Импульсный источник нейтронов

Авторы патента:

ЕРЕМЕЕВ И.П.

G21H5H05H9 -

I,I вЂ”,1

ОП ИСААКИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Соеатскик

Социапистнчесиик

Рвспублнк i» 743464

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6! ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 130479 (2!)2744650/18-25 (5!)М. ХЛ.

G 21 Н 5/00

Н 05 Н 9/00 с присоединением заявим йо (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР оо дедам изобретений и открытий

Опубликовано 07.06.81. Бюллвтень ИЯ 21

Дата опубликования описания 07.06.81 (53) УДК 621 ° 384 ° .6(088.8) (72) Автор мзобретения

И. П. Еремеев (7! ) Заявитель (54) ИМПУЛЬСНЫЯ ИСТОЧНИК НЕЙТРОНОВ

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано для производства изотопов на электронных ускорителях и для исследований по ядерной физике, физике твердого тела, химической физике и биологии.

Известны устройства для генерации импульсных потоков нейтронов, содержащие ускоритель заряженных частиц и нейтронную мишень использую1О щие реакции рождения быстрых нейтронов при бомбардировке, ядер тяжелыми

/ ( частицами вЂ” (p, и), 4, п), (d,. и, и др., фоторождения быстрых нейтронов при торможении релятивистских элект- !5 ронов в мишени (- е . n) (1).

Для них характерны недостаточно высокий удельный выход нейтронов на частицу, большая экзотермичность 20 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 характеризуются дополнительно большой утечкой быстрых нейтронов через его поверхность, снижающей интенсивность в процессе замедления в 10-100 раз, силь- З0 ным дисперсионным уширением первоначально короткого импульса.

Известен импульсный источник нейтронов, содержащий ускоритель электронов,- внешнюю фотонейтронную мишень и замедлитель, использующий g--излучение релятивистских электронов при торможении в мишени, реакцию, и 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 Я -излучения, пространственной совмещен ностью процессов образования -квантов и нейтронов в одной мишени, большим энерговыделением в мишени за счет ионизационных потерь электронов и радиационных потерь 7-квантов при энергиях выше титантского резонанса реакции ; n.

Целью изобретения является увеличение интенсивности и уменьшение

743464 удельных энергетических потерь при генерации нейтронов, увеличение пространственно-временной плотности потока тепловых и резонансных нейтронов.

Это достигается тем, что на траектории электронов перед мишенью расположена магнитная система для генерации направленного магнитотормозного 3 вЂ излучен.

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 мишени магнитная система снабжена устройством для разделения и "-пучков.

Для уменьшения радиационных потерь в мишени перед мишенью расположен фильтр f-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, и от энергии )"-квантов.

Предлагаемый источник содержит циклический ускоритель электронов 1 с системой фокусировки пучка 2, магнитную систему для генерации направленного магнитотормозного -излучения 3, расположенную на выведенном кучке электронов, устройство для разделения и вывода (и .

-пучков 4. Фильтр ) -излучения 5 и фотонейтронкую 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 ) (Е /Ес) магнитотормозного излучения релятивистских электронов с энергией Е = 7 ГэВ в пространственно-периодическом магнитном поле напряженностью 60 и 100 МэВ соответственно. Кривая 9 представляет энергетическую зависимость сечения реакции у, и вблизи порога в <Веэ (мбарн), выбранном в качестве мишени. По оси абсцисс отложена энергия

4-квантов в единицах Е -Е -„, где

E q вЂ” порог реакции ъ.,, равный в случае 4Âå 1,665 МэВ. Указан поРог Реакции 4, 2 „ Ес-"кРитический" параметр спектра магнитотормозного излучения, равный Е©(кэВ) = 6 65 х х10 Е (ГэВ) Н(кэВ). Поскольку спектральный выход нейтронов пропорционален произведению g(Е )Ес) Е .,„, в спектре нейтронов будут представлены все энергии, начиная с нулевой и кончая некоторой граничной, определяемой параметром Е„-, т.е. спадом функции ;Е /Ес) при больших значениях Е . Пл7щади под кривыми 7 и 8 соответствуют части спектра я -квантов, участвующих в реакции ).,, и определяют величину интегрального выхода нейтронов. Они дают представление о масштабе возможного увеличения интенсивности генерации при увеличении Е(и Н, которое сдвигает кривую ((Е -/Е ) вправо по оси абсцисс и вверх по осй ординат.

B 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 ка выведенном пучке электронов (фиг. 1) или

Щ 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 фотонейтронкым резонансом, либо с быстрым нарастанием сечения реакции ",n7+ 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 5-10 мм и расходимости 1/у, 4О где Я Ер/я с 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, И мишени, в частности от положения порога или гигантского резонанса реакции, от требуемой средней (граничной) энергии спектра рождения у и интенсивности генерации. Оно определяется также достижимой величиной напряженности магнитного .поля. Проходя в магнитной системе, пучок элект.вЂ” ронов отклоняется и испытывает торможение, в результате чего формируется импульсное, направленное строго вперед в узком интервале углов 1/у. магнитотормозное (синхронное, ондуляторное) излучение. Поток -квантов

gQ очищается от электронной компоненты в устройстве 4, фильтруется от неиспользуемой, мягкой части спектра ниже порога реакции ", n Е о фильтрами 5 из тяжелых металлов и направля ется на мишень 6. Под действием

743464 -квантов с энергией Eg?H E og из ядер мишени рождаются нейтроны.

В случае источника быстрых нейтронов используется -кванты с энергией, близкой к энергии гигантского резонанса Е уг,причем оптимальными являются мишени, содержащие тяжелые ядра с максимальной величиной Е -и в резонансе (например, Ta, V).Tðåáóå,мые в этом случае энергия электронов

E и напряженность магнитного поля Н определяются значением Е, и, требуемой средней энергией нейтронов и интенсивностью генерации. Для мишеней с отношением сечения, и к

З г,, О -« 10 превышение интенсивности генерации над достигнутой в из- . вестных устройствах наступает при условиях Е - Н/Е г, > 5 и НС > 2 ° 10., где Е(измеряется в ГэВ, Е, в кэВ, Н в кэВ и (в м. Например, если мишень выполнена из Ч 238 (E 20

6,14 МэВ), 3 /,0у 2 10 ) . Эти условия удовлетворяются при Е Р >л 20 ГэВ в полях H 75 кэВ длиной по траектории электронов K >r 2,5 м.

В случае источника тепловых и д5 резонансных нейтронов, основанного на принципе прямой фотогенерации нейтронов низкий энергий, используются кванты с энергией,. близкой к энергии порога E, реакции g, n, причем оптимальнйми являются мишени, содержащие легкие ядра с аномально низкой энергией связи (4д, 4ae ) .

Требуемые в этом сЛучае Ер и Р определяются значением, КО,1.г1, требуемой граничной энергией нейтронов и интенсивностью генерации. Для мишени с отношениемXЗ-и /ф 410 превышение плотности потока над достигнутой в прототипе, содержащем замедлитель, наступает при условии Е у Н/Е o,„p 1 и 4(Н г, > 10 . Так, если мишень выполнена из 4 Ве (E о -И = 1,665 МэВ), Бур /,0 - =

2 5 10, требуемые зчачения Ер, Н и порядка 5 ГэВ, 50 кэВи 2 ми соответственно. Применение этих ядер 45 одновременно минимизирует радиационные потери в мишени.

Возможны два геометрических варианта источника. В случае магнитной системы с однородным полем, когда горизонтальная расходимость -излучения определяется используемым углом поворота пучка электронов в несколько градусов, а вертикальная составляет 1/Я"- 10 -10 рад, реализуется плоский источник нейтронов с эффек-. тивной толщиной области генерации .Ь1 см, а в случае накопителей

«< 0,1 см, которая много меньше горизонтальных размеров определяемых длиной пробега Я-квантов с Е,)Ео г, 60 и горизонтальной расходимостью излучения. В случае магнитной системы с пространственно-периодическим нолем, когда горизонтальная расходимость "-излучения определяется периодом 65 изменения поля, значение Е р и Н и может быть сделана близкой к вертикальной, реализуется аксиально-симметричный источник нейтронов с эффективным радиусом области. генерации 1 см, а в случае накопителей с радиусом 0,1 см, много меньшим ее длины, определяемой длиной пробега "-квантов с энергией Е > Е

Частота следования нейтронных импульсов составляет 10 Гц в случае линейных ускорителей и синхротронов и ." 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 9 Чек в случае накопителей п -10 -10 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 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, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения интенсивности и уменьшения удельных энергетических потерь, на траектории электронов перед мишенью расположена магнитная система для генерации направленного магнитотормозногo ) -излучения.

2. Источник .по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения пространственно-временной плотности потока тепловых и резонансйых нейтронов, мишень выполнена из материала, содержащего легкие ядра с аномально низкой энергией связи.

3. Источник по пп.1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что магнитная система расположена на траектории электронов в циклическом ускорителе.

4. ИстоЧник по пп.1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что магнитная

743464 (О

Еу.- Еу-п, мял

Фиа 5

Составитель В. Егоров

Редактор Л. Павлова ТехредМ. Рейвес Корректор С.Цомак

Заказ 3398/53 Тираж 476 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 система снабжена блоком для разделения Р и у-пучков.

5. Источник по пп.1, 2, 3 и 4, отличающийся тем, что перед мишенью расположен фильтр у-излучения.