КОММУТИРУЕМЫЙ ИЗОТОПНЫЙ НЕЙТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

1. Область техники и предполагаемая область использования.
Предполагаемая полезная модель относится к области экспериментальной ядерной физики, конкретно к изотопным нейтронным источникам и может быть использована в приложениях ядерных технологий, таких как контроль наличия делящихся материалов, нейтронный активационный анализ, поиск взрывчатых и наркотических веществ.
2. Уровень техники.
Существующие нейтронные источники можно классифицировать следующим образом:
- изотопные нейтронные источники
- источники на основе ускорителей заряженных частиц
- источники спонтанного деления
- ядерные реакторы и ядерные взрывы
Они отличаются спектром излучения, присутствием других видов излучения, импульсным или стационарным характером действия. Применение того или другою источника в различных приложениях ядерных технологий обусловлено конкретными требованиями технологического процесса.
С точки зрения поставленной задачи интересны источники 1 и 2 типа, поскольку они допускают создание коммутируемого источника нейтронов. К этому типу источников относятся устройства - аналоги и прототип. Источник нейтронов спонтанного деления в принципе не может быть выполнен в переключаемом варианте, исходя из физики образования в нем нейтронов. Ядерный взрыв является источником однократного действия, а ядерные реакторы - существенно более сложные устройства, чем источники 1 и 2 типа, как с точки зрения технологии их создания, так и управления ими.
2.1. Устройства-аналоги.
Нейтроны в изотопных нейтронных источниках получаются при облучении некоторых легких ядер альфа-частицами или гамма-квантами радиоактивных изотопов. Исторически эти источники были первыми источниками нейтронов и широко применяются в настоящее время.
Источники типа (α, n) как правило бывают двух типов /М.А.Бак, Н.С.Шиманская. Нейтронные источники. М. Aтомиздат. 1969 г., с.30/:
- однородная смесь с веществом-мишенью, на ядрах которого происходит реакция образования нейтронов,
- плоский источник, в котором слой альфа-излучателя размещен на плоской подложке и закрыт пластинкой вещества-мишени.
Эти источники действуют непрерывно, испуская в единицу времени в первом приближении постоянное количество нейтронов, определяемое конструкцией источнику. Величина выхода нейтронов из источника является его важнейшей характеристикой, обеспечивая получение количественных результатов в проводимых измерениях.
Изотопные источники непрерывного действия требуют громоздкой защиты обслуживающего персонала от испускаемого ими излучения, в том числе и тогда, когда они не используются, например, при транспортировке.
В источниках на основе ускорителей заряженных частиц /М.А.Бак, Н.С.Шиманская. Нейтронные источники. М. Aтомиздат. 1969 г., с.4/ используются реакции образования нейтронов в результате взаимодействия ускоренных протонов, дейтонов или альфа-частиц с ядрами мишени. Заряженные частицы ускоряются при прохождении через камеру, в которой создано ускоряющее электрическое поле. При выключении ускоряющего напряжения образование нейтронов прекращается (источник выключается). В камерах должен поддерживаться высокий вакуум с целью устранения рассеяния частиц на молекулах остаточного газа.
Во включенном состоянии количество испускаемых нейтронов (выход) определяется типом ускоряемых частиц, веществом мишени и режимом ускорения. Как правило, выход нейтронов меняется от включения к включению и измеряется специальным измерительным комплексом.
Ускорители требуют для надежной и стабильной работы громоздкого вакуумного оборудования, мощного источника энергии для источника высоковольтного питания и высокой квалификации обслуживающего персонала.
2.2. Устройство-прототип.
Наиболее близким (прототипом) является выключаемый радиоактивный нейтронный источник, описанный в патенте США №4829191 (опубликован 9 мая 1989 г). Этот источник является источником (генератором) нейтронов управляемого (коммутируемого) типа.
Источник содержит две пластины. Первая имеет секцию, на которую нанесен альфа-излучатель (источник альфа-частиц), вторая имеет секцию, на которую нанесен материал мишени, где возникают нейтроны при поглощении альфа-частиц, т.е. мишень выполнена из материала, способного к (α, n) реакции под действием альфа-частиц, испускаемых источником. В процессе работы источника поток альфа-частиц, попадающих на мишень, регулируется следующим образом. При относительном вращении пластин происходит периодическое совмещение альфа-излучающей секции первой пластины с секцией-мишенью второй пластины, сопровождаемое возникновением потока нейтронов (положение «включено»). При выведении пластин из этого положения (несовпадение пары источник - мишень - положение «выключено») производство нейтронов прекращается. Источник достаточно безопасен при использовании, благодаря герметичному корпусу.
Недостатком устройства является отсутствие фиксации геометрического положения пластин относительно друг друга, в связи с чем величина выхода нейтронов в положении «включено» не является фиксированной.
3. Сущность полезной модели.
Задача состоит в создании достаточно безопасного в использовании коммутируемого изотопного нейтронного генератора (КИНГ) с фиксированной величиной выхода нейтронов от включения к включению, что является необходимым при проведении количественных измерений с использованием источника нейтронов.
Техническим результатом является обеспечение постоянства (фиксированной величины) выхода нейтронов коммутируемого источника от включения к включению при безопасности использования.
Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного коммутируемого изотопного нейтронного генератора, содержащего источник альфа-частиц и мишень, выполненную из материала, способного к (α, n) реакции,
установленные друг относительно друга с возможностью регулирования потока альфа-частиц на мишень, в предлагаемом приемная поверхность мишени зафиксирована с зазором напротив излучающей поверхности источника альфа-частиц, геометрически подобной приемной поверхности мишени, возможность регулирования потока альфа-частиц на мишень обеспечена посредством подвижного экрана-затвора, выполненного из материала, полностью поглощающего альфа-частицы, и установленного с возможностью размещения в зазоре между мишенью и источником альфа-частиц и вне его с фиксацией положения.
Также, управляемый источник нейтронов - КИНГ может быть заключен в герметичный корпус.
Конкретно, он может быть выполнен таким образом, что экран-затвор снабжен элементом из магнитомягкого материала, который связан с электромагнитным приводом, позволяющим фиксировать положении экрана вне зазора, и упругим элементом, позволяющим фиксировать положение экрана внутри зазора, корпус при этом должен быть выполнен из немагнитного материала.
То есть, неподвижное закрепление с зазором друг относительно друга обращенных навстречу, геометрически подобных поверхностей альфа-излучателя (источника альфа-частиц) и мишени, обеспечивающее их расположение в фиксированной геометрии относительно друг друга, в сочетании с введением в устройство подвижного экрана - затвора, обладающего возможностью размещения в зазоре и фиксации в положениях внутри и вне зазора, позволяют обеспечить неизменность геометрии источника нейтронов и, следовательно, неизменность выхода нейтронов КИНГ от включения к включению.
Экран-затвор выполнен из материала, в котором не рождаются нейтроны под действием альфа-излучения. Он должен иметь толщину более максимального пробега альфа-частиц в материале затвора, чтобы обеспечить полное поглощение альфа-частиц.
Размещение альфа-излучателя, мишени и экрана - затвора в герметичном корпусе препятствует попаданию альфа-излучения в окружающую среду и тем самым обеспечивает безопасность использования источника, в том числе экологическую.
При реализации источника нейтронов с электромагнитным приводом в положении «выключено» (затвор между пластинами альфа-излучателя и мишени) экран может удерживаться (фиксироваться) одним или несколькими упругими элементами, что исключает возможность случайного смещения экрана-затвора в положение «включено» при изменении положения источника в пространстве (например, при транспортировке). В положение «включено» экран-затвор переводится под действием электромагнита,
который при своем включении перемещает элемент из магнитомягкого материала, жестко прикрепленный к экрану-затвору. Такой механизм включения источника гарантирует фиксированный выход нейтронов из источника в положении «включено» и практическое отсутствие выхода нейтронов из источника в положении «выключено» и, следовательно, безопасность источника при транспортировке в любом положении. Выполнение корпуса герметичным из немагнитного материала (например, нержавеющей стали) позволяет обеспечить управление выходом источника с помощью электромагнитного привода.
Дополнительно электромагнитный привод в сочетании с упругим элементом обеспечивает возможность функционирования источника в квазиимпульсном режиме, что существенно для ряда приложений.
4. Перечень фигур и графических изображений.
На фиг.1 приведена схема генератора в разрезе в положении «выключено»,
где 1 - мишень,
2 - альфа-излучатель (источник альфа-частиц),
3 - экран-затвор, размещенный в зазоре,
4 - элемент из магнитомягкого материала,
5 - упругий элемент,
6 - электромагнит,
7 - корпус генератора.
На фиг.2 приведена схема генератора в разрезе в положении «включено», с теми же обозначениями (3 - экран-затвор, размещенный вне зазора).
На фиг.3 приведена таблица альфа-излучающих изотопов и их свойств.
На фиг.4 схематично показано устройство демонстрационного макета в положении включено.
На фиг.5 приведена таблица результатов измерения выхода нейтронов из макета КИНГ.
5. Сведения, подтверждающие возможность достижения техническою результата.
210
6
6
В качестве мишени могут быть применены обладающие наибольшим нейтронным выходом в области энергий альфа-частиц около 5.3 МэВ Be и В. Выход нейтронов (α, n)-реакции с альфа-излучателем Ро (энергия альфа-частиц около 5.3 МэВ) составляет для них 70 н/10 α-частиц и 24 н/10 α-частиц соответственно /В.В.Фролов. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. М. Энергоатомиздат. 1989 г/. При этом следует учесть, что источник с Ве-мишенью имеет среднюю энергию нейтронов 4.5 МэВ и сопутствующее гамма-излучение с энергией 4,43 МэВ. Источник с В-мишенью имеет среднюю энергию нейтронов 2.7 МэВ и значительно более слабое гамма-излучение /М.Л.Бак, Н.С.Шиманская. Нейтронные источники. М. Aтомиздат. 1969 г./.
Подходящие для использования в источнике альфа-радиоактивные изотопы должны обладать следующими свойствами:
- период полураспада, достаточно длинный, чтобы обеспечить использование источника в течение нескольких лет, и, в то же время, достаточно короткий, чтобы альфа-активность на грамм была достаточно высокой для получения необходимого выхода нейтронов в используемой мишени,
- малую эмиссию нейтронов спонтанного деления но сравнению с выходом нейтронов из источника по реакции (α, n),
- малый уровень гамма-излучения, сопровождающего распад,
- отсутствие заметного вклада нежелательного излучения от дочерних продуктов,
- приемлемую цену за грамм и доступность для производства.
Возможные для использования изотопы и их свойства приведены в таблице, приведенной на фиг.3 /В.В.Фролов. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. М. Энергоатомиздат. 1989 г.; K.L.Hertz, N.R.Hilton, J.C.Lund, J.M.Van Scyoc. Alfa-emitting radioisotopes for switchable neutron generators. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 505, p.41-45, 2003./
Выход нейтронов для тонкого слоя альфа-излучателя рассчитывается но формуле
Величина  Ω есть эффективный телесный угол выхода частиц из излучателя и попадания их на бериллиевую мишень. Для тонкого слоя альфа-излучателя при расположении пластин вплотную друг к другу этот множитель равен 1/2.
238
4
241
3
2
2
Для окисей надо учесть образование нейтронов на кислороде, для PuО - 1,3*10 н/с*г, для AmО - 2,5*10 н/с*г.
238
5
2
2
Для 10 мг PuО и мишени Be выход около (1-2)*10 н/с, на кислороде 1,3*10 Н/с и нейтроны спонтанного деления - 26 н/с.
243
Возможным для использования изотопом является также Cm, но он менее доступен, чем приведенные в таблице.
238
241
241
Уровень гамма-излучения от этих изотопов в выключенном состоянии источника пренебрежимо мал, что обеспечивает безопасность обращения с источником в выключенном состоянии. В состоянии «выключено» гамма излучение источника с изотопом Pu состоит в основном из одной очень мягкой линии с энергией около 45 кэВ. Миллиметровый свинцовый фильтр полностью поглощает его, так же как и характеристическое рентгеновское излучение. В гамма-спектре Am нет линий с энергией большей 370 кэВ. Наибольшую интенсивность имеют линии 60 кэВ и 26 кэВ с абсолютными выходами 36% и 2.5% соответственно. Свинцовый фильтр толщиной 1 мм уменьшает интенсивность гамма-излучения Am примерно в 50 раз /М.А.Бак, Н.C.Шиманская. Нейтронные источники. М. Атомиздат. 1969 г./
Фиксированная величина выхода нейтронов от включения к включению позволяет использовать источник при проведении количественных измерений в качестве эталонною источника.
4
Исследовался демонстрационный образец (макет) коммутируемого нейтронного генератора с расчетным выходом нейтронов <10 н/с, что достаточно для измерений основных характеристик КИНГ.
На фиг.4 показано устройство демонстрационного макета. Движение экрана затвора может быть обеспечено в соответствии со схемами на фиг.1, 2. Для упрощения конструкции электромагнитный привод затвора не изготовлялся, перекрытие потока частиц осуществлялось перемещением затвора вручную.
Демонстрационный образец КИНГ представляет собой цилиндрическую кассету (корпус) (7) из оргстекла диаметром 66 мм и высотой 40 мм. Внутри корпуса размещены:
- бериллиевая мишень в виде диска диаметром 20 мм и толщиной 0.13 мм (1)
238
2
- излучатель альфа-частиц (слой PuО) (2),
- и экран-затвор из нержавеющей стали толщиной 1.2 мм в виде полоски длиной 70 мм и шириной 32 мм (3)
238
2
Расстояние (зазор) Н между слоем-излучателем и бериллиевым диском было выбрано равным Н=7.17 мм. В качестве излучателя (источника) альфа-частиц в макете использовались 4 тонких слоя окиси радиоактивного изотопа PuО, нанесенной на металлический диск из титана или тантала диаметром 24 мм и толщиной 0.2 мм. Диаметр «активного» пятна излучателя и мишени равен 18±0.2 мм. С излучателем №2 были проведены также измерения при расстоянии Н=2.87 мм. Во избежание самопроизвольного перемещения затвора, в конструкции образца предусмотрен стопорный винт, который фиксирует положение затвора внутри и вне зазора (в нерабочем и рабочем состоянии образца).
Расчет выхода нейтронов для геометрии эксперимента учитывал поглощение энергии альфа-частиц в воздушном промежутке и соответствующее снижение удельного выхода нейтронов из мишени.
6
6
Расчетный удельный выход из макета для расстояния между пластинами 0,717 см составляет 37,9 н/10 альфа-частиц, при расстоянии 2.87 мм - 56.4 н/10 альфа-частиц при величине эффективного телесного угла соответственно 0.146 и 0.272.
Сводная таблица результатов измерений (величина измеренного выхода и сравнение с расчетом) приведены в таблице на фнг.5
238
3
3
Полный выход нейтронов, генерируемых при зафиксированном положении подвижного экрана-затвора (3) вне зазора между источником альфа-частиц (2) и мишенью (1), при расстоянии (зазоре) между слоем Pu и бериллием, равном 11=7.17 мм, и массе плутония 844 мкг составляет (2.9±0.1)·10 н/c; при Н=2.87 мм и массе плутония 297 мкг - около (3.2±0.1)·10 н/c. Фиксация положения экрана в зазоре приводила к полному поглощению альфа - частиц в материале экрана и, соответственно, к выключению генератора нейтронов.
6
238
6
238
Для изготовленного в настоящей работе макета КИНГ, в диапазоне масс плутония от 60 до 844 мкг, среднее значение выхода нейтронов макета при Н=7.17 мм составило 3.7*10 н/с·г Pu, при H=2.87 мм - 10,8*10 н/ст Pu, что хорошо согласуется с расчетными значениями.
Фоновый выход нейтронов не превышает 1,5-2% от выхода нейтронов в состоянии «включено».
Измеренная мощность дозы гамма-излучения в положении «выключено» составила со стороны дна макета: вплотную 130 мкЗв/час, на расстоянии 20 см - 5 мкЗв/час.
Выход нейтронов из источника от измерения к измерению практически не изменяется, статистическая погрешность измерений выхода не превышает ~3%, что подтверждает возможность достижения фиксированной величины выхода.
238
Показано, что результаты измерений и расчетов выхода нейтронов макета КИНГ практически совпадают, что подтверждает справедливость оценки характеристик коммутируемого Pu-Ве источника нейтронов.
Таким образом, фиксированное относительное положение источника альфа-частиц и мишени (обращенных навстречу излучающей и приемной поверхностями при их геометрическом подобии), обеспечение возможности регулирования потока альфа-частиц между ними посредством введения в устройство подвижного экрана-затвора, установленного с возможностью расположения его в зазоре и вне зазора с фиксацией этих положений, позволило создать источник нейтронов с фиксированной величиной выхода нейтронов от включения к включению при безопасности его использования.