвертеров предлагается использовать поликристаллический CVD алмаз (химически осажденный из газовой фазы алмаз).

Структура поликристаллического CVD алмаза неоднородна и анизотропна (Рис. 1). Кристаллиты растут в виде колонн, ориентированных перпендикулярно поверхности, причем с увеличением толщины пленки «диаметр» колонн увеличивается. Размеры кристаллитов возрастают от ~1 мкм в сильно дефектном слое вблизи подложки до десятков и даже сотен микрометров на противоположной, более совершенной ростовой стороне.

При определенных условиях синтеза поликристаллические CVD алмазные пленки имеют черный цвет из-за многочисленных структурных дефектов в кристаллитах, таких как двойники и аморфизованные области размером порядка 1 нм [3]. В литературе для подобного материала принято обозначение black diamond.

Исследование возможности использования поликристаллического алмаза в качестве мишени-конвертера проводились на установке ГЕЛИС ФИАН. Установка ГЕЛИС представляет собой ускоритель ионов легких элементов с током до 40 мА и энергией до 50 кэВ [4].

Насыщение образцов CVD алмаза дейтерием проводилось путем электролиза, за время электролиза в образцы CVD алмаза входило до ~1020 атомов дейтерия.

Измерения по выходу нейтронов из поликристаллической алмазной мишени-конвертора показали более высокое значение по сравнению с дейтерированными металлическими мишенями из Ti и Pd при одинаковых значениях тока и энергии бомбардирующих ионов дейтерия.

Измерения потока нейтронов вдоль и поперек направления пучка ионов дейтерия при облучении мишени-конвертера из поликристаллического CVD алмаза выявило их сильное различие. На установке ГЕЛИС исследовалась зависимость выхода нейтронов из образца CVD-алмаза от угла между пучком дейтронов и нормалью к плоскости мишени (Рис.2). Видно, что наблюдается значительное уменьшение выхода нейтронов при повороте мишени относительно пучка дейтронов. При нормальном падении пучка дейтронов на мишень выход нейтронов примерно в 3 раза больше, чем при угле поворота мишени р=±45°. Сильная зависимость выхода нейтронов от угла β может свидетельствовать о наличии узких каналов в образце CVD-алмаза, в которых сконцентрировано основное количество дейтерия, попавшего туда в процессе электролиза. Больший выход нейтронов при β=0° может быть объяснен тем, что эффективный пробег ионов дейтерия в каналах значительно выше, чем в алмазе.

В поликристаллическом алмазе узкие каналы между кристаллитами образуются естественным путем в процессе его роста, однако современные технологии позволяют изготавливать наноразмерные каналы в алмазе искусственным образом. Использование в нейтронном генераторе ускорительного типа мишеней-конвертеров из поликристаллического или монокристаллического алмаза с предварительно изготовленными наноразмерными каналами позволит получить направленный поток нейтронов, даже при малых энергиях ионов дейтерия (меньше 50 кэВ).

Возможные применения

Таким образом, мишени-конверторы из поликристаллического или монокристаллического алмаза с предварительно изготовленными наноразмерными каналами могут быть использованы для получения направленного потока монохроматических нейтронов. Благодаря уникальным теплопроводным свойствам алмаза эти мишени-конверторы позволят повысить ток пучка ионов на мишень и тем самым увеличить интенсивность потока нейтронов, что актуально для сокращения времени при проведении работ с нейтронными генераторами, таких как:

- контроль технологических процессов промышленных производств, сертификация продукции;

- обнаружение и идентификация отравляющих и взрывчатых веществ;

- нейтронная терапия;

- нейтронная радиография и томография;

- обнаружение и контроль содержания ядерных материалов;

- научные исследования.

Литература

1. Власов Н.А. Нейтроны. 2 изд. М., 1971.

2. Кирьянов Г.И. Генераторы быстрых нейтронов. М., 1990.

3. В.Г. Ральченко, А.В. Савельев, А.Ф. Попович, И.И. Власов, С.В. Воронина, Е.Е. Ашкинази. Двухслойные теплоотводящие диэлектрические подложки алмаз-нитрид алюминия // Микроэлектроника, 2006, Т. 35, №4, с. 243-248.

4. М.А. Негодаев, А.В. Багуля. Электрофизическая установка ГЕЛИС. Препринт ФИАН №11. М., 1996.

Заявленное изобретение относится к генераторам быстрых моноэнергетических нейтронов. В заявленном устройстве предусмотрено использование алмазной кристаллической структуры, поверхность которой облучается ускоренным до нескольких десятков кэВ пучком ионов дейтерия, в качестве мишеней-конвертеров. Техническим результатом является возможность повышения тока пучка ионов на мишень и как следствие возможность увеличения интенсивности потока нейтронов, что обеспечивает возможность применения заявленного устройства в различных областях, где используются быстрые моноэнергетические нейтроны, таких как каротаж нефтегазовых и урановых скважин, контроль технологических процессов промышленных производств, сертификация продукции, обнаружение и идентификация отравляющих и взрывчатых веществ, нейтронная терапия, нейтронная радиография и томография, обнаружение и контроль содержания ядерных материалов и научные исследования. 2 ил.

Нейтронный генератор для получения быстрых нейтронов ускорительного типа, отличающийся тем, что в ускорителе ионов дейтерия в качестве мишени-конвертера используется аккумулятор изотопов водорода из поликристаллического или монокристаллического CVD алмаза, который позволяет получать направленный поток нейтронов даже при малых энергиях ускоренных ионов дейтерия.