Нейтронный источник

Изобретение относится к устройству для получения нейтронов с использованием частиц высоких энергий и может быть использовано при изготовлении компактных источников нейтронного излучения. Устройство источника нейтронов содержит источник нейтронов, помещённый в герметизированный контейнер, в котором источник нейтронов выполнен в виде конструкции с многослойной структурой, включающей в себя слои-изоляторы, выполненные из материала, имеющего лёгкие ядра, плотно контактирующие по краевым участкам слоёв, образуя герметичное соединение и слой-излучатель возбуждающих α-частиц, размещенный между упомянутыми слоями-изоляторами, и выполненный из α-активного материала в смеси с материалом, имеющим лёгкие ядра, способные к реакции α->n. Слой-излучатель быстрых нейтронов размещён между упомянутыми слоями-изоляторами и выполнен из α-активного материала в смеси с материалом, имеющим лёгкие ядра, способные к реакции α->n. Техническим результатом является получение долговременного равномерного потока нейтронов с заданной интенсивностью. 8 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 пр.

 

Область техники

Изобретение относится к области ядерной физики, а именно, к устройствам для получения нейтронов с использованием частиц высоких энергий, и может быть использовано при изготовлении компактных источников нейтронного излучения.

Уровень техники

Источники нейтронов применяются в различных сферах деятельности: ядерно-физических исследованиях и в практических приложениях, например в устройствах для нейтронного каротажа, нейтронографии, нейтронозахватной терапии и др. (в приборах для измерения влажности материалов, толщины нанесённых слоев, для неразрушающего контроля качества изделий, в научных исследованиях)

Для ряда приложений науки и техники необходимы источники долговременного стабильного нейтронного излучения, как малой активности 1-10 Бк, например калибровочные источники для детекторов космического излучения, так и большой активности 10⁶-10⁷ Бк, например, источники для каротажа. В частности, такие источники нейтронов могут быть получены на основе ядерной реакции альфа-частиц с лёгкими элементами.

Из патента US3400269 [1] известна конструкция нейтронного источника, включающего в себя излучатель, выполненный из материала, излучающего α-частицы, и мишени, производящей быстрые нейтроны, из бериллия (Be), каждый из которых выполнен в виде полотна. Источник в собранном виде представляет собой свернутые в спирали чередующиеся полотна излучателя и мишени, размещенные друг относительно друга с зазором. Устройство источника нейтронов, раскрытое в [1], решает задачу получения малогабаритного источника нейтронов долговременного действия. Однако в такой конфигурации, когда имеется зазор в системе излучатель-мишень, не все α-частицы от излучателя взаимодействуют с веществом мишени, в результате снижается интенсивность и равномерность потока нейтронов. Кроме этого, возможна утечка опасных α-активных элементов при использовании аппаратуры с указанным источником нейтронов.

Известны устройства источника нейтронов, которые обеспечивают исключение утечки одного из компонентов, используемого при генерации нейтронов. Например, в патенте US3963934 [2] раскрыта конструкция источника нейтронов, содержащая излучатель заряженных частиц (дейтеронов) и мишень, выполненная в виде композита, образованного слоем-мишенью, производящим нейтроны (тритий), размещенным между защитными слоями, препятствующими диффузии материала мишени. Однако данное устройство отличается импульсным характером работы, создавая мощный поток нейтронов, что неприемлемо при работах, требующих малого количества нейтронов, и не исключает потерь заряженных частиц до взаимодействия с композитной мишенью, что снижает интенсивность и равномерность потока нейтронов.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание компактного источника нейтронов, обеспечивающего долговременный стабильный поток нейтронов. Техническим результатом изобретения является получение долговременного равномерного потока нейтронов с заданной интенсивностью.

Указанный технический результат достигается устройством источника нейтронов, содержащим источник нейтронов, помещённый в герметизированный корпус, в котором

источник нейтронов выполнен в виде конструкции с многослойной структурой, включающей в себя слои-изоляторы, выполненные из материала, имеющего лёгкие ядра, плотно контактирующие по краевым участкам слоёв, образуя герметичное соединение,

слой-излучатель возбуждающих α-частиц, размещённый между упомянутыми слоями-изоляторами, и выполненный из α-активного материала в смеси с материалом, имеющим лёгкие ядра, способные к реакции α->n,

слой-излучатель быстрых нейтронов, размещённый между упомянутыми слоями-изоляторами, и выполненный из α-активного материала в смеси с материалом, имеющим лёгкие ядра, способные к реакции α->n.

В варианте исполнения устройства α-активный материала для слоя-излучателя выбирается из группы: плутоний (Pu), полоний (Po), америций (Am), радий (Ra) и других природных, либо искусственных элементов или их смесей с изотопным составом, обеспечивающим требуемую α-активность смеси, а слой-излучатель выполнен из металлического бериллия, содержащего 0,01-2 атомных процентов α-активного изотопа, равномерно распределенных в его матрице в форме соединений или сплавов с бериллием, растворов в элементарном бериллии, аморфных смесей (металлических стёкол) атомов бериллия и α-активного материала без ковалентного химического взаимодействия.

Слой-излучатель также может быть выполнен из сочетания материалов, выбираемых из группы: полоний-бериллий (Ро-Ве), плутоний-бериллий (Рu-Ве) или радий-бериллий (Ra-Be), а также бинарных, тройных и многокомпонентных смесей изотопов α-активного материала с бериллием.

Для обеспечения значимого выхода потока нейтронов толщина слоя-излучателя составляет не менее одного теоретического пробега α-частиц в материале слоя-излучателя, а толщина слоя-излучателя в предпочтительном варианте исполнения составляет 50 мкм.

Слой-изолятор выполнен из бериллия, при этом толщина слоя-изолятора составляет не менее десяти теоретических пробегов α-частиц в материале слоя- изолятора. В предпочтительном варианте исполнения толщина слоя-изолятора составляет 300 мкм.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

фиг. 1 –структурная схема устройства источника нейтронов,

фиг. 2 – поперечное сечение конструкции источника нейтронов.

фиг. 3 – поперечное сечение устройства с источником нейтронов в виде спирали,

фиг. 4 – поперечное сечение устройства с источником нейтронов в конфигурации в виде группы соосных цилиндрических элементов.

Описание изобретения

Устройство по настоящему изобретению обеспечивает получение долговременного равномерного потока быстрых нейтронов по (ядерной) реакции (α, n). На фиг. 1 показано структурная схема устройство источника нейтронов, на которой обозначено 1 – источник нейтронов, 2 – герметизированный корпус, в котором установлен источник нейтронов.

Герметизированный корпус 2 выполнен из коррозионно-стойкого металла, не склонного к активации под действием нейтронов. Например, для его изготовления могут быть использованы малоактивируемая сталь, алюминий и другие подходящие материалы.

Для реализации реакции (α, n) источник нейтронов выполнен в виде конструкции с многослойной структурой. Конструкция источника нейтронов выполнена в плоскостной конфигурации, поперечное сечение которой показано на фиг. 2. Каждой слой представляет собой плёнку соответствующего металла (смеси металлов).

В такой конструкции слои 21 и 23 являются слоями-изоляторами, выполненными из материала, производящего нейтроны, а между ними размещен слой-излучатель 22 возбуждающих части, выполненный из α-активного материала в сочетании с материалом, производящим нейтроны под действием α-частиц. Слои-изоляторы 21 и 23 плотно контактируют друг с другом своими краевыми участками по всей периферии контакта 24, образуя герметичное соединение, полностью закрывая слой-излучатель 22 возбуждающих частиц.

Несколько разных типов материала источника нейтронов – мишени – могут приводить к реакции (α; n) при энергии альфа частицы, которая легко достигается в процессе радиоактивного распада. В качестве материала для слоя-мишени используются вещества с лёгкими ядрами, имеющие малый заряд ядра и, следовательно, низкий кулоновский барьер.

В настоящем изобретении первый слой, слой-изолятор 21, производящий нейтроны, выполнен из бериллия в виде металлической фольги, полученной в форме металлургического проката, либо с использованием технологий ионно-плазменного осаждения. Металл может быть как кристаллизованным в любой кристаллической модификации, так и аморфизованным (в стеклообразном состоянии).

Второй слой, слой-излучатель 22 α-частиц, содержит актинидный материал, нанесён на первый слой 21 методом ионно-плазменного напыления (осаждения), Слой 22 образован на срединной части слоя 21 так, что поверхность краевых участков 24 слоя 21 по всей его периферии остаются свободными. В настоящем изобретении слой 22 – металлический бериллий, содержащий 0,01-2 атомных процента α-активного изотопа, равномерно распределённых в его матрице с образованием, либо без образования химических соединений (бериллидов). Количество α-активного изотопа (изотопов) определяется их общей активностью, которая в зависимости от необходимой удельной мощности нейтронного источника может изменяться в пределах 10²-10¹⁰ Бк.

Радиоактивные изотопы, имеющие альфа-распад, применяются как в виде индивидуальных элементов, выбираемых из группы радий (Ra), плутоний (Pu), полоний (Po), америций (Am), так и в виде смесей любого элементного и изотопного состава, если суммарная α-активность смеси является достаточной для функционирования источника нейтронов. Слой-излучатель также может быть выполнен из материала, образованного сочетанием актинидных материалов с бериллием. Например, слой-излучатель, может быть выполнен из материалов, выбираемых из группы полоний-бериллий (Ро-Ве), плутоний-бериллий (Рu-Ве) или радий-бериллий (Ra-Be).

Третий слой, слой-изолятор 23, как и первый слой 21 выполнен из бериллия, полученный методом ионно-плазменного осаждения на поверхности слоя 22, и на поверхности краевых участков 24 слоя 21, на которых отсутствует материал второго слоя 22. При этом материал третьего слоя, осаждаемый на первый и второй слой, создаёт герметичный контакт по краевым участкам контакта с первым слоем. При формировании слоя в поток ионов осаждаемого материала можно ввести углерод, кремний, бор или азот для упрочнения структуры решетки слоя.

В варианте исполнения настоящего изобретении слои источника нейтронов выполнены в виде твёрдотельных металлических плёнок, различающихся по толщине.

В настоящем изобретении для достижения значимой величины выхода нейтронов без изменений формы материала мишени при бомбардировке пучком α-частиц, толщины слоёв выбраны с учётом длины свободного пробега α-частиц.

Толщина каждого слоя-изолятора 21 и 23 составляет не менее 10 теоретических пробегов α-частиц в материале, и в предпочтительном варианте исполнения – 300 мкм, обеспечивая компенсацию распухания материала под действием излучения.

Толщина слоя-излучателя 22 составляет не менее одного теоретического пробега α-частицы в материале, и в предпочтительном варианте исполнения – 50 мкм, что обеспечивает увеличение удельной активности источника нейтронов.

Конструкция источника нейтронов, представленного выше, позволяет в полной мере использовать возможность взаимодействия α-частиц с ядром бериллия без промежуточных потерь энергии. Источник нейтронов по изобретению имеет структуру, в рамках которой производится одновременное излучение как α-частиц, так и быстрых нейтронов в слое-излучателе, и после прохождения слоя-изолятора, α-частицы полностью поглощаются и остаются только нейтроны.

Плоскостная форма источника нейтронов, даёт возможность просто получать готовое изделие с различными размерами по длине и ширине, и устанавливать его в герметизированный контейнер в различной форме. Например, как показано на фиг. 3 источнику нейтронов может быть придана форма спирали, задавая число витков которой можно регулировать интенсивность потока нейтронов. Источник нейтронов также может быть образован в виде группы соосных цилиндрических элементов, последовательно охватывающих друг друга, как показано на фиг. 4, число которых определяет интенсивность получаемого потока нейтронов.

Ниже приведены примеры изготовления источника нейтронов по настоящему изобретению.

Пример 1

На подложку из металлического бериллия линейными размерами 100×100 мм накладывается трафарет, закрывающий краевые участки на 5 мм и оставляющий “окно” размером 90×90 мм.

Производится ионно-плазменное напыление двумя потоками ионов: бериллия и α-активного элемента в атомном соотношении 99 к 1 до получения плёнки толщиной 50 мкм.

После окончания формирования плёнки трафарет убирается и на изделие производится напыление 300 мкм металлического бериллия, после чего проводится термический отжиг для снятия напряжений.

В результате формируется изделие размерами 100×100 мм, имеющее герметизированную область с нейтронным источником размерами 90×90 мм.

Пример 2.

На подложку из металлического бериллия линейными размерами 100×100 мм накладывается трафарет, закрывающий кромки на 5 мм и оставляющий “окно” размером 90×90 мм.

Производится ионная имплантация плёнки толщиной 50 мкм α-активным элементом до достижения требуемой удельной активности нейтронного потока с единицы площади изделия.

После окончания имплантации трафарет убирается и на изделие производится напыление 300 мкм металлического бериллия, после чего проводится термический отжиг для снятия напряжений.

В результате формируется изделие размерами 100×100 мм, имеющее герметизированную область с нейтронным источником размерами 90×90 мм.

Настоящее изобретение в представленном выше конструктивном исполнении обеспечивает получение компактного устройства, генерирующего долговременный стабильный поток нейтронов, который может использоваться в различных установках и оборудовании.

1. Устройство источника нейтронов, содержащее источник нейтронов, помещенный в герметизированный контейнер, в котором

источник нейтронов выполнен в виде конструкции с многослойной структурой, включающей в себя

слои-изоляторы, выполненные из материала, имеющего лёгкие ядра, плотно контактирующие по краевым участкам слоёв, образуя герметичное соединение;

слой-излучатель возбуждающих α-частиц, размещенный между упомянутыми слоями-изоляторами и выполненный из α-активного материала в смеси с материалом, имеющим лёгкие ядра, способные к реакции α->n;

слой-излучатель быстрых нейтронов, размещенный между упомянутыми слоями-изоляторами и выполненный из α-активного материала в смеси с материалом, имеющим лёгкие ядра, способные к реакции α->n.

2. Устройство по п. 1, в котором

α-активный материал для слоя-излучателя выбирается из группы: плутоний, полоний, америций, радий и других природных либо искусственных элементов или их смесей с изотопным составом, обеспечивающим требуемую α-активность смеси.

3. Устройство по п. 1, в котором

слой-излучатель выполнен из элементарного бериллия в любой кристаллической модификации либо аморфного, содержащего 0,01-2 атомных процентов α-активного изотопа, равномерно распределенных в его матрице в форме соединений или сплавов с бериллием, растворов в элементарном бериллии, аморфных смесей атомов бериллия и α-активного материала без химического взаимодействия.

4. Устройство по п. 1, в котором

слой-излучатель выполнен из сочетания материалов, выбираемых из группы: полоний-бериллий, плутоний-бериллий или радий-бериллий, а также бинарных, тройных и многокомпонентных смесей изотопов α-активного материала с бериллием.

5. Устройство по п. 1, в котором толщина слоя-излучателя составляет не менее одного теоретического пробега α-частиц в материале слоя-излучателя.

6. Устройство по п. 3 или 4, в котором толщина слоя-излучателя составляет 50 мкм.

7. Устройство по п. 1, в котором слой-изолятор выполнен из бериллия.

8. Устройство по п. 1, в котором толщина слоя-изолятора составляет не менее десяти теоретических пробегов α-частиц в материале слоя-изолятора.

9. Устройство по п. 7, в котором толщина слоя-изолятора составляет 300 мкм.