Världens minsta neutrongenerator - det är inte bara för nukes längre

Anonim

Världens minsta neutrongenerator - det är inte bara för nukes längre

Vetenskap

Brian Dodson

25 augusti 2012

3 bilder

Tre Sandia neutrister neutrongeneratorer monterade i en provlåda under vakuum

Neutrongeneratorer tillhandahåller materialanalys och icke-destruktiva testverktyg till många industrier, inklusive oljefältverksamhet, tung mekanisk produktion, konstvård, detektivarbete och medicin. Många av dessa applikationer har begränsats av den ganska stora storleken av nuvarande industriella och medicinska neutronkällor. Nu har Sandia National Laboratories (SNL), vars huvuduppgift är att utveckla och stödja icke-nukleära delar (inklusive neutrongeneratorer) av kärnvapen, uppfunnit en ny metod för att bygga små neutrongeneratorer som heter neutristorer.

Neutronen upptäcktes som en produkt av en tidig radiokemisk fusionsreaktion 1932. Efter ett decennium av huvudsakligen vetenskaplig användning exploderade andra världskrigets kärnbomber över Japan vardera en neutrongenerator för att antända den kritiska massan av klyvbart material vid rätt tidpunkt. Denna händelse splittrade neutrongeneratorernas utveckling mellan hemligheten och de öppna världarna.

Neutronkällorna tillgängliga för vetenskap och industri inkluderade partikelacceleratorer (vid den tidpunkten dessa fyllda stora rum), kärnreaktorer (fyllning av stora byggnader) och radioaktiva material som småfingerens storlek. Eftersom de flesta forskare och tillverkningsföretag inte hade lätt tillgång till reaktorer och acceleratorer, genomfördes en hel del arbete med att utveckla praktiska tillämpningar för neutronkällor med radioaktiva neutrongeneratorer.

Det finns tre huvudsakliga metoder för att använda radioaktiva isotoper för att generera neutroner:

  • Radioaktivt inducerade fusionsnutroner

  • Neutroner från isotoper som genomgår spontan fission
  • Photoneutron källor
  • Ett exempel på de radioaktiva fusionskällorna är plutonium blandat med beryllium. Plutonium avger alfapartikler (heliumkärnor) som smälter med berylliumkärnorna, bildar en neutron och ett par alfapartiklar. Spontana fissionskällor innehåller vanligen californium-252, a

    transuranisotop som faller genom att dela upp i två delar med flera neutroner kvar. I fotonutronkällorna bryter energiska gammastrålar beryllium i samma produkter som ses från fusionsnutronkällorna.

    Radioaktiva neutrongeneratorer avger vanligtvis färre än en miljard neutroner per sekund med en kinetisk energi av några MeV. Effekten hos de emitterade neutronerna handlar bara om en milliwatt, men utbytet är tillräckligt för många tillämpningar.

    Problemet med radioaktiva källor är att de är farliga, kan inte stängas av och kan inte alltid användas av personer som förstår faran. I många fall krävs skärmning som är mycket stor jämfört med källans storlek. Även om sådana källor fortfarande används för vissa uppgifter, slutligen släpptes miniatyriserade partikelacceleratorer som kör låga fusionsreaktioner och acceleratorbaserade neutrongeneratorer om storleken på ett poströr som var bundna till ett resväskorstort elektronikpaket blev tillgängliga .

    De miniatyriserade neutrongeneratorerna accelererar deuterium (D) eller tritium (T) joner till energier på 100 KeV (kiloelektronvolt) eller mindre, motsvarande ungefär till en temperatur av cirka en miljard grader Kelvin. Dessa joner riktas därefter in i en stråle som påverkar ett mål som innehåller deuterium. När deuterium används i jonstrålen, smälter två deuteriumjoner (DD-fusion), medan tritium används, en deuterium och en tritiumjonssäkring (DT-fusion). I båda fallen är neutroner av produkter av fusionsreaktionen.

    Det finns två huvudproblem med acceleratorbaserade neutrongeneratorer - deras storlek och deras kostnad. Det finns applikationer där en cylinder på tre tum (7, 5 cm) är för stor, antingen fysiskt (implanterad neutroncancerbehandling) eller när en punktkälla för neutroner är önskad (t.ex. för neutronkontroll av svetsfel). Även acceleratorbaserade generatorer börjar vid ungefär hundra tusen dollar, vilket är för stort ett pris för vissa användningsområden. Till exempel behövs en neutrongenerator för neutronaktiveringsanalys, en teknik för att snabbt identifiera sammansättningen av ett prov. Det här är den typ av teknik som skulle vara fantastiskt att införliva i en Star Trek- stil tricorder, men har varit alltför stor och dyr.

    SNL 's kompakta neutrongenerator

    En Sandia neutristor, med sina olika delar märkta

    Nu har SNL meddelat utvecklingen av en ny typ av neutrongenerator som löser många av dessa problem genom att sätta en partikelaccelerator på ett chip. Såsom ses i figuren ovan är neutristorn lagrad i keramisk isolering på grund av att de stora spänningarna används. Enheten som visas här producerar neutroner genom DD-fusion. DT-reaktionen är lättare att initiera, men beslutet fattades att inte kräva några radioaktiva material i generatorns konstruktion.

    En spänning appliceras mellan jonkällan och deuteriummålet så att deuteriumjonerna från källan lockas till deuteriummålet. Joner accelererar i driftområdet mellan källan och målet. Driftområdet måste vara i vakuum så att joner inte sprider sig från luftmolekylerna. När de energiska jonerna träffar målet, kommer en liten del av dem att orsaka DD-fusion och därmed generera en neutron. Sandia meddelade inte typiska accelerationsspänningar som användes med neutristorn, men kommersiella neutrongeneratorer använder omkring 100 kV, men signifikanta neutronutbyten kan erhållas vid spänningar under tio kV.

    Jonlinsen ändrar det elektriska fältet mellan jonkällan och målet så att de accelererade jonerna är koncentrerade på området för målet laddat med deuterium. SNL-redogörelsen nämner inte hur deuteriumgasen lagras, men ett gemensamt tillvägagångssätt är att belägga jonkällan och / eller målet med palladium eller någon annan metall som lätt bildar hydrider, eller i detta fall deuterider. Till exempel kan en palladiumbeläggning lagra nästan en deuteriumatom för varje palladiumatom. Jonströmmen är tillräckligt låg så att även dessa små mängder deuterium kommer att hålla en mycket lång tid i den färdiga neutristorn. Neuristorer kan användas i kontinuerligt eller pulserat läge efter behov.

    Nuvarande neuristorer har en drivregion några millimeter över och bildar en tillräckligt liten förpackning för många nya applikationer. Den beräknade produktionskostnaden för neutristorer ligger i närheten av US $ 2000, cirka en femtedel av kostnaden för nuvarande acceleratorbaserade neutrongeneratorer. Nästa generation av helt solida neutristorer behöver inte vakuum för drift, vilket minskar kostnaden och ökar hållbarheten hos enheten. Dessutom arbetar SNL på neutristors två till tre storleksordningar mindre som skulle tillverkas med hjälp av MEMS (mikroelektromekanisk system) -teknik.

    Följande film är en utmärkt introduktion till hur utvecklingen av neutristorer kom och en bra redogörelse för den bakomliggande tekniken.

    Källa: Sandia National Laboratories

    Tre Sandia neutrister neutrongeneratorer monterade i en provlåda under vakuum

    En isolerad neutristor

    En Sandia neutristor, med sina olika delar märkta