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Target
Die Erfindung bezieht sich auf Targets aus einem auf einer flachen Unterlage in dünner Schichte aufgebrachten, Wasserstoffisotope enthaltenden Metall. Unter"Target"versteht man Materiestückchen, - folien od. dgl., auf die man eine energiereiche Strahlung auftreffen lässt, um in ihnen Kernumwandlungen, künstliche Erzeugung von Elementarteilchen und ähnliche Vorgänge zu bewirken. Eine bekannte Kernumwandlung, die auch zur Neutronenerzeugung ausgenützt werden kann, ist der Beschuss von Tritium mit Protonen, der zur Bildung von He'und Neutronen führt.
Diese Reaktion erfordert jedoch sehr hoch beschleunigte Protonen, weshalb man in neuerer Zeit zur Neutronenproduktion in Teilchenbeschleunigern in zunehmendem Masse von der Reaktion H* (d, n) He Gebrauch gemacht hat, bei der auch bei Anwendung niedriger Beschleunigungsenergien hohe Ausbeuten an Neutronen erhalten werden können.
Bei der praktischen Auswertung dieser Reaktionen zur Neutronenproduktion werden meist dünne, mit Tritium H3 beladene Metallschichten mit Deuteronen d bzw. Protonen p beschossen. Selbstverständlich kann man auch die Targets mit beliebigen Wasserstoffisotopen beladen und den Beschuss mit beliebigen Ionen vornehmen. Als Metalle für die Reladung mit Wasserstoffisotopen werden vorzugsweise solche verwendet, die sich durch grosses Wasserstoffabsorptionsvermögen, thermische Beständigkeit des Systems Metall-Wasserstoffisotop sowie Beständigkeit dieses Systems beim Ionenbeschuss auszeichnen.
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terials wird zuerst zur Entfernung von Gasresten im Hochvakuum erhitzt, dann wird ein Wasserstoffisotop, meist Tritium, in die Vakuumapparatur eingelassen ; man lässt dann in der Tritiumatmosphäre abkühlen.
Bei der praktischen Anwendung zeigen diese Targets eine nur sehr kurze Lebensdauer, wobei schon nach wenigen Betriebsstunden, im allgemeinen nach 1.... 3 Stunden, der Tritiumgehalt im Target bereits auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes gesunken ist. Nach etwa 10 Stunden, gelegentlich auch früher, muss das Target gegen ein neues ersetzt werden. Dies führt zu Störungen des gewünschten kontinuierlichen Betriebes, zu Zeitverlusten beim Ersatz und zu erhöhten Kosten ; meistens wird auch die bei Verwendung solcher Tragets auftretende Zeitabhängigkeit der Neutronenausbeute als störend empfunden.
Die kurze Lebensdauer der bekannten Targets ist vor allem darauf zurückzuführen, dass beim Beschuss in den aussenliegenden Grenzzonen der Wasserstoffisotope enthaltenden Schichte, in welchen anfänglich die höchste Tritiumkonzentration vorliegt, eine besonders starke Entgasung eintritt. Während des Beschusses wird ferner Tritium durch das eintretende Deuterium verdrängt. Schliesslich zerstäubt ein Teil der das Tritium enthaltenden Metallschicht unter der Wirkung der aufprallenden Ionen ; bei unzureichender Kühlung, insbesondere bei Temperaturen über 150 C, tritt ferner eine erhöhte Diffusion des Tritiums ein.
Die bisherigen Versuche, die vorstehend geschilderten Nachteile zu vermeiden, bestehen im wesentlichen darin, als Metalle für die Beladung mit Wasserstoffisotopen Titan zu verwenden, da dieses höhere Betriebstemperaturen als Zirkon zulässt. Unabhängig davon wurde versucht, durch Variation der Methoden für das Aufdampfen der Metalle die Aufnahmefähigkeit der Metallschicht für Wasserstoffisotopen zu ver- grössern. Bisher ist es jedoch nicht gelungen, die Gebrauchsdauer der Targets zu erhöhen. Man kann zwar eine gewisse Verbesserung dadurch erreichen, dass man den Strahldurchmesser, z. B. jenen des Deuteronenstrahles, möglichst gross wählt und annähernd gleich dem Durchmesser des Targets macht, wodurch die Flächenbelastung des Targets nach Tunlichkeit klein gehalten werden kann.
Diese Methode erfordert jedoch besondere Massnahmen bei der Deuteronenerzeugung ; ausserdem sind die damit zu erzielenden Verbesserungen nur gering.
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Es wurde nun gefunden, dass man Targets der eingangs erwähnten Art dadurch länger gebrauchsfähig erhalten kann, indem man die Aussenfläche der Wasserstoffisotope enthaltenden Metallschicht mit einer wasserstoffundurchlässigen, haftfesten und beschussbeständigen Schutzschichte versieht, welche die Was- serstoffisotope enthaltende Metallschicht nach aussen hin lückenlos abdeckt.
Die erfindungsgemässen Targets erlauben es, bei möglichst geringem Energieverlust der Deuteronen oder anderer verwendeter Ionen die Zerstäubung der Metallschicht durch den Ionenstrahl und auch die
Diffusion von Wasserstoffisotopen möglichst gering zu halten. Ein Energieverlust der eingestrahlten Ionen kann durch entsprechende Wahl der Dicke der Schutzschicht sehr niedrig gehalten werden ; durch die
Schutzschicht wird eine Zerstörung der Wasserstoffisotope enthaltenden Metallschicht hintangehalten und ein Verlust an Wasserstoffisotopen, insbesondere Tritium, infolge Verdrängung durch das eingeschossene
Wasserstoffisotop oder infolge Entgasung der Oberfläche beseitigt oder auf ein Minimum verringert. Eine möglichst geringe Zerstäubung des Wasserstoffisotopen enthaltenden Metalls kann bereits mit einer einla- gigen Schutzschicht erreicht werden.
Eine gleichzeitige, möglichst weitgehende Verminderung der Dif- fusion von Wasserstoffisotopen aus der Isotopen enthaltenden Metallschicht erreicht man jedoch mit einer i mehrlagigen Schichte. Die erfindungsgemäss vorgesehene Schutzschichte kann daher auch als mehrlagige
Schichte, insbesondere Verbundschicht, ausgebildet sein, wobei zweckmässig die aussenliegende Schichte beschussbeständig sein soll und insbesondere aus Aluminium bestehen kann, während die innere Lage der
Schutzschichte besonders wasserstoffisotopenundurchlässig sein soll und insbesondere aus Kupfer bestehen kann.
Für die Herstellung der Schutzsehichte (n) der erfindungsgemässen Targets kommen insbesondere Me- talle wie Kupfer, Wolfram, Eisen, Kobalt, Silber, Aluminium, Molybdän und Legierungen dieser Me- talle in Betracht, wobei sich Kupfer durch eine besonders hohe Wasserstoffisotopenundurchlässigkei1 ; Alu- minium durch eine besonders hohe Beschussbeständigkeit auszeichnen. Als Materialien für die Wasserstoff- isotope enthaltende Schichte der Targets sind Titan, Zirkon, Yttrium, Palladium oder Legierungen die- ser Metalle besonders zu nennen, wovon Titan am meisten bevorzugt, wird. Diese Metallschicht kann durch Aufdampfen aufgebracht werden ; man kann aber auch beispielsweise Bleche der entsprechenden Me- talle aufbringen, z. B. aufschmelzen.
Die flache Unterlage der erfindungsgemässen Targets soll aus einem
Metall bestehen, das im wesentlichen kein Wasserstoffaufnahmevermögen zeigt. Solche Metalle sind ins- besondere Kupfer, Eisen, Nickel, Platin, Wolfram oder Legierungen dieser Metalle, wovon Kupfer be- sonders bevorzugt wird.
Bei Targets der bekannten und der vorstehend beschriebenen Art erfolgt während des Betriebes zwangs- läufig eine Verdrängung der in der Metallschicht enthaltenen Wasserstoffisotopen durch eingeschossenen, nicht in Reaktion getretenen Wasserstoff, z. B. Hl, H oder H . Diese Verdrängung ist jedoch unerwünscht, da damit ebenfalls eine gewisse Verringerung der Gebrauchsdauer des Targets einhergeht. Es wurde nun ge- funden, dass man diese Verdrängung der Wasserstoffisotopen in der Metallschichte durch eingeschossenen
Wasserstoff dadurch vermezden kann, dass man die flache Unterlage als Sperrschichte ausbildet und an ihrer, derWasserstoffisotope enthaltenden Metallschichte entgegengesetzten Fläche mit einer Schichte aus was- serstoffaufnahmefähigem Metall versieht.
Dabei werden die Dicken der wasserstoffundurchlässigen, haft- festen und beschussbeständigen Schutzschichte, der Wasserstoffisotopen enthaltenden Metallschichte und der flachen Unterlage (Sperrschichte) so gewählt, dass die eingeschossenen Teilchen (H1, le oder 2) die obe- ren Schichten (einschliesslich'Sperrschicht) durchdringen und erst in der auf die Sperrschicht folgenden
Schichte aus wasserstoffaufnahmefähigem Metall steckenbleiben. Die als Sperrschicht ausgebildete fla- che Unterlage verhindert dabei eineRückdifl'j : ion des eingeschossenen Wasserstoffes in die Wasserstoffiso- tope enthaltende Metallschicht und damit eine Verdrängung des Wasserstoffisotops.
Als wasserstoffaufnahmefähiges Metall für diese zuletzt genannte, unter der Sperrschicht liegende
Schichte verwendet man zweckmässig Metalle wie Titan, Zirkon, Yttrium und Palladium oder Legierungen dieser Metalle, während für die Ausbildung der Sperrschichte jene Metalle verwendet werden, die man für die Schutzschichte benutzt, wobei insbesondere wasserstoffundurchlässige Metalle bevorzugt werden.
Zur Herstellung dieser Targets mit Sperrschichte kann man nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung so vorgehen, dass man ein wasserstoffaufnahmefähiges Metall (Träger), insbesondere Titan, beispielsweise ein Blech mit einer Dicke von etwa 0,3 mm, an seiner Oberfläche mit einer Schicht aus wasserstoffundurchlässigem Metall, insbesondere Kupfer, überzieht, beispielsweise durch Galvanisieren oder Aufdampfen, auf mindestens einer Fläche dieser Überzugsschicht eine weitere Schichte aus für Was- serstoffisotope aufnahmefähigem Metall aufbringt, insbesondere aufdampft, die zuletzt genannte Metall- schicht mit Wasserstoffisotopen belädt und schliesslich die Schichte des Wasserstoffisotope enthaltenden
Metalls mit einerwasserstoffundurchlässigen, haftfesten und beschussbeständigen Schutzschicht,
insbeson-
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dere Verbundschicht, z. B. Kupfer-Aluminiumschichte, versieht.
Durch das Überziehen des wasserstoffaufnahmefähigen Trägers, insbesondere Metallbleches, mit einer Schicht aus als Sperrschicht wirkendem wasserstoffundurchlässigem Metall (die beispielsweise für eine Strahlung von 200 keV 1000 dick sein kann), kann der Aufwand an Wasserstoffisotop bei der Imprägnierung dieser Art von Targets sehr niedrig gehalten werden, da eine unerwünschte Gasbeladung des Träger- metalls von der umhüllenden Schicht verhindert wird. Eine Gasbeladung des Trägets bei der Imprägnie- rung ist vor allem deswegen unerwünscht, weil sie einen erhöhten und kostspieligen Verbrauch an Was- serstoffisotop nach sich zieht und ausserdem das Aufnahmevermögen des Trägermetalls für eingeschosse- nen, nicht umgesetzten Wasserstoff verringert.
Durch die Verwendung lötbarer Metalle für die jeweils unterste Schicht der Targets gemäss der Erfin- dung wird insbesondere eine Befestigung im Teilchenbeschleuniger unter Einlöten des Targets ermög- licht.
Beispiel l : Ein Target mit einer flachen Unterlage aus Kupfer (Dicke etwa 0,3 mm) und einer
Tritium enthaltenden Titanschichte (Dicke 8000 - 15000 Â) wird durch Aufdampfen von Aluminiummetall mit einem lückenlosen, 800 - 1500 dicken Aluminiumüberzug versehen. Dieses Target wurde mehrmals mit Deuteronen von 200 keV beschossen. Nach einer Gesamtproduktion von 1, 5. 1014 Neutronen betrug der Tritiumverlust im Target etwa 110/0. Unter gleichen Bedingungen verliert ein nicht überdampftes Target 40-5Wo seines Tritiums.
Beispiel 2 : Ein Target, das mit einer flachen Unterlage aus 0,3 mm Kupferfolie und einer Tritium enthaltenden Titanschichte ausgestattet war, wurde mit Aluminium bis zur Erreichung einer AluminiumSchichtdicke von 800 bis 1500 überdampft. Der Beschuss dieses Targets erfolgte mit 3 MeV Protonen [Reaktion : H (p, n) Hes]. Die Neutronenausbeute pro Sekunde war bei dem mit Aluminium überdampften Target selbst nach einer ununterbrochenen Betrièbszeit von 24 Stunden noch nicht gesunken.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Target aus einem auf einer flachen Unterlage in dünner Schichte aufgebrachten, Wasserstoffisotope enthaltenden Metall, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenfläche der Wasserstoffisotope enthaltenden Metallschichte eine wasserstoffundurchlässige, haftfeste und beschussbeständige Schutzschichte aufweist, welche die Wasserstoffisotope enthaltende Metallschichte nach aussen hin lückenlos abdeckt.