Gerador de nêutrons - Neutron generator

Físico nuclear do Laboratório Nacional de Idaho cria um experimento usando um gerador eletrônico de nêutrons.

Os geradores de nêutrons são dispositivos de fonte de nêutrons que contêm aceleradores de partículas lineares compactas e que produzem nêutrons pela fusão de isótopos de hidrogênio . As reações de fusão ocorrem nesses dispositivos pela aceleração de deutério , trítio ou uma mistura desses dois isótopos em um alvo de hidreto de metal que também contém deutério, trítio ou uma mistura desses isótopos. A fusão de átomos de deutério (D + D) resulta na formação de um íon He-3 e um nêutron com energia cinética de aproximadamente 2,5 MeV . A fusão de um átomo de deutério e um átomo de trítio (D + T) resulta na formação de um íon He-4 e um nêutron com uma energia cinética de aproximadamente 14,1 MeV. Os geradores de nêutrons têm aplicações em medicina, segurança e análise de materiais.

O conceito básico foi desenvolvido pela equipe de Ernest Rutherford no Laboratório Cavendish no início dos anos 1930. Usando um acelerador linear acionado por um gerador Cockcroft-Walton , Mark Oliphant conduziu um experimento que disparou íons de deutério em uma folha de metal com infusão de deutério e notou que um pequeno número dessas partículas emitia partículas alfa . Esta foi a primeira demonstração da fusão nuclear, assim como a primeira descoberta do Hélio-3 e do trítio, criados nessas reações. A introdução de novas fontes de energia reduziu continuamente o tamanho dessas máquinas, desde as de Oliphant, que ocupavam o canto do laboratório, até as máquinas modernas altamente portáteis. Milhares desses sistemas pequenos e relativamente baratos foram construídos nas últimas cinco décadas.

Embora os geradores de nêutrons produzam reações de fusão, o número de íons acelerados que causam essas reações é muito baixo. Pode ser facilmente demonstrado que a energia liberada por essas reações é muitas vezes menor do que a energia necessária para acelerar os íons, portanto, não há possibilidade de essas máquinas serem usadas para produzir energia de fusão líquida . Um conceito relacionado, fusão de feixes de colisão , tenta resolver esse problema usando dois aceleradores disparando um contra o outro.

Neutristor em sua forma mais simples, conforme testado pelo inventor no Sandia National Laboratories

Teoria e operação do gerador de nêutrons

Pequenos geradores de nêutrons usando as reações de fusão de deutério (D, hidrogênio-2, ² H) trítio (T, hidrogênio-3, ³ H) são as fontes de nêutrons baseadas em aceleradores mais comuns (em oposição aos isótopos radioativos). Nesses sistemas, os nêutrons são produzidos criando íons de deutério, trítio ou deutério e trítio e acelerando-os em um alvo de hidreto carregado com deutério ou deutério e trítio. A reação DT é usada mais do que a reação DD porque o rendimento da reação DT é 50-100 vezes maior do que o da reação DD.

D + T → n + ⁴ He E _n = 14,1 MeV

D + D → n + ³ He E _n = 2,5 MeV

Os nêutrons produzidos pelas reações DD e DT são emitidos um tanto anisotropicamente do alvo, ligeiramente enviesados na direção direta (no eixo do feixe de íons). A anisotropia da emissão de nêutrons das reações DD e DT surge do fato de as reações serem isotrópicas no sistema de coordenadas do centro do momento (COM), mas essa isotropia é perdida na transformação do sistema de coordenadas COM para o referencial do laboratório . Em ambos os referenciais, os núcleos de He recuam na direção oposta ao nêutron emitido, de acordo com a lei de conservação do momento .

A pressão do gás na região da fonte de íons dos tubos de nêutrons geralmente varia entre 0,1–0,01 mm Hg . O caminho livre médio dos elétrons deve ser mais curto do que o espaço de descarga para atingir a ionização (limite inferior de pressão), enquanto a pressão deve ser mantida baixa o suficiente para evitar a formação de descargas nas altas tensões de extração aplicadas entre os eletrodos. A pressão na região de aceleração, entretanto, deve ser muito menor, pois o caminho livre médio dos elétrons deve ser mais longo para evitar a formação de uma descarga entre os eletrodos de alta tensão.

O acelerador de íons geralmente consiste em vários eletrodos com simetria cilíndrica, atuando como uma lente einzel . O feixe de íons pode, portanto, ser focado em um pequeno ponto no alvo. Os aceleradores normalmente requerem fontes de alimentação de 100 - 500 kV. Normalmente possuem vários estágios, com tensão entre os estágios não excedendo 200 kV para evitar emissão de campo .

Em comparação com as fontes de nêutrons de radionuclídeos, os tubos de nêutrons podem produzir fluxos de nêutrons muito maiores e espectros de energia de nêutrons consistentes (monocromáticos) podem ser obtidos. A taxa de produção de nêutrons também pode ser controlada.

Tubos de nêutrons selados

A parte central de um gerador de nêutrons é o próprio acelerador de partículas, às vezes chamado de tubo de nêutrons. Os tubos de nêutrons têm vários componentes, incluindo uma fonte de íons, elementos ópticos de íons e um alvo de feixe; todos estes são colocados dentro de um invólucro à prova de vácuo. O isolamento de alta tensão entre os elementos óticos iônicos do tubo é fornecido por isoladores de vidro e / ou cerâmica. O tubo de nêutrons é, por sua vez, encerrado em um invólucro de metal, a cabeça do acelerador, que é preenchida com um meio dielétrico para isolar os elementos de alta tensão do tubo da área de operação. As altas tensões do acelerador e da fonte de íons são fornecidas por fontes de alimentação externas. O console de controle permite que o operador ajuste os parâmetros operacionais do tubo de nêutrons. As fontes de alimentação e equipamentos de controle estão normalmente localizados a 10–30 pés da cabeça do acelerador em instrumentos de laboratório, mas podem estar a vários quilômetros de distância em instrumentos de perfilagem de poços .

Em comparação com seus predecessores, os tubos de nêutrons selados não requerem bombas de vácuo e fontes de gás para operação. Eles são, portanto, mais móveis e compactos, além de duráveis e confiáveis. Por exemplo, tubos de nêutrons selados substituíram os iniciadores de nêutrons modulados radioativos , fornecendo um pulso de nêutrons ao núcleo implodido das armas nucleares modernas .

Exemplos de idéias de tubos de nêutrons datam da década de 1930, era pré-armas nucleares, por cientistas alemães que registraram uma patente alemã de 1938 (março de 1938, patente # 261.156) e obtiveram uma patente nos Estados Unidos (julho de 1941, USP # 2.251.190); exemplos do estado da arte atual são dados por desenvolvimentos como o Neutristor, um dispositivo em grande parte de estado sólido, semelhante a um chip de computador, inventado no Sandia National Laboratories em Albuquerque NM. Projetos vedados típicos são usados em modo pulsado e podem ser operados em diferentes níveis de saída, dependendo da vida útil da fonte de íons e dos alvos carregados.

Neutristor em um pacote selado a vácuo barato pronto para teste

Fontes de íons

Uma boa fonte de íons deve fornecer um feixe de íons forte sem consumir muito do gás. Para isótopos de hidrogênio, a produção de íons atômicos é favorecida em relação aos íons moleculares, pois os íons atômicos têm maior rendimento de nêutrons na colisão. Os íons gerados na fonte de íons são então extraídos por um campo elétrico na região do acelerador e acelerados em direção ao alvo. O consumo de gás é causado principalmente pela diferença de pressão entre os espaços de geração e aceleração de íons que devem ser mantidos. Correntes de íons de 10 mA com consumos de gás de 40 cm ³ / hora são possíveis.

Para um tubo de nêutrons selado, a fonte de íons ideal deve usar baixa pressão de gás, fornecer alta corrente de íons com grande proporção de íons atômicos, ter baixa limpeza de gás, usar baixa potência, ter alta confiabilidade e alta vida útil, sua construção deve ser simples e robusto e seus requisitos de manutenção devem ser baixos.

O gás pode ser armazenado com eficiência em um reforçador, uma bobina de fio de zircônio eletricamente aquecida. Sua temperatura determina a taxa de absorção / dessorção do hidrogênio pelo metal, que regula a pressão no invólucro.

Cátodo frio (Penning)

A fonte Penning é uma fonte de íon catodo frio de baixa pressão que utiliza campos elétricos e magnéticos cruzados. O ânodo da fonte de íons está em um potencial positivo, seja CC ou pulsado, em relação ao cátodo da fonte. A voltagem da fonte de íons é normalmente entre 2 e 7 quilovolts. Um campo magnético, orientado paralelamente ao eixo da fonte, é produzido por um ímã permanente . Um plasma é formado ao longo do eixo do ânodo que retém elétrons que, por sua vez, ionizam o gás na fonte. Os íons são extraídos pelo cátodo de saída. Em operação normal, as espécies de íons produzidas pela fonte Penning são mais de 90% de íons moleculares. Esta desvantagem é, no entanto, compensada pelas outras vantagens do sistema.

Um dos cátodos é um copo feito de ferro macio , envolvendo a maior parte do espaço de descarga. O fundo do copo tem um orifício através do qual a maioria dos íons gerados são ejetados pelo campo magnético para o espaço de aceleração. O ferro macio protege o espaço de aceleração do campo magnético, para evitar uma avaria.

Os íons que emergem do cátodo de saída são acelerados pela diferença de potencial entre o cátodo de saída e o eletrodo do acelerador. O esquema indica que o cátodo de saída está com potencial de terra e o alvo com potencial alto (negativo). Este é o caso de muitos geradores de nêutrons de tubo selado. No entanto, nos casos em que se deseja fornecer o fluxo máximo a uma amostra, é desejável operar o tubo de nêutrons com o alvo aterrado e a fonte flutuando em alto potencial (positivo). A tensão do acelerador está normalmente entre 80 e 180 quilovolts.

O eletrodo de aceleração tem a forma de um longo cilindro oco. O feixe de íons tem um ângulo ligeiramente divergente (cerca de 0,1 radiano ). O formato do eletrodo e a distância do alvo podem ser escolhidos de forma que toda a superfície do alvo seja bombardeada com íons. Tensões de aceleração de até 200 kV são alcançáveis.

Os íons passam pelo eletrodo de aceleração e atingem o alvo. Quando os íons atingem o alvo, 2–3 elétrons por íon são produzidos por emissão secundária. A fim de evitar que esses elétrons secundários sejam acelerados de volta para a fonte de íons, o eletrodo do acelerador é polarizado negativo em relação ao alvo. Essa tensão, chamada de tensão supressora, deve ser de pelo menos 500 volts e pode chegar a alguns quilovolts. A perda da tensão do supressor resultará em danos, possivelmente catastróficos, ao tubo de nêutrons.

Alguns tubos de nêutrons incorporam um eletrodo intermediário, chamado de eletrodo de foco ou extrator, para controlar o tamanho do ponto do feixe no alvo. A pressão do gás na fonte é regulada aquecendo ou resfriando o elemento do reservatório de gás.

Frequência de rádio (RF)

Os íons podem ser criados por elétrons formados em um campo eletromagnético de alta frequência. A descarga é formada em um tubo localizado entre os eletrodos, ou dentro de uma bobina . Mais de 90% da proporção de íons atômicos é alcançável.

Alvos

Os alvos usados em geradores de nêutrons são filmes finos de metal, como titânio , escândio ou zircônio, que são depositados sobre um substrato de prata , cobre ou molibdênio . Titânio, escândio e zircônio formam compostos químicos estáveis chamados hidretos de metal quando combinados com hidrogênio ou seus isótopos. Esses hidretos metálicos são compostos de dois átomos de hidrogênio ( deutério ou trítio ) por átomo de metal e permitem que o alvo tenha densidades extremamente altas de hidrogênio. Isso é importante para maximizar o rendimento de nêutrons do tubo de nêutrons. O elemento reservatório de gás também usa hidretos de metal, por exemplo , hidreto de urânio , como o material ativo.

O titânio é preferível ao zircônio, pois pode suportar temperaturas mais altas (200 ° C) e oferece maior rendimento de nêutrons, pois captura deutério melhor do que o zircônio. A temperatura máxima permitida para o alvo, acima da qual os isótopos de hidrogênio sofrem dessorção e escapam do material, limita a corrente de íons por unidade de superfície do alvo; feixes ligeiramente divergentes são, portanto, usados. Um feixe de iões 1 microampere acelerado a 200 kV para um alvo de titânio com trítio pode gerar até 10 ⁸ neutrões por segundo. O rendimento de nêutrons é determinado principalmente pela voltagem de aceleração e o nível de corrente de íons.

Um exemplo de alvo de trítio em uso é um disco de prata de 0,2 mm de espessura com uma camada de titânio de 1 micrômetro depositada em sua superfície; o titânio é então saturado com trítio.

Metais com difusão de hidrogênio suficientemente baixa podem ser transformados em alvos de deutério pelo bombardeio de deutérios até que o metal esteja saturado. Os alvos de ouro nessas condições apresentam eficiência quatro vezes maior do que o titânio. Resultados ainda melhores podem ser alcançados com alvos feitos de uma película fina de um metal de alta absorção e alta difusividade (por exemplo, titânio) em um substrato com baixa difusividade de hidrogênio (por exemplo, prata), pois o hidrogênio é então concentrado na camada superior e pode não se difundir na massa do material. Usando uma mistura de gás deutério-trítio, alvos DT de auto-reabastecimento podem ser feitos. O rendimento de nêutrons de tais alvos é menor do que os alvos saturados com trítio em feixes de deuteron, mas sua vantagem é uma vida útil muito mais longa e um nível constante de produção de nêutrons. Os alvos de auto-reabastecimento também são tolerantes ao bake-out de alta temperatura dos tubos, pois sua saturação com isótopos de hidrogênio é realizada após o bakeout e a selagem dos tubos.

Fontes de alimentação de alta tensão

Uma abordagem particularmente interessante para gerar os campos de alta tensão necessários para acelerar íons em um tubo de nêutrons é usar um cristal piroelétrico . Em abril de 2005, pesquisadores da UCLA demonstraram o uso de um cristal piroelétrico termicamente ciclado para gerar altos campos elétricos em uma aplicação de gerador de nêutrons. Em fevereiro de 2006, pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute demonstraram o uso de dois cristais de pólos opostos para esta aplicação. Usando essas fontes de alimentação de baixa tecnologia, é possível gerar um gradiente de campo elétrico suficientemente alto através de uma lacuna de aceleração para acelerar os íons de deutério em um alvo deuterado para produzir a reação de fusão D + D. Esses dispositivos são semelhantes em seu princípio de operação aos geradores de nêutrons de tubo selado convencionais que normalmente usam fontes de alimentação de alta tensão do tipo Cockcroft-Walton . A novidade dessa abordagem está na simplicidade da fonte de alta tensão. Infelizmente, a corrente de aceleração relativamente baixa que os cristais piroelétricos podem gerar, junto com as modestas frequências de pulsação que podem ser alcançadas (alguns ciclos por minuto), limita sua aplicação a curto prazo em comparação com os produtos comerciais de hoje (veja abaixo). Veja também fusão piroelétrica .

Outras tecnologias

Além do projeto do gerador de nêutrons convencional descrito acima, existem várias outras abordagens para usar sistemas elétricos para a produção de nêutrons.

Confinamento eletrostático inercial / fusor

Outro tipo de gerador de nêutrons inovador é o dispositivo de fusão por confinamento eletrostático inercial . Este gerador de nêutrons evita o uso de um alvo sólido que será erodido por sputter causando metalização de superfícies isolantes. O esgotamento do gás reagente dentro do alvo sólido também é evitado. Consegue-se uma vida útil operacional muito maior. Originalmente chamado de fusor, foi inventado por Philo Farnsworth , o inventor da televisão eletrônica .

Veja também

Referências

links externos

Chichester, DL; Simpson, JD (2003). "Geradores de nêutrons compactos do acelerador" (PDF) . The Industrial Physicist . 9 (6): 22–25. Arquivado do original (PDF) em 08/09/2013.
Elizondo-Decanini, JM; Schmale, D .; Cich, M .; Martinez, M .; Youngman, K .; Senkow, M .; Kiff, S .; Steele, J .; Goeke, R .; Wroblewski, B .; Desko, J .; Dragt, AJ (2012). "Novo Gerador de Nêutrons Montado na Superfície". IEEE Transactions on Plasma Science . 40 (9): 2145–2150. Bibcode : 2012ITPS ... 40.2145E . doi : 10.1109 / TPS.2012.2204278 . S2CID 20593594 .
"Laboratórios Nacionais Sandia" .

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