Импульсный источник нейтронов Советский патент 1981 года по МПК G21H5/00 H05H9/00 

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано для производства изотопов на электронных ycKOpHTeJJHX и для исследований по ядерной физике, физике твердого тела химической физике и биологии. Известны устройства для генерации импульсных потоков нейтронов,содержа щие ускоритель заряженных частиц и нейтронную мишень использующие реакции рождения быстрых нейтро нов при бомбардировке, ядер тяжелыми частицами - (р, п), (d, п), (d, п) и др., фоторождения быстрых нейтроно при торможении релятивистских элект ронов в мишени ( i) LlJДля них характерны недостаточно высокий удельный выход нейтронов на частицу, большая экзотермичность используемых реакций, высокая средняя энергия рождаемых нейтронов (1,5 Мэв) . В связи с последним, известные устройства для генерации тепловых и резонансных нейтронов содержат замедлитель и характеризуют ся дополнительно большой утечкой быстрых нейтронов через его поверхность, снижающей интенсивность в про цессе замедления в 10-100 раз, сйльным дисперсионнымуширением первоначально короткого импульса. Известен импульсный источник нейтронов, содержащий ускоритель электронов, внешнюю фотонейтронную мишень и замедлитель, использующий - -излучение релятивистских электронов при торможении в мишени, реакцию f, п фоторождения быстрых нейтронов в той же мишени и процесс их замедления до тепловых и резонансных энергий 2. В таком устройстве невозможно увеличить интенсивность генерации, улучшить пространственные и временные параметры потока и снизить удельные энергетические затраты на рождение одного нейтрона, поскольку оно характеризуется еще и низкой спектральной плотностью тормозного 7 излучения, пространственной совмещенностью процессов образования f-Ksanтов и нейтронов в одной мишени, большим энерговыделением в мишени за счет ионизационных потерь электронов и радиационных потерь Т-квантов при энергиях выше титантского резонанса реакции J,, п . Целью изобретения является увеличение интенсивности и уменьшение.

удельных энергетических потерь при генерации нейтронов, увеличение пространственно-временной плотности потока тепловых и резонансных нейтроно

Это достигается тем, что на траектории электронов перед мишенью расположена магнитная система для генерации направленного магнитотормозного J-излучения.

В случае источника тепловых и резонансных нейтронов мишень выполнена из материала, содержащего легкие ядра с аномально низкой энергией связи

Магнитная система может быть расположена на траектории электронов в циклическом ускорителе.

Для уменьшения ионизационных потерь в миьзени магнитная система снабжена устройством для разделения р и З-пучков,

Для уменьшения радиационных потерь в мишени перед мишенью расположен фильтр 7 излучения.

На фиг. 1 и 2. представлен схематично импульсный источник нейтронов в двух проекциях; на фиг. 3 кривые зависимости спектральной плоскости магнитотормозного излучения и сечения реакции -у, п от энергии y-KBaHTOB.

Предлагаемый источник содержит циклический ускоритель электронов 1 с системой фокусировки пучка 2, магнитную систему для генерации направленного магнитотормозного р-излучения 3, расположенную на выведенном пучке электронов, устройство для разделения- и вывода (и J-пучков 4. Фильтр Т-излучения 5 и фотонейтронную мишень 6.

Кривые зависимости, представленные на фиг. 3, поясняют физический принцип прямой генерации нейтронов низких энергий, положенный в основу предлагаемого источника. Кривыми 7 и 8 показаны безразмерные спектральные функции П (EJ/Ec) магнитотормоного излучения релятивистских электронов с энергией Ер 7 ГэВ в пространственно-периодическом магнитном поле напряженностью 60 и 100 МэВ соответственно. Кривая 9 представляет энергетическую зависимость сечения реакции у, п вблизи порога в Ве (мбарн), выбранном в качестве мшиени, По оси абсцисс отложена энергия Jf-KBaHTOB в единицах Е«,, где EOTJ-M порог реакции ty , у t равный в случае е 1,665 МэВ. Указан порог реакции , 2 f, Е - критический параметр спектра магнитотормоэного излучения, равный Ec;(i:3B) 6,65 к х10 Е(ГэВ) Н(кэВ). Поскольку спектральный выход нейтронов пропорционален произведению |(bj.|E 2уи в спектре нейтронов будут представлены все энергии, начиная с нулевой и кончая некоторой граничной, определяемой параметром Е., т.е. спадом

функции Г| (-/(.) при больших значениях Е.. Площади под кривыми 7 и 8 соответствуют части спектра J-квантов, участвующих в реакции j, ц, и определяют величину интегрального выхода нейтронов. Они дают представление о масштабе возможного увеличения интенсивности генерации при увеличении Ер и Н, которое сдвигает кривую ((.) вправо по оси абсцисс и вверх по оси ординат.

В устройстве (фиг. 1 и 2) в качестве источника релятивистских электронов могут использоваться линейный или циклический ускоритель, накопитель электронов ГэВ-диапазона. Магнитная система с пространствен- но-периодическим или однородным, постоянным во времени или импульсным полем может располагаться на выведенном пучке электронов (фиг. 1) или составлять часть орбиты .электронов в циклическом ускорителе, накопителе (фиг. 2). В случае источника быстрых нейтронов в качестве мишени может применяться любой изотоп. В случае источника, основанного на принципе прямой фотогенерации нейтронов низких энергий, мишень выполняется из материала-, содержащего изотопы с сильно выраженным первым фотонейтронным резонансом, либо с быстрым нарастанием сечения реакции Г S-vn вблизи порога.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1, 2), Модулированный во времени пучок электронов, ускоренных до требуемой энергии в -линейном ускорителе, синхротроне или накопленных в накопительном кольце 1 сфокусированных системой 2 до апертуры ;С 5-10 мм и расходимости где jr Ep/mfic проходит через магнитную систему 3 с пространственно-периодическим или однородным, постоянным во времени или импульсным полем. Энергия электронов может лежать в пределах/ 5-10 ГэВ. Ее конкретное значение зависит от параметров сечения f, h мишени, в частности от положения порога или гигантского резонанса реакции, от требуемой средней (граничной) энергии спектра рождения и интенсивности -генерации. Оно определяется также достижимой величиной напряженности магнитного-поля. Проходя в магнитной системе, пучок элект-ронов отклоняется и испытывает торможение, в результате чего формируется импульсное, направленное строго вперед в узком интервале углов l/j, магнитотормозное (синхронное, ондуляторное) излучение. Поток-J -квантов очищается от электронной компоненты в устройстве 4, фильтруется от неиспользуемой, мягкой части спектра ниже поррга реакции -J, п Е Q фильтрами 5 из тяжелых металлов и направля 5 ется на мишень 6. Под действием j-квантов с энергией Е V Е из ядер мишени рождаются нейтроны. В случае источника быстрых нейтр нов используется у -кванты с энерги ей, близкой к энергии гигантского резонанса E/j-ц, причем оптимальными являются мишени, содержащие тяжелые ядра с максимальной величиной S-j-, в резонансе (например, Та, V).Требуе,мне в этом случае энергия электроно Е и напряженность магнитного -поля Н определяются значением Ел-я, требуемой средней энергией нейтронов и интенсивностью генерации. Для мишеней с отношением сечения -Jf, и к 2y //J/y 10 превышение интенсивнос ти генерации над достигнутой в известных устройства х наступает при условиях Е Н/Еу, 5 и Нб 2 -10. где Е fi измеряется в ГэВ, E-j-f в кэВ, Н в кэВ и 6 в м. Например, если мишень выполнена из V 238 (E 6,14 Мэв;, ) . Эти условия удовлетворяются при 20 ГэВ в полях Н 75 кэВ длиной по траектории электронов 6V2,5 м.В случае источника тепловых и резонансных нейтронов, основанного на принципе прямой фотогенерации нейтронов низкий энергий, используются кванты с энергией,, близкой к энергии порога Е реакции у, п, причем оптимальными являются мишени содержащие легкие ядра с аномально низкой энергией связи (Д, е) . Требуемые в этом сЛучае Е|} и Н опре деляются значением, , требуемой граничной энергией нейтронов и интенсивностью генерации. Для мишени с отнсяиениемГги/Л 10 превышение плотности потока над достигнутой в прототипе, содержащем замедлитель, наступает при условии НЕ 10. Так, если мишень выполнен из 4. Be 9 (ЕО„-„ 1,665 МэВ),/ 1 2jJ ДО , требуемые значения Ер, Н и 6 порядка 5 ГэВ, 50 кэВ и 2 м соответственно. Применение этих яде одновременно минимизирует радиацион ные потери в мишени. Возможны два еометрических вари анта источника. В случае магнитной системы с однородным полем, когда горизонтальная расходимость -у-излучения определяется используемым-угл поворота пучка электронов в несколь ко градусов, а вертикальная составляет 1/У , реализуется плоский источник нейтронов с эффективной толщиной области генерации 1 см, а в случае накопителей 0,1 см, которая много меньше горизонтальных размеров определяемых длиной пробега y-KBaHTOB с и горизонтальной расходимостью излучения. В случае магнитной система с пространственно-периодическим полем когда горизонтальная расходимость ЗР-излучения определяется периодом изменения поля, значение Ели Н иможет быть сделана близкой к вертикальной, реализуется аксиально-симметричный источник нейтронов с эффективным ращиусом области генерации $1 см, а в случае накопителей с радиусом 0,1 см, много меньшим ее длины, определяемой длиной пробега ТГ-квантов с энергией Частота следования нейтронных импульсов составляет Гц в случае линейных ускорителей и синхротронов и -у 10 Гц для накопительных колец. Для понижения чистоты в последнем случае магнитная система, работающая в импульсном режиме, располагается в специальном канале, куда сгусток электронов отводится с требуемой частотой, причем падение средней интенсивности компенсируется увеличением импульсной за счет увеличения напряженности поля. Длительность нейтронного импульса составляет 10 °-10 сек в случае накопителей п сек в случае синхротронов и линейных ускорителей. Максимальная импульсная интенсивность достигается в случае источника на выведенном электронном пучке и импульсного магнитного поля, когда значительная часть энергии электронов преобразуется в З излучение с оптимальным видом спектра. Максимальная средняя интенсивность и плотность потока реализуется в случае накопительного кольца, характеризуемого максимальным средним током при минимальных размерах пучка и длительности импульса -квантов. Формула изобретения 1.Импульсный источник нейтронов, содержащий ускоритель электронов и внешнюю фотонейтронную мишень, отичающийся тем, что, с целью увеличения интенсивности и меньшения у)цельных энергетических отерь, на траектории электронов еред мишенью расположена магнитная истема для генерации направленного агнитотормозного У-излучения. 2.Источник по п. 1, отлиающийся тем, что, с целью величения пространственно-временой плотности потока тепловых и резоансных нейтронов, мишень выполнена з материала, содержащего легкие дра с аномально низкой энергией вязи. 3.Источник по ПП.1 и 2, о т л ИаЮЩИйся тем, что магнитная истема расположена на траектории лектронов в цикличГеском ускорителе. 4.Источник по пп.1 и 2, о т л иающийся тем, что магнитная