Способ изготовления нейтронообразующей мишени Советский патент 1992 года по МПК H05H6/00 

Изобретение относится к радиационным источникам, нейтронным генераторам на основе реакций типа (а,п), (р, п), (Т, п).

Область технического применения изобретения - ядерная физика. Изобретение может быть также использовано для построения термоядерных реакторов, исследования материалов на радиационную стойкость, селекции микроорганизмов и растений, радиобиологической технологии и др.

Цель изобретения - повышение коэффициента конверсии - достигается тем, что мишень выбрана в виде монокристалла, насыщенного ионами трития, причем кристаллический материал может быть из бора,

кремния, вольфрама или их карбидов с чистотой не хуже 10 атомов примесей на атом монокристалла

Для генерирования нейтронного излучения ускоренные положительно заряженные ионы, например, дейтерия направляются на мишень. Отличие способа состоит в том, что монокристаллическую мишень предварительно насыщают тритием, имплантируя его с энергией 50 кэВ-Е до 1-10% от количества ионов монокристалла, а угловой разброс направляемого на мишень пучка ионов от ускорителя задают в пределах рад. Конкретный выбор энергии

VI IGJ

ю

Ј

пучка производят исходя из условия канали- рования

Е -в2 Екр,

где в- угол разлета пучка;

Екр - критическое значение энергии.

Для коллимации пучка ионов используют устройство, состоящее из двух систем кристаллов. Указанные выше условия обеспечивают режим каналирования а-частиц в мишени, представляющей собой монокристалл. Указанный выбор монокристаллов обусловлен следующими причинами. Это вещество должно быть относительно термостойким для того, чтобы выдержать температуру ионного источника. Эта температура зависит от мощности нейтронного выхода; при 10 нейтронов/с, площади мишени 10 см2 температура 100°С; при 1013 нейтронов/с температура 300-350°С (без принудительного охлаждения). Большая термостойкость желательна также с связи с явлением смещения атома кристалла из узла решетки. С повышением термостойкости увеличивается энергия смещения.

Поэтому в качестве веществ монокристалла могут быть выбраны такие элементы, как бор, кремний, вольфрам и некоторые их соединения (карбиды), Чистота такой монокристаллической пластины должна быть не хуже атомов примесей на атом. В противном случае не обеспечивается достаточный режим каналирования пучков а-частиц из-за их рассеяния на примесях.

После выбора материала мишень насыщают ионами необходимого для ядерной реакции вещества, например трития. Это можно сделать, облучив пластину ионами в режиме ионной имплантации с эффектом каналирования, варьируя энергию ионов в пределах от 50 кэВ до Е, где Е - энергия ускоренных ионов дейтерия. Если энергия имплантируемых ионов будет меньше 50 кэВ, то требуемая структура микропучков дейтонов не устанавливается. При указанном режиме ионы мишени будут распределяться равномерно по глубине (толщина кристаллической мишени 0,1-0,5 мм). Доза облучения выбирается из расчета, что на сто ионов кристалла приходится пять-десять внедренных ионов, точнее до 1-10% от количества ионов монокристалла. Если количество имплантированных ионов меньше 1%, то вероятность взаимодействия дейто- на с тритоном будет недостаточной. Если количество имплантированных ионов больше 10%, то частицы деканализируются изза кулоновских столкновений с ядрами трития.

Возможен другой вариант, например насыщение кристалла дейтонами и облучение ионами трития и дейтерия. В качестве источника ионов (сотни кэВ, единицы мэВ) может быть использован ускоритель с малым угловым разбросом ионного пучка, например ускоритель Ванде-Граафа. Необходимо, чтобы поперечная составляющая энергий, входящих в кристаллическую мишень частиц, не превышала нескольких электровольт (для обеспечения режима каналирования), что реализуется при угловых

разбросах 3- рад. Тогда каналиро- вание положительных частиц происходит так, что частицы не подходят близко к атомным ядрам, а испытывают скользящие столкновения со всей атомной цепочкой кристалла, каналируясь в непосредственной близости от оси канала, а значит, и от ядер дислокаций. Такие дислокации будут находиться строго на оси канала, так как эта ось пересекает минимумы атомных потенциалов, в которых будут находиться ядра атомов дислокаций. По сравнению с неканали- рованным пучком средний прицельный параметр уменьшится см, против 10 8 см, что приведет к увеличению вероятности

реакции при каждом пролете иона пучка около ядра дислокации. Количественно эта вероятность и выход реакции возрастут во столько раз, во сколько возрастет плотность каналированного пучка на оси. Пучок дейтонов, тритонов, «-частиц или протонов должен быть достаточно свободным от примесей, Это может быть обеспечено фильтрацией ионов электрическим и/или магнитным полем, выбором эффективного источника ионов, например дуоплазмотрона.

При удовлетворении рассмотренных требований к мишени, источнику ионов, фокусировке пучка при работе нейтронного генератора происходит так называемое

осевое каналирование положительных ионов пучка в кристаллической мишени. Пучок автоматически разбивается на множество микропучков, проходящих вдоль осей канала, вначале толщиной см. Пройдя

несколько микрон, эти микропучки за счет взаимодействия с атомными полями сжимаются по плотности на оси в 103-104 раз, т.е. до .

На чертеже графически представлены

режимы работы ускорителя.

Установка для реализации изобретения содержит ускоритель заряженных частиц, ускоряющий а-частицы до энергий, превышающих пороговую энергию, необходимую

для освобождения нейтронов в мишени; мишень, представляющую собой кристалл, имплантированный ионами. На чертеже в виде графиков представлены режимы работы ускорителя в сочетании с мишенями, имеющими различную степень имплантации для различных угловых разбросов а -частиц в налетающем пучке. Точка с наибольшим значением коэффициента конверсии лежит на кривой А при значениях энергии налетающих частиц около 250 кэВ. При этом Пт/п 3 -10 , «Кр рад. Эти данные (кривые AI-АЗ) характеризуют режим с более интенсивным выходом нейтронов по сравнению с обычными источниками нейтронов, построенными на основе ускорителя заряженных частиц (кривые Bi-Бз, Вт-Вз, Г1-Гз).

Пример. Выбираем в качестве мише- ни монокристаллическую пластину, (0,3х1х1)см3 с чистотой 10 атомов примесей на один атом кремния. Насыщаем мишень ионами дейтерия (2Н) (в режиме ионной имплантации Е ЮО кэВ) до концентрации, соответствующей 3% от количества ионов монокристалла кремния в режиме каналирования. Устанавливаем пластину в юстировочное устройство и направляем на нее (на насыщенную дейтерием плоскость) пучок ионов дейтерия ( Н) сечением ,25 см2 с энергией Е 250-300 кэВ, сфокусировав его так, чтобы угловой разброс ионов был равен 3 навливаем ток 5 мкА (,5

,-з

10 J частиц/с).

рад. УстаПолучим интегральный поток нейтронов

3,15- ,26- 1013 нейтронов/с

с энергией и углами вылета, совпадающими с расчетными 5Е-3,265 МэВ в пределах 0L 0-180°.

Формула изобретения

Способ изготовления нейтронообразу- ющей мишени, заключающийся в имплантации в монокристаллическую подложку путем ее облучения ионов дейтерия или трития, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента конверсии, подложку изготавливают с чистотой не хуже атомов примесей на атом монокристалла, а концентрацию имплантированных ионов выдерживают в диапазоне от 1 до 10% от количества ионов монокристалла, поддерживая при этом энергию этих ионов в пределах

dEM, Тх

-ЧМИН

,-Е,

25

гдебР - глубина нерегулярности кристалла, м;

dEv,

d x

Еимин - модуль величины удель

ных потерь энергии частицей в слое кристалличе- ской решетки при минимальной энергии имплантации Егмин, эВ/м;

Е - максимальное значение энергии ионов от источника, бомбардирующих мишень, эВ.

4-fff

10

100 200 300 400 500 600 700ЈнэВ

Использование: относится к ускорительной технике и может быть использовано в нейтронных генераторах. Сущность изобретения: в подложку из монокристалла с количеством атомов примесей до 10 от числа атомов монокристалла имплантируются с использованием эффекта каналирования ионы дейтерия или трития. Число этих ионов сГх составляет от 1 до 10% от количества ионов монокристалла При этом энергия имплантируемых ионов Л/(эВ), должна удовлетворять следующему выражению ДР- dE EI.MHH W Е где ДН - глубина нерегулярности кристалла подложки, м, I dEu/dxl - модуль величины удельных потерь энергии частиц в слое кристаллической решетки при минимальной энергии имплантации Еимин эВ, Е - максимальное значение энергии ионов от источника, бомбардирующих мишень, эВ. При этом ионы, имплантированные а подложку мишени, равномерно распределяются по ее объему в пределах зоны, излучающей нейтроны. По сравнению с каналированным пучком средний прицельный параметр уменьшается до 10 см, что приводит к увеличению вероятности реакции при каждом пролете иона пучка около ядра дислокации. 1 ил. СО