DE1233068B - Neutronengenerator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. CL:

H05h

Deutsche KL: 21g -21/01

Nummer:

Aktenzeichen: Anmeldetag:

K 51465VIIIc^Ig
27. November 1963
26. Januar 1967
3. August 1967

Auslegetag:

Ausgabetag:

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung betrifft einen Neutronengenerator, bestehend aus einem mit einer Öffnung versehenen evakuierten Gehäuse (Neutronengeneratorgehäuse), einer sich außerhalb des Gehäuses an die Öffnung anschließenden Ionenquelle und einer Absaugelektrode für die Ionen sowie einem Target innerhalb des Gehäuses (wobei innerhalb des Targets ein mit Hilfe der Ionenquelle und der Absaugelektrode erzeugtes Ionenstrahlbündel durch Kernreaktionen Neutronen erzeugt), bei dem die Absaugelektrode Teil eines Targetgehäuses ist, an dessen der Absaugelektrode gegenüberliegenden Wand das Target angeordnet ist und das elektrisch isoliert mit allseitigem Abstand in dem Neutronengeneratorgehäuse gehaltert ist.

Es sind Neutronengeneratoren bekannt, bei denen der Ionenstrahl in einem Elektrodensystem beschleunigt und auf das neutronenerzeugende Target konzentriert wird. In diesem System legen die Ionen große Wegstrecken zurück. Dabei treten wegen der Linsenfehler und der Raumladungseffekte bei hohen Ionenströmen große Verluste auf. Es wurde auch schon ein Duoplasmatron als Ionenquelle für Ionenbeschleuniger verwendet. Wegen der langen Laufwege für die Ionen in den Beschleunigern kann aber die Ionenemissionsleistung des Duoplasmatron nicht voll ausgenutzt werden.

Bei einer in zwei Formen bekannten Ausführungsart werden die Ionen auf ein unter Hochspannung liegendes Target geschossen. Bei einer Ausführungsform ist das Target am Ende eines Beschleunigungsrohres angeordnet, wobei als Isolator für die Hochspannung die umgebende Luft benutzt wird. Um Überschläge zu vermeiden, muß die Meßanordnung in relativ großem Abstand von der Neutronenquelle aufgestellt werden, wodurch ein Teil der Neutronen verlorengeht. Bei einer anderen bekannten Ausführung wird zwar ein verhältnismäßig kurzer Ionenlaufweg erreicht, indem Target und Absaugelektrode für die Ionen zu einem Targetgehäuse zusammengefaßt sind und der Isolator, welcher die Isolation ,zwischen Ionenquelle und dem auf Hochspannungspotential liegenden Targetgehäuse bewirkt, hinter dem Target angeordnet ist. Hierdurch wird jedoch das Target schwer zugänglich, und es ergibt sich eine ungünstige Entfernung zwischen diesem und der an die Neutronenquelle anzukoppelnden Experimentiereinrichtung öder der zu aktivierenden Substanz od. dgl.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen betriebssicheren Neutronengenerator zu schaffen, der bei kleinen Abmessungen eine große Neutronenemissionsleistung erreicht und bei dem diese Leistung optimal durch Neutronengenerator

Patentiert für:

Gesellschaft für Kernforschung m. b. H.,

Karlsruhe, Weberstr. 5

Als Erfinder benannt:

Dr. Karl-Heinz Beckurts, Karlsruhe;

Dr. Werner Eyrich, Wolfartsweier

eine gute Zugänglichkeit des Targets nutzbar gemacht werden kann.

Erfindungsgemäß greift die Halterung für das Targetgehäuse an der bezüglich des Ionenstrahlbündels radialen Begrenzungswand des Targetgehäuses an. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Wand des Targetgehäuses, an der das Target angeordnet ist (Targetwand) und von der die durch Kernreaktionen erzeugten Neutronen ausgehen, von außen nicht durch sonstige Konstruktionselemente od. dgl.

unzugänglich gemacht wird, sondern in engem Abstand zur benachbarten Neutronengeneratorgehäusewand und diese wiederum unmittelbar an der mit Neutronen zu beschickenden Experimentiereinrichtung od. dgl. angeordnet und so der Neutronenstrom optimal ausgenutzt werden kann.

Dabei benötigt man zwischen dem Targetgehäuse und dem Neutronengeneratorgehäuse zum Verhindern von Überschlägen nur kleine Zwischenräume. Entsprechend klein ist das Neutronengeneratorengehäuse, das das auf Hochspannung liegende Targetgehäuse umgibt. Durch geeignete Öffnungen im Targetgehäuse wird das Neutralgas, das mit dem Ionenstrahl in das Targetgehäuse gelangt, abgesaugt, wodurch auch im Bereich der Eintrittsöffnungen der Absaugelektrode, wo große Feldstärken vorhanden sind, ein gutes Vakuum vorhanden ist. Da das Targetgehäuse auf Hochspannung liegt, kann die Ionenquelle bei dem Neutronengenerator nach der Erfindung mit dem geerdeten Neutronengeneratorgehäuse verbunden sein. Dadurch wird das aufwendige Stromversorgungssystem einer auf Hochspannung liegenden Ionenquelle überflüssig.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist an Stelle der Gleichspannung eine mit der gepulsten Ionenquelle synchronisierte gepulste Spannung an das Targetgehäuse gelegt, wobei während des Pulses wesentlich höhere Spannungen als beim Betrieb mit

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konstanter Spannung angelegt werden können. Der Neutronengenerator erzeugt kurzzeitig Neutronenflüsse von maximal 10¹⁴ Neutronen je Sekunde.

Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen Neutronengenerator,

Fig. 2 die elektrische Schaltung für den Neutronengenerator.

Als Ionenquelle ist gemäß Fig. 1 ein Duoplasmatron mit einer in einem Gasentladungsraum 1 eingebauten Kathode 2, einer Zwischenelektrode 3 und eine Anode 4 mit einer Emissionsöffnung 5 in den Neutronengenerator eingebaut. Da der Aufbau eines Duoplasmatron grundsätzlich bekannt ist, werden Einzelheiten hier nicht beschrieben. Gegenüber den bekannten Ausführungsarten wurde lediglich die Magnetkammer 6 und die Kathode 2 so' geändert, daß die Quelle bei kleiner mittlerer Strombelastung noch mit Luft, bei großer Belastung mit Wasser gekühlt werden kann.

Aus der Emissionsöffnung des Duoplasmatron werden die Ionen durch die öffnung 8 in der Absaugelektrode 7 in das Innere eines Targetgehäuses 9 hineingescliossen. An der der Eintrittsöffnung 8 gegenüberliegenden Seite ist das neutronenerzeugende Tritium-Titan-Target 10 in solcher Entfernung angebracht, daß es von dem durch die Eintrittsöffnung 8 in das Targetgehäuse 9 eindringenden und dann sich aufweitenden Ionenstrahl gerade voll ausgeleuchtet wird. Bei einem Targetdurchmesser von 35 mm ist der lonenflugweg im Targetgehäuse 9 etwa 90 mm lang. Dabei ist das Target 10 so angeordnet, daß die Neutronen möglichst nahe an der Stirnfläche des Generators entstehen. Zur Kühlung des Targetgehäuses befinden sich um den Ionenflugkanal herum ringförmige Kühlkanäle 22, die mit Kühlmittel durch den Isolator 14 hindurch versorgt werden. Das Neutralgas wird durch Öffnungen 11 im Targetgehäuse abgesaugt. Die Öffnungen 11 sind dabei so ausgebildel, daß durch sie hindurch keine elektrischen Felder in das Targetgehäuse durchgreifen und den Ionenstrahl ablenken können. Das Targetgehäuse 9 hat zylindrische oder kugelförmige Gestalt mit einem Durchmesser von etwa 100 mm. Es ist im Generatorgehäuse 12 an zwei Isolatoren 13 und 14 frei aufgehängt, die ihrerseits am Ende zweier rohrförmiger Stützen 15 und 16 befestigt sind. Zum Verhindern von Überschlagen herrscht im Generatorgehäuse 12 während des Betriebes ein Druck von etwa 5'TO"⁵ Torr. Außerdem ist noch eine Öffnung 19 vorhanden, an die die Hochvakuumpumpen, z. B. Ionengetterpumpen und Getterpumpen zum Evakuieren des Neutronengeneratorgehäuses und damit auch des Targetgehäuses und des Gasentladungsraunies, angeschlossen sind. Durch einen Isolator 14 wird Kühlmittel durch Kanäle 17 zum Targetgehäuse 9 geleitet, während im zweiten Isolator 13, der am besten dem ersten Isolator gegenüberliegt, die Hochspannungsleitung 18 zum Targetgehäuse liegt. Die Verbindungsstellen der Porzellanisolatoren mit dem Targetgeliäusc 9 sind so ausgebildet, daß die Isolatoren 13 und 14 feldfrei aus dem Targetgehäuse heraustreten. Die Isolatoren sind so lang, daß bei den vorhandenen Spannungen Kriechströme und Oberflächenentladungcn nicht auftreten können. Zum Messen des lonenstromes im Targetgehäuse befindet sich am Eingang der Hochspannungsleitung 18 in den Isolator 13 ein Ringspalt 23 zur Aufnahme einer Stromwandlerspule. Die K'anäle 17 im Isolator 14 sind vakuumdicht gegen den Aüßenraum abgeschlossen. Das Targetgehäuse 9 ist zentral im Neutronengeneratorgehäuse angeordnet, zum Vermeiden von Überschlagen sind die Oberflächen poliert und gut abgerundet. An zwei Öffnungen im Neutronengeneratorgehäuse sind Stutzen 15 und 16 angeflanscht, an deren Ende die Isolatoren 13 und 14 vakuumdicht befestigt sind. Auf der einen Seite des Neutronengeneratorgehäuses ist das Duoplasmatron angeflanscht. Es ist auf der Dichtfläche 20 durch drei nicht näher dargestellte Justierschrauben in mäßigen Grenzen verschiebbar, so daß die Bohrungen 5 in der Anode zur Eintrittsöffnung 8 in der Absaugelektrode fluchtend eingestellt werden können. An der gegenüberliegenden Seite ist das Gehäuse 12 mit einem Deckel 21 ebenfalls vakuumdicht verschlossen. Der Deckel ist außen eben, damit der Neutronengenerator mit dieser Fläche leicht an Gegenständen, die bestrahlt werden sollen, angelehnt werden kann.

F i g. 2 zeigt die elektrische Schaltung für die Duoplasmatron-Ionenquelle. Der Neutronengenerator wurde insbesondere für gepulste Neutronenexperimente enwickelt. Deshalb werden die Ionen und damit auch die Neutronen impulsmäßig erzeugt. Hierzu liefert ein Impulsgenerator 24 negative Impulse mit einer Stromstärke bis zu 50 A, die über einen Widerstand 25 zur Kathode 2 gelangen. Die Anode 4 ist geerdet. Zwischen Anode 4 und Kathode 2 sind als Spannungsteiler die Widerstände 26 und 27 geschaltet, zwischen denen die Zwischenelektrode 3 angeschlossen ist. Der Kondensator 28 hält' das Potential der Zwischenelektrode bis zur Zündung der Gasentladung auf Anodenpotential. Danach stellt sich wegen des großen Entladestromes die Zwischenelektrode automatisch auf ihr Arbeitspotential ein. Die Durchlaßöffnung 5 für das Plasma in der Anode 4 beträgt 0,8 bis 1,2 mm. Auf diesen Durchmesser preßt das Magnetfeld den von der Zwischenelektrode 3 kommenden Plasmastrahl zusammen. Danach gelangt das Plasma in die Erweiterung der Durchlaßöffnung 5. Diese glockenförmige Bohrung (8 mm Durchmesser) füllt das Plasma vollständig aus. Aus der Plasmaschicht an der Außenseite der Bohrung saugt die Absaugelektrode 7, an die Spannungen bis zu 120 kV angelegt werden, die Ionen heraus.

Es ist auch möglich, an Stelle der Bohrungen im Duoplasmatron und in der Absaugelektrode in an sich bekannter Weise schlitzförmige öffnungen mit größerer Durchtrittsfläche anzubringen.

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Neutronengenerator, bestehend aus einem mit einer öffnung versehenen evakuierten Gehäuse, einer sich außerhalb des Gehäuses an die Öffnung anschließenden Ionenquelle und einer Absaugelektrode für die Ionen sowie einem Target innerhalb des Gehäuses, wobei innerhalb des Targets ein mit Hilfe der Ionenquelle und der Absaugelektrode erzeugtes lonenstrahlbündel durch Kernreaktionen Neutronen erzeugt, bei dem die Absaugelektrode Teil eines Targetgehäuses ist, an dessen der Absaugelektrode gegenüberliegenden Wand das Target angeordnet ist und das elektrisch isoliert mit allseitigem Abstand in dem Gehäuse gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (13, 14)

an der bezüglich des Ionenstrahlbündels radialen Begrenzungswand des Targetgehäuses (9) angreift.

2. Neutronengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetgehäuse (9) s mit der Absaugelektrode (7) in einem Abstand von etwa 10 mm vor der Ioneneintrittsöffnung (5) des Gehäuses (12) angeordnet ist.

3. Neutronengenerator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Entfernung von etwa 90 mm des Targets (10) von der Eintrittsöffnung für die Ionen im Targetgehäuse (9).

4. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältniszahl aus der Entfernung des Targets von der Ioneneintrittsöffnung in das Targetgehäuse zum größten Targetdurchmesser etwa 2,8, vorzugsweise 2,5 beträgt.

5. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- so zeichnet, daß das Target (10) nahe einem ebenen Abschlußdeckel (21) an der dem Ionenerzeuger abgewandten Innenseite des Generatorgehäuses (12) angeordnet ist.

6. Neutronengenerator nadi einem oder meh- ag reren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetgehäuse (9) im Generatorgehäuse (12) an mindestens einem Stabisolator aufgehängt ist.

7. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannung am Targetgehäuse (9) angelegt ist.

8. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetgehäuse (9) an zwei Isolatoren (13 und 14) befestigt ist, wobei in einem Isolator (14) Kanäle (17) zum Zu- und Abführen eines Kühlmittels für das Targetgehäuse untergebracht sind, während der andere Isolator (13) eine Hochspannungszuführungsleitung aufnimmt.

9. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch öffnungen (11) im Targetgehäuse (9) zum Abführen des Neutralgases,

10. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetgehäuse (9) zylindrische Form hat.

11. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetgehäuse (9) außen abgerundet ist.

12. Neutronengenerator mit einem Duoplasmatron als Ionenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Spannung an der Kathode (2) des Duoplasmatrons angelegt ist, während die Anode (4) geerdet ist.

13. Neutronengenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Kathode (2) angelegte Spannung gepulst ist.

14. Neutronengenerator nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur. Synchronisation der Kathodenspannungsimpulse mit an das Targetgehäuse (9) angelegten Spannungsimpulsen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 100 189.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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