중성자 발생기

중성자 발생기(Neutron generator) 또는 중성자원은 소형 선형입자가속기를 포함하는 중성자원 장치이며, 수소 동위 원소를 융합하여 중성자를 생성한다. 이 장치에서는 중수소, 삼중수소 또는 이 두 동위 원소의 혼합물을 가속하여 중수소, 삼중수소 또는 이들 동위 원소의 혼합물을 포함하는 금속 수소화물 표적에 충돌시켜 핵융합 반응이 일어난다. 중수소 원자(D + D)의 융합은 헬륨-3 이온과 약 2.5 MeV의 운동 에너지를 가진 중성자를 생성한다. 중수소 원자와 삼중수소 원자(D + T)의 융합은 헬륨-4 이온과 약 14.1 MeV의 운동 에너지를 가진 중성자를 생성한다. 중성자 발생기는 의학, 보안 및 재료 분석 분야에 응용된다.

기본 개념은 1930년대 초 캐번디시 연구소에서 어니스트 러더퍼드 팀에 의해 처음 개발되었다. 콕크로프트-월턴 발생기로 구동되는 선형 가속기를 사용하여 마크 올리펀트는 중수소가 주입된 금속박에 중수소 이온을 발사하는 실험을 주도했으며, 이 입자 중 소수가 알파 입자를 방출한다는 것을 발견했다. 이것은 핵융합의 첫 번째 시연이었으며, 이러한 반응에서 생성된 헬륨-3와 삼중수소의 첫 번째 발견이기도 했다. 새로운 전원의 도입으로 이 기계의 크기는 지속적으로 줄어들어, 실험실 한 모퉁이를 차지했던 올리펀트의 기계에서 고도로 휴대 가능한 현대 기계에 이르렀다. 1960년대 이래로 수천 개의 이러한 작고 비교적 저렴한 시스템이 구축되었다.

중성자 발생기는 핵융합 반응을 생성하지만, 이러한 반응을 일으키는 가속 이온의 수는 매우 적다. 이러한 반응에서 방출되는 에너지가 이온을 가속하는 데 필요한 에너지보다 훨씬 낮다는 것을 쉽게 알 수 있으므로, 이 기계가 순수 핵융합 발전을 생성하는 데 사용될 가능성은 없다. 관련 개념인 충돌 빔 핵융합은 두 개의 가속기를 서로 향해 발사함으로써 이 문제를 해결하려고 시도한다.

섬네일|샌디아 국립 연구소에서 발명가가 테스트한 가장 간단한 형태의 뉴트리스터.

중성자 발생기 이론 및 작동

중수소(D, 수소-2, 2H) 삼중수소(T, 수소-3, 3H) 핵융합 반응을 사용하는 소형 중성자 발생기는 가장 일반적인 가속기 기반(방사성 동위 원소와 반대) 중성자원이다. 이 시스템에서는 중수소, 삼중수소 또는 중수소와 삼중수소의 이온을 생성하고 이를 중수소 또는 중수소와 삼중수소가 채워진 수소화물 표적에 가속하여 중성자를 생성한다. DT 반응은 DD 반응보다 DT 반응의 수율이 50-100배 높기 때문에 DD 반응보다 더 많이 사용된다.

D + T → n + 4He  En = 14.1 MeV

D + D → n + 3He  En = 2.5 MeV

DD 및 DT 반응에 의해 생성된 중성자는 표적에서 다소 비등방적으로 방출되며, (이온 빔의 축을 따라) 전방 방향으로 약간 편향된다. DD 및 DT 반응에서 중성자 방출의 비등방성은 반응이 등방적인 (COM) 질량 중심 좌표계에서 발생하지만, 이 등방성은 COM 좌표계에서 실험실 좌표계로의 변환에서 상실된다는 사실에서 비롯된다. 두 참조 프레임 모두에서 He 핵은 운동량 보존 법칙에 따라 방출된 중성자와 반대 방향으로 반동한다.

중성자관 이온원 영역의 가스 압력은 일반적으로 0.1에서 0.01 mm Hg 사이이다. 전자의 평균 자유 거리는 이온화를 달성하기 위해 방전 공간보다 짧아야 하며(압력의 하한), 전극 사이에 인가되는 높은 추출 전압에서 방전 형성을 피하기 위해 압력을 충분히 낮게 유지해야 한다. 그러나 가속 영역의 압력은 훨씬 낮아야 하는데, 높은 전압 전극 사이에서 방전 형성을 방지하기 위해 전자의 평균 자유 거리가 더 길어야 하기 때문이다.

이온 가속기는 일반적으로 원통 대칭을 갖는 여러 전극으로 구성되며, 이는 아인첼 렌즈 역할을 한다. 따라서 이온 빔은 표적의 작은 점에 집중될 수 있다. 가속기는 일반적으로 100–500kV의 전원 공급 장치를 필요로 한다. 일반적으로 전계 방출을 방지하기 위해 단계 간 전압이 200 kV를 초과하지 않도록 여러 단계를 갖는다.

방사성핵종 중성자원에 비해 중성자관은 훨씬 높은 중성자 플럭스를 생성할 수 있으며 일관된(단색) 중성자 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있다. 중성자 생성 속도도 제어할 수 있다.

밀봉 중성자관

중성자 발생기의 핵심 부분은 중성자관이라고도 불리는 입자 가속기 자체이다. 중성자관은 이온원, 이온 광학 요소, 빔 표적을 포함한 여러 구성 요소를 가지며, 이 모든 것은 진공 밀봉된 인클로저 내에 밀봉되어 있다. 튜브의 이온 광학 요소 사이의 고전압 절연은 유리 및 세라믹 절연체에 의해 제공된다. 중성자관은 다시 금속 하우징인 가속기 헤드에 둘러싸여 있으며, 이 헤드는 튜브의 고전압 요소를 작동 영역으로부터 절연하기 위해 유전체 매체로 채워져 있다. 가속기와 이온원의 고전압은 외부 전원 공급 장치에 의해 제공된다. 제어 콘솔은 작업자가 중성자관의 작동 매개변수를 조정할 수 있도록 한다. 전원 공급 장치와 제어 장비는 일반적으로 실험실 장비의 가속기 헤드에서  이내에 위치하지만, 유정 로깅 장비에서는 몇 킬로미터 떨어져 있을 수도 있다.

이전의 중성자관과 비교하여 밀봉 중성자관은 작동을 위해 진공펌프와 가스원을 필요로 하지 않는다. 따라서 더 이동성이 좋고 소형이며, 내구성이 있고 신뢰할 수 있다. 예를 들어, 밀봉 중성자관은 현대 핵무기의 내파 핵에 중성자 펄스를 공급하는 데 사용되는 방사성 조절 중성자 개시자를 대체했다.

중성자관 아이디어의 예시는 1930년대, 핵무기 이전 시대에 독일 과학자들이 1938년 독일 특허(1938년 3월, 특허 번호 261,156)를 출원하고 미국 특허(1941년 7월, USP #2,251,190)를 획득한 것까지 거슬러 올라간다. 현재 최첨단 기술의 예시는 뉴트리스터와 같은 개발에서 찾을 수 있다. 뉴트리스터는 샌디아 국립 연구소에서 발명된 컴퓨터 칩과 유사한 대부분 고체 상태 장치이다. 일반적인 밀봉 설계는 펄스 모드로 사용되며 이온원과 장전된 표적의 수명에 따라 다른 출력 수준에서 작동할 수 있다.

섬네일|테스트 준비가 된 저렴한 진공 밀봉 패키지의 뉴트리스터.

이온원

좋은 이온원은 많은 가스를 소비하지 않고 강한 이온 빔을 제공해야 한다. 수소 동위 원소의 경우, 충돌 시 원자 이온이 분자 이온보다 더 높은 중성자 수율을 가지므로 원자 이온의 생성이 선호된다. 이온원에서 생성된 이온은 전기장에 의해 가속 영역으로 추출되어 표적을 향해 가속된다. 가스 소비는 주로 이온 생성 공간과 이온 가속 공간 사이의 유지되어야 하는 압력 차이로 인해 발생한다. 40 cm3/시간의 가스 소비량으로 10 mA의 이온 전류를 달성할 수 있다.

밀봉된 중성자관의 경우, 이상적인 이온원은 낮은 가스 압력을 사용하고, 원자 이온의 비율이 높은 높은 이온 전류를 제공하며, 낮은 가스 청소, 낮은 전력 사용, 높은 신뢰성 및 긴 수명을 가져야 하며, 구조는 간단하고 견고해야 하며 유지 보수 요구 사항은 낮아야 한다.

가스는 지르코늄 와이어의 전기 가열 코일인 보충 장치에 효율적으로 저장될 수 있다. 온도는 금속에 의한 수소 흡수/탈착 속도를 결정하며, 이는 인클로저의 압력을 조절한다.

냉음극 (페닝)

페닝 소스는 교차하는 전기장과 자기장을 활용하는 낮은 가스 압력의 냉음극관 이온원이다. 이온원 양극은 직류 또는 펄스 방식으로 소스 음극에 대해 양의 전위에 있다. 이온원 전압은 일반적으로 2~7킬로볼트이다. 소스 축에 평행하게 정렬된 자기장은 영구 자석에 의해 생성된다. 양극 축을 따라 플라스마가 형성되어 전자를 포획하고, 이 전자는 다시 소스 내부의 가스를 이온화한다. 이온은 출구 음극을 통해 추출된다. 정상 작동 시, 페닝 소스에 의해 생성되는 이온 종은 90% 이상이 분자 이온이다. 그러나 이 단점은 시스템의 다른 장점들로 상쇄된다.

음극 중 하나는 연철로 만든 컵으로, 방전 공간의 대부분을 감싸고 있다. 컵 바닥에는 생성된 이온의 대부분이 자기장에 의해 가속 공간으로 방출되는 구멍이 있다. 연철은 가속 공간을 자기장으로부터 차폐하여 고장을 방지한다.

출구 음극에서 나오는 이온은 출구 음극과 가속기 전극 사이의 전위차를 통해 가속된다. 회로는 출구 음극이 접지 전위에 있고 표적이 높은 (음의) 전위에 있음을 나타낸다. 이는 많은 밀봉관 중성자 발생기에서 해당된다. 그러나 시료에 최대 플럭스를 전달하고자 하는 경우, 표적을 접지하고 소스를 높은 (양의) 전위에 띄워서 중성자관을 작동하는 것이 바람직하다. 가속기 전압은 일반적으로 80~180킬로볼트이다.

가속 전극은 긴 속이 빈 원통형 모양을 가지고 있다. 이온 빔은 약간 발산하는 각도(약 0.1 라디안)를 가진다. 전극 모양과 표적과의 거리는 전체 표적 표면이 이온으로 폭격되도록 선택할 수 있다. 최대 200 kV의 가속 전압을 달성할 수 있다.

이온은 가속 전극을 통과하여 표적에 충돌한다. 이온이 표적에 충돌하면 이차 방출에 의해 이온당 2-3개의 전자가 생성된다. 이 이차 전자가 이온원으로 다시 가속되는 것을 방지하기 위해 가속기 전극은 표적에 대해 음으로 편향된다. 억제 전압이라고 불리는 이 전압은 최소 500볼트여야 하며 몇 킬로볼트까지 높을 수 있다. 억제 전압의 손실은 중성자관에 손상, 잠재적으로 치명적인 손상을 초래할 것이다.

일부 중성자관은 표적에 빔 스팟의 크기를 제어하기 위해 초점 또는 추출 전극이라고 불리는 중간 전극을 통합한다. 소스 내 가스 압력은 가스 저장소 요소를 가열하거나 냉각함으로써 조절된다.

무선 주파수 (RF)
이온은 고주파 전자기장에서 형성된 전자에 의해 생성될 수 있다. 방전은 전극 사이에 위치한 튜브 또는 코일 내에서 형성된다. 90% 이상의 원자 이온 비율을 달성할 수 있다.

표적

중성자 발생기에 사용되는 표적은 은, 구리 또는 몰리브데넘 기판에 증착된 타이타늄, 스칸듐 또는 지르코늄과 같은 금속의 박막이다. 타이타늄, 스칸듐 및 지르코늄은 수소 또는 그 동위 원소와 결합할 때 금속 수소화물이라는 안정적인 화학 화합물을 형성한다. 이 금속 수소화물은 금속 원자당 두 개의 수소(중수소 또는 삼중수소) 원자로 구성되어 표적이 극도로 높은 수소 밀도를 가질 수 있도록 한다. 이는 중성자관의 중성자 수율을 최대화하는 데 중요하다. 가스 저장소 요소도 활성 물질로 수소화 우라늄과 같은 금속 수소화물을 사용한다.

타이타늄은 지르코늄보다 높은 온도(200 °C)를 견딜 수 있고, 지르코늄보다 중양성자를 더 잘 포획하여 더 높은 중성자 수율을 제공하므로 지르코늄보다 선호된다. 수소 동위 원소가 탈착되어 재료에서 빠져나가는 표적의 최대 허용 온도는 표적의 표면 단위당 이온 전류를 제한한다. 따라서 약간 발산하는 빔이 사용된다. 200 kV로 가속된 1 마이크로암페어 이온 빔이 타이타늄-삼중수소 표적에 충돌하면 초당 최대 108개의 중성자를 생성할 수 있다. 중성자 수율은 주로 가속 전압과 이온 전류 수준에 의해 결정된다.

사용 중인 삼중수소 표적의 한 예는 표면에 1 마이크로미터 두께의 타이타늄 층이 증착된 0.2 mm 두께의 은 디스크이다. 타이타늄은 그 후 삼중수소로 포화된다.

수소 확산이 충분히 낮은 금속은 중양성자 폭격으로 금속이 포화될 때까지 중수소 표적으로 만들 수 있다. 이러한 조건에서 금 표적은 타이타늄보다 4배 높은 효율을 보인다. 수소 흡수율이 높고 확산성이 높은 금속(예: 타이타늄)의 얇은 막을 수소 확산성이 낮은 기판(예: 은) 위에 사용하여 더 좋은 결과를 얻을 수 있다. 이렇게 하면 수소가 최상층에 집중되고 재료의 내부로 확산되지 않는다. 중수소-삼중수소 가스 혼합물을 사용하여 자체 보충 D-T 표적을 만들 수 있다. 이러한 표적의 중성자 수율은 중수소 빔의 삼중수소 포화 표적보다 낮지만, 훨씬 긴 수명과 일정한 중성자 생성 수준이라는 장점이 있다. 자체 보충 표적은 또한 튜브의 고온 베이킹에도 견딜 수 있다. 왜냐하면 수소 동위 원소로의 포화는 베이킹 및 튜브 밀봉 후에 수행되기 때문이다.

고전압 전원 공급 장치
중성자관에서 이온을 가속하는 데 필요한 고전압장을 생성하는 한 가지 방법은 초전결정을 사용하는 것이다. 2005년 4월, UCLA의 연구원들은 열 주기 초전 결정을 사용하여 중성자 발생기 응용 분야에서 높은 전기장을 생성하는 것을 시연했다. 2006년 2월, 렌슬리어 공과대학교의 연구원들은 이 응용 분야에 대해 두 개의 반대 극성을 가진 결정을 사용하는 것을 시연했다. 이러한 저기술 전원 공급 장치를 사용하여 가속 간격에 충분히 높은 전기장 기울기를 생성하여 중수소 이온을 중수소화된 표적으로 가속시켜 D + D 핵융합 반응을 생성할 수 있다. 이 장치들은 일반적으로 콕크로프트-월턴 발생기 유형의 고전압 전원 공급 장치를 사용하는 기존의 밀봉관 중성자 발생기와 작동 원리가 유사하다. 이 접근 방식의 참신함은 고전압 소스의 단순성에 있다. 불행히도, 초전 결정이 생성할 수 있는 비교적 낮은 가속 전류와 달성할 수 있는 적당한 펄스 주파수(분당 몇 주기)는 오늘날의 상업용 제품과 비교할 때 단기적인 응용을 제한한다(아래 참조). 초전 핵융합도 참조하십시오.

기타 기술

위에서 설명한 기존 중성자 발생기 설계 외에도 중성자 생성을 위한 전기 시스템을 사용하는 몇 가지 다른 접근 방식이 존재한다.

관성 정전기 밀봉/퓨저

또 다른 혁신적인 중성자 발생기 유형은 관성 정전기 밀봉 핵융합 장치이다. 이 중성자 발생기는 절연 표면의 금속화를 유발하는 스퍼터 침식될 고체 표적을 사용하지 않는다. 또한 고체 표적 내 반응물 가스의 고갈도 피한다. 훨씬 더 긴 작동 수명이 달성된다. 원래 퓨저라고 불렸으며, 필로 판즈워스가 발명했다.

 응용 분야 

중성자 발생기는 반도체 생산 산업에 응용된다. 또한 감손 우라늄 농축, 증식로 가속, 실험용 토륨 원자로 활성화 및 여기에도 사용된다.

재료 분석에서는 중성자 방사화 분석이 광물이나 광석과 같은 혼합 재료의 다양한 원소 농도를 결정하는 데 사용된다.

 같이 보기 

 고속중성자
 핵분열
 핵융합
 중성자원
 중성자 감속재
 방사성 붕괴
 저속 중성자
 제타트론

 각주 

 외부 링크 

분류:핵융합
분류:방전관
분류:방사선 치료