중성자 발생기

Neutron generator
이 기사는 가속기를 사용하는 발전기에 관한 것이다.일반 소스에 대한 자세한 내용은 중성자 소스를 참조하십시오.
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아이다호 국립 연구소의 핵물리학자는 전자 중성자 발생기를 이용하여 실험을 설정한다.

중성자 발생기는 소형 선형 입자 가속기를 포함하고 수소 동위원소를 함께 융합하여 중성자를 생성하는 중성자 소스 소자다.핵융합 반응은 중수소, 삼중수소 또는 이 두 동위원소의 혼합물을 중수소, 삼중수소 또는 이 동위원소의 혼합물을 포함하는 금속 하이드라이드 표적으로 가속함으로써 이러한 장치에서 일어난다.중수소 원자(D + D)가 융합되면 약 2.5 MeV의 운동 에너지를 가진 헬륨-3 이온과 중성자가 형성된다.중수소와 삼중수소 원자(D + T)를 융합하면 약 14.1 MeV의 운동 에너지를 가진 헬륨-4 이온과 중성자가 형성된다.중성자 발전기는 의학, 보안, 재료 분석에서 응용이 가능하다.[1]

기본 개념은 1930년대 초 캐번디쉬 연구소의 어니스트 러더포드 연구팀이 처음 개발했다.마크 올리판트는 Cockcroft-Walton 발전기에 의해 구동되는 선형 가속기를 사용하여 중수소 이온을 중수소 주입 금속 호일로 발사하는 실험을 주도했고 이러한 입자 중 소수만이 알파 입자를 방출한다는 것을 알아챘다.이것은 핵융합 실험의 첫 번째 시연이자 이러한 반응에서 생성된 헬륨-3와 삼중수소의 첫 번째 발견이었다.새로운 동력원의 도입으로 실험실 한구석을 가득 메운 올리판트부터 휴대성이 뛰어난 현대식 기계에 이르기까지 이러한 기계들의 크기가 지속적으로 줄어들었다.지난 50년 동안 그러한 작고 상대적으로 저렴한 수천 개의 시스템이 건설되었다.

중성자 발생기는 핵융합 반응을 일으키지만, 이러한 반응을 일으키는 가속 이온의 수는 매우 적다.이러한 반응에 의해 방출되는 에너지가 이온을 가속시키는 데 필요한 에너지보다 몇 배나 낮다는 것을 쉽게 증명할 수 있기 때문에 이러한 기계들이 순 핵융합 동력을 생산하기 위해 사용될 가능성은 없다.관련 개념인 충돌 빔 융합은 서로 발사하는 두 개의 가속기를 사용하여 이 문제를 해결하려고 시도한다.

샌디아 국립 연구소의 발명가가 테스트한 가장 단순한 형태의 중성미자

중성자 발생기 이론 및 작동

중수소(D, 수소-2, H) 삼중수소(T, 수소-3, H) 핵융합 반응을 사용하는 소형 중성자 발생기는 (방사성 동위원소와 반대로) 중성자 선원에 기반한 가장 일반적인 가속기이다.이러한 시스템에서 중성자는 중수소, 삼중수소 또는 중수소 및 삼중수소의 이온을 생성하여 중수소 또는 중수소 및 삼중수소를 적재한 하이드라이드 표적으로 가속함으로써 생성된다.DT 반응의 수율이 DD 반응의 수율보다 50~100배 높기 때문에 DT 반응보다 DT 반응이 더 많이 사용된다.

D + T → n + He En = 14.1 MeV

D + D → n + He En = 2.5 MeV

DD와 DT 반응에 의해 생성된 중성자는 대상으로부터 다소 비등역학적으로 방출되며, 전방(이온빔 축) 방향으로 약간 치우쳐 있다.DD와 DT 반응에서 중성자 방출의 음이소트로피는 반응이 모멘텀 좌표계(COM)의 중심에서 등방성이지만 COM 좌표계로부터 기준 실험실 프레임으로의 변환에서 이 동위원소가 손실된다.두 기준 틀에서 헤핵은 운동량 보존 법칙에 부합하는 방출 중성자와 반대 방향으로 후퇴한다.

중성자 튜브의 이온 소스 영역의 가스 압력은 일반적으로 0.1–0.01 mm Hg이다.전자의 평균 자유 경로는 이온화(압력 하한)를 달성하기 위해 방전 공간보다 짧아야 하며, 전극 사이에 인가되는 높은 추출 전압에서 방전이 형성되지 않도록 압력을 충분히 낮게 유지해야 한다.그러나 전자의 평균 자유 경로가 고전압 전극 사이에 방전이 형성되지 않도록 더 길어야 하기 때문에 가속 부위의 압력은 훨씬 더 낮아야 한다.[2]

이온가속기는 보통 원통형 대칭을 가진 여러 개의 전극으로 이루어져 있으며, 아인젤 렌즈 역할을 한다.따라서 이온 빔은 목표물의 작은 지점에 집중될 수 있다.가속기는 일반적으로 100 ~ 500 kV의 전원을 필요로 한다.그들은 보통 여러 단계를 가지는데, 필드 배출을 방지하기 위해 단계 사이의 전압이 200 kV를 초과하지 않는다.[2]

방사성핵종 중성자 선원과 비교하여 중성자 관은 훨씬 더 높은 중성자 플럭스를 생성할 수 있으며 일관된(단색질) 중성자 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있다.중성자 생산률도 조절할 수 있다.[2]

밀봉 중성자관

중성자 발생기의 중심 부분은 입자 가속기 자체로, 때때로 중성자 튜브라고 불린다.중성자 튜브는 이온 소스, 이온 광 소자 및 빔 대상을 포함한 여러 구성 요소를 가지고 있으며, 이들 구성 요소는 모두 진공 밀폐 인클로저 안에 밀폐되어 있다.튜브의 이온 광학 소자 사이의 고전압 절연은 유리 및/또는 세라믹 절연체에 의해 제공된다.중성자 튜브는 차례로 금속 하우징인 가속기 헤드에 둘러싸여 있으며, 가속기 헤드는 작동 구역에서 튜브의 고전압 요소를 절연하기 위해 유전성 매체로 채워져 있다.가속기와 이온 소스 고전압은 외부 전원에 의해 공급된다.제어 콘솔은 운전원이 중성자 튜브의 작동 파라미터를 조정할 수 있도록 한다.전원 공급 장치와 제어 장비는 일반적으로 실험실 기구에서는 가속기 헤드의 10~30피트 이내에 위치하지만, 잘 로깅되는 기구에서는 수 킬로미터 떨어져 있을 수 있다.

이전 중성자 튜브와 비교하여 밀봉된 중성자 튜브는 작동을 위해 진공 펌프와 가스 공급원이 필요하지 않다.그러므로 그것들은 더 이동적이고 컴팩트한 반면 내구성과 신뢰성이 있다.예를 들어, 밀봉된 중성자 튜브는 현대 핵무기의 붕괴 코어에 중성자 펄스를 공급하면서 방사성 변조 중성자 개시자를 대체했다.

중성자 관 아이디어의 예는 날짜를 정도로 오래 전에 독일 과학자들은 미국의 한 특허(1941년 7월, USP는#2,251,190)취득하는 것이1938 독일 특허(3월 1938년, 특허#261,156)제기에 의해 1930년대,pre-nuclear 무기 시대,으로 하고, 예술의 현재 상태의 사례가 Neutristor,[3]는 대부분의 고체 상태의 장치 하나로 가지고 다니와 같은 발전을 준다.레앨버커키 NM의 샌디아 국립 연구소에서 발명된 컴퓨터 칩을 봉합하는 것.[citation needed]일반적인 밀봉 설계는 펄스 모드에서[4] 사용되며, 이온 소스와 부하 대상으로부터의 수명에 따라 다른 출력 수준에서 작동할 수 있다.[5]

테스트 준비가 된 저렴한 진공 밀봉된 패키지의 중성미자

이온원

주요 기사:이온원

좋은 이온원은 가스를 많이 소비하지 않고 강한 이온빔을 제공해야 한다.수소 동위원소의 경우 원자 이온이 충돌 시 중성자 수율이 높기 때문에 분자 이온보다 원자 이온 생산이 선호된다.그런 다음 이온원에서 생성된 이온은 전기장에 의해 가속기 영역으로 추출되어 목표물을 향해 가속된다.가스 소비는 주로 이온 발생 공간과 이온 가속 공간 사이의 압력 차이에 의해 발생한다.시간당 40 cm의3 가스 소비에서 10 mA의 이온 전류를 얻을 수 있다.[2]

밀봉된 중성자 튜브의 경우, 이상적인 이온 선원은 낮은 가스 압력을 사용해야 하고, 원자 이온의 많은 비율을 가진 높은 이온 전류를 주어야 하며, 낮은 가스 정화, 낮은 전력 사용, 높은 신뢰성과 높은 수명을 가져야 하며, 그 구조는 간단하고 견고해야 하며, 유지 요건은 낮아야 한다.[2]

가스는 지르코늄 와이어의 전기 가열 코일인 보충기에 효율적으로 저장할 수 있다.그것의 온도는 인클로저의 압력을 조절하는 금속의 수소의 흡수/탈수 속도를 결정한다.

콜드 음극(페닝)

페닝 선원은 교차된 전기장과 자기장을 이용하는 저압의 차가운 음극이온 선원이다.이온 소스 양극은 소스 음극과 관련하여 dc 또는 펄스 중 하나의 양전위에 있다.이온 소스 전압은 보통 2에서 7킬로볼트 사이에 있다.원천 축과 평행하게 방향을 잡은 자기장은 영구 자석에 의해 생성된다.플라즈마는 양극의 축을 따라 형성되어 전자를 가두어 이온화 가스를 발생시킨다.이온은 출구 음극을 통해 추출된다.정상적인 작동 하에서 페닝 선원에 의해 생성되는 이온종은 90% 이상의 분자 이온이다.그러나 이러한 단점은 시스템의 다른 장점들에 의해 보상된다.

음극 중 하나는 부드러운 철로 만든 컵으로 방전 공간의 대부분을 감싸고 있다.컵 바닥에는 생성되는 이온의 대부분이 자기장에 의해 가속공간으로 배출되는 구멍이 있다.부드러운 철은 자기장으로부터 가속 공간을 보호하여 고장을 방지한다.[2]

출구 음극에서 나오는 이온은 출구 음극과 가속기 전극 사이의 전위차를 통해 가속된다.도식도는 출구 음극이 접지 전위에 있고 목표물이 높은(음극) 전위에 있음을 나타낸다.밀봉된 관 중성자 발전기가 다수 이에 해당한다.단, 샘플에 최대 유속을 전달하고자 하는 경우에는 표적을 접지하고 선원이 높은 (양) 전위로 떠 있는 상태에서 중성자 관을 운용하는 것이 바람직하다.가속기 전압은 보통 80에서 180 킬로볼트사이에 있다.

가속 전극은 긴 중공 실린더의 모양을 하고 있다.이온빔은 약간 산란각(약 0.1라디안)을 가진다.전극 모양과 대상으로부터의 거리를 선택할 수 있어 대상 표면 전체에 이온을 퍼부을 수 있다.최대 200 kV의 가속 전압을 달성할 수 있다.

이온은 가속 전극을 통과하여 과녁을 명중시킨다.이온이 목표물에 부딪히면 이온당 2~3개의 전자가 이차방출에 의해 생성된다.이러한 이차 전자가 다시 이온원으로 가속되는 것을 막기 위해 가속기 전극은 대상에 대해 음의 편향되어 있다.억제기 전압이라고 불리는 이 전압은 최소 500볼트 이상이어야 하며 몇 킬로볼트만큼 높을 수 있다.억제기 전압의 상실은 중성자 튜브에 손상을 입히고 치명적일 수 있다.

일부 중성자 튜브는 포커스 또는 추출기 전극이라고 불리는 중간 전극을 통합하여 대상의 빔 스폿 크기를 제어한다.선원의 가스 압력은 가스 저장소를 가열하거나 냉각시켜 조절한다.

무선 주파수(RF)

이온은 고주파 전자기장에서 형성된 전자에 의해 생성될 수 있다.방전은 전극 사이에 위치한 튜브 또는 코일 내부에 형성된다.원자 이온의 90% 이상이 달성 가능하다.[2]

대상

중성자 발생에 사용되는 대상은 은, 구리 또는 몰리브덴 기질에 침전되는 티타늄, 스칸듐 또는 지르코늄과 같은 얇은 금속막이다.티타늄, 스칸듐, 지르코늄은 수소나 그 동위원소와 결합하면 금속 하이드리드라고 불리는 안정적인 화학 화합물을 형성한다.이러한 금속 하이드라이드는 금속 원자당 두 개의 수소(중수소 또는 삼중수소) 원자로 구성되며, 표적이 매우 높은 수소 밀도를 가질 수 있도록 한다.이것은 중성자 관의 중성자 수율을 최대화하기 위해 중요하다.또한 가스 저장소는 활성 물질로 우라늄 하이드라이드와 같은 금속 하이드라이드를 사용한다.

티타늄은 지르코늄보다 높은 온도(200℃)를 견딜 수 있고, 지르코늄보다 중수소를 더 잘 포획해 중성자 수율이 높다.수소 동위원소가 탈착을 겪고 물질을 탈출하는 대상에게 허용되는 최대 온도는 대상 표면 단위당 이온 전류를 제한하며, 따라서 약간 다른 빔을 사용한다.200 kV에서 티타늄 표적에 가속된 1마이크로암페어 이온 빔은 초당 최대 10개의8 중성자를 생성할 수 있다.중성자 수율은 대부분 가속 전압과 이온 전류 수준에 의해 결정된다.[2]

사용 중인 삼중수소 표적의 예로는 표면 위에 1마이크로미터 층의 티타늄이 축적된 0.2mm 두께의 은색 디스크를 들 수 있다. 그 다음 티타늄은 삼중수소에 포화된다.[2]

수소 확산이 충분히 낮은 금속은 금속이 포화상태에 이를 때까지 중수소를 폭격함으로써 중수소 표적으로 바뀔 수 있다.이런 조건의 금 표적은 티타늄보다 4배 높은 효율성을 보인다.수소 확산도가 낮은 기질(예: 은)에 고흡수 고확도 금속(예: 티타늄)의 박막으로 만든 표적을 사용하면 수소가 상단 층에 집중되어 물질의 대량으로 분산될 수 없기 때문에 더욱 좋은 결과를 얻을 수 있다.중수소-트리트리튬 가스 혼합물을 사용하면 자가 재생 D-T 표적을 만들 수 있다.이러한 대상의 중성자 수율은 중수소 빔의 삼중수소 포화 대상보다 낮지만, 이들의 장점은 수명이 훨씬 길고 중성자 생산 수준이 일정하다는 것이다.자체 재생 대상도 고온의 관 베이크아웃과 튜브 밀봉 후 수소 동위원소 포화도 수행되기 때문에 관의 고온 베이크아웃에도 내성이 있다.[2]

고전압 전원 공급 장치

중성자 튜브에서 이온을 가속하는 데 필요한 고전압장을 생성하기 위한 한 가지 특별한 접근법은 화력 결정법을 사용하는 것이다.2005년 4월 UCLA의 연구진은 중성자 발생기 애플리케이션에서 높은 전기장을 생성하기 위해 열 순환 화력 결정의 사용을 시연했다.2006년 2월, 렌셀라이어 폴리테크닉 연구소의 연구자들은 이 응용에 두 개의 반대 방향으로 폴링된 결정의 사용을 증명했다.이러한 저기술 전력 공급기를 사용하면 가속 틈새에 걸쳐 충분히 높은 전기장 구배를 발생시켜 중수소 이온을 중수 표적 안으로 가속시켜 D + D 핵융합 반응을 발생시킬 수 있다.이러한 장치는 일반적으로 Cockcroft-Walton형 고전압 전원 공급 장치를 사용하는 기존의 밀봉 튜브 중성자 발전기와 작동 원리가 유사하다.이 접근법의 신기함은 고전압 선원의 단순함에 있다.불행히도, 화력 결정체가 생성할 수 있는 비교적 낮은 가속 전류와 달성할 수 있는 적당한 펄스 주파수(분 당 몇 사이클)는 오늘날의 상용 제품과 비교하여 단기 적용을 제한한다(아래 참조).또한 화력 융합을 참조하십시오.[6]

기타 기술

위에서 설명한 기존의 중성자 발생기 설계 외에도 중성자 생성을 위해 전기 시스템을 사용하는 몇 가지 다른 접근법이 존재한다.

관성 정전기 구속/퓨저

주요 기사:푸소르

또 다른 형태의 혁신적인 중성자 발전기는 관성 정전기 구속 융합 장치다.이 중성자 발생기는 단열 표면의 금속화를 야기하는 스퍼터 침식될 고체 표적의 사용을 방지한다.고체 대상 내 반응성 기체의 고갈도 피한다.훨씬 더 많은 운영 수명을 달성한다.원래 퓨저라고 불리던 그것은 전자 텔레비전의 발명가인 필로 판스워스에 의해 발명되었다.

참고 항목

참조

  1. ^ Reijonen, J. "Compact Neutron Generators for Medical, Homeland Security, and Planetary Exploration" (PDF). Proceedings of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee: 49–53.
  2. ^ a b c d e f g h i j van der Horst; H. L. (1964). "VIIIc Neutron Generators" (PDF). Gas-Discharge Tubes. Philips Technical Library. Vol. 16. Eindhoven, Netherlands: Philips Technical Library. pp. 281–295. OCLC 10391645. UDC No. 621.387.
  3. ^ 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). "Novel Surface-Mounted Neutron Generator". IEEE Transactions on Plasma Science. 40 (9): 2145–2150. Bibcode:2012ITPS...40.2145E. doi:10.1109/TPS.2012.2204278. S2CID 20593594.
  4. ^ Gow, J. D.; Pollock, H. C. (1960). "Development of a Compact Evacuated Pulsed Neutron Source". Review of Scientific Instruments. 31 (3): 235–240. Bibcode:1960RScI...31..235G. doi:10.1063/1.1716948.
  5. ^ Walko, R. J.; Rochau, G. E. (1981). "A High Output Neutron Tube Using an Occluded Gas Ion Source". IEEE Transactions on Nuclear Science. 28 (2): 1531–1534. Bibcode:1981ITNS...28.1531W. doi:10.1109/TNS.1981.4331459. S2CID 32794354.
  6. ^ http://www.scienceblog.com/cms/ny_team_confirms_ucla_tabletop_fusion_10017.html[데드링크]

외부 링크