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*小的中子源

发布时间:2021-04-07   点击次数:194次

中子剂量仪系列——*小的中子源

 

      中子发生器为包括油田作业、重型械生产、艺术保护、侦查工作和医学在内的许多行业提供材料分析和无损检测。然而许多应用已经受到当前工业和医用中子源的大尺寸限制。现在,作为开发和支持HE武器的非核部分(包括中子发生器)的桑迪亚国家实验室(SNL)已经发明了一种新的方法来建造称为neutristors的微型中子管。

     1932年,中子作为早期放射化学聚变反应的产物被发现。经过十年的科学应用,第二次世界大战在日本爆炸的两颗HE弹各自都包括一个中子发生器,该中子发生器可在正确的时间点处于燃临界质量的可裂变物质。这一事件顺理成章地将中子发生器在秘密世界和公开世界各自分开发展。

     可用于科学和工业的中子源包括粒子加速器(当时这些加速器装满了很大的房间),核反应堆(占满了大型建筑物)和与小手指一样大的放射性物质。由于大多数研究人员和制造公司都无法轻易获得反应堆和加速器,因此利用放射性中子源开展了大量工作,以开拓发中子源的实际应用。

使用放射性同位素产生中子的主要方法有三种:

•放射性诱发的聚变中子

•同位素自发裂变的中子

•光中子源

       放射性聚变源的一个例子是钚与铍混合。钚发出的α粒子(氦核)与铍核融合,形成一个中子和一对α粒子。自发裂变源通常包含超铀同位素锎-252,其通过分裂成两个部分并产生几个中子而衰变。在光中子源中,高能伽马射线将铍分解成与聚变中子源相同的产物。放射性中子发生器通常每秒发出少于十亿个中子并伴随着几兆电子伏的动能。发射的中子的功率仅约一毫瓦,但产量足以满足许多应用的需求。

       放射源的问题在于危险性,它无法关闭。此外使用者很可能没有了解到其危险性。在许多情况下,所需的屏蔽与辐射源的尺寸相比要大得多。尽管此类源仍用于一些应用,但最终仍然推动了低烈度聚变反应的微型粒子加速器发展和胜出。其与手提箱大小的电子设备捆绑在一起的,这使像邮筒一样大小的基于加速器的中子发生器得以实现。

      小型中子发生器将氘(D)或氚(T)离子加速到100 KeV(千电子伏特)或更小的能量,这大约相当于十亿开尔文的温度。这些离子被引导进入一个射束并撞击到含有氘的靶标上。在离子束中使用氘时,两个氘离子融合(D-D融合),在使用氚时,氘和氚离子融合(D-T融合)。在这两种情况下中子都是聚变反应的产物。

      基于加速器的中子发生器存在两个主要问题主要是尺寸和成本。对于某些物理应用或者点中子源应用来讲,三英寸(7.5厘米)的圆柱体过大,例如中子俘获治疗用于焊接缺陷的中子检查。而且基于加速器的中子源起价约十万美元,这对于某些用途来说太昂贵。例如中子活化分析是一种用于快速识别样品成分的技术,其需要一种中子发生器。中子发生器就是这种技术,如果将它整合到《星际迷航》中的那种传感器里,将令人惊讶,但它却过于庞大和昂贵无法实现。

       现在SNL宣布了其新型中子发生器的开发。该中子发生器通过将粒子加速器安装在芯片上来解决许多上述问题。由于使用了很大的高电压,微型中子管在陶瓷绝缘体上分层堆积。此处展示的是通过D-D聚变产生中子。虽然D-T反应更容易引发,但按要求在发生器的设计中不能使用放射性物质。

      在离子源和氘靶之间施加电压,以使来自离子源的氘离子被吸引到氘靶上。离子在源和靶之间的漂移区域中加速,而漂移区必须处于真空,这样离子才不会从空气分子中散射出来。当高能离子撞击靶时,其中的一小部分将引起D-D聚变,从而产生中子。桑迪亚(Sandia)并未公布微型中子管使用的典型加速电压,而商用中子发生器使用的电压约为100 kV,但在电压低于10 kV的情况下仍可获得不小的中子产额。

      离子透镜改变离子源和靶之间的电场,从而使加速的离子集中在靶上装有氘的区域上。SNL的公开没有提到氘气的存储方式,但是一种常见的方法是用易于形成氢化物(氘化物)的钯或某种其他金属涂覆离子源和/或靶。例如钯涂层的每个钯原子可以存储近一个氘原子。离子电流足够低,即使很少的氘在完整的微型中子管中也可以使用很长时间。此外还可以根据需要以连续或脉冲模式操作微型中子管。

      当前微型中子管的漂移区域跨度为数毫米,其封装足够小,可用于许多新领域。估计微型中子管的生产成本约为2,000美元,这大约是目前基于加速器的中子发生器成本的五十分之一。下一代全固态微型中子管将不需要真空操作,从而降低了成本并提高了设备的耐用性。此外,SNL正在研究使用MEMS(微机电系统)技术制造小至2到3个数量级的微型中子管。

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