DE1243284B - Neutronengenerator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIj

G21g
Deutsche KL: 21g-21/01

Nummer: 1 243 284

Aktenzeichen: U10393 VIII c/21 g

Anmeldetag: 4. Januar 1964

Auslegetag: 29. Juni 1967

Die Erfindung bezieht sich auf Neutronengeneratoren mit einem abgeschlossenen Gefäß, einer mit einer Öffnung versehenen Extraktionselektrode innerhalb des Gefäßes, die das Gefäß in einen Ionisationsraum und einen Ionenbeschleunigungsraum unterteilt, einem Target innerhalb des Gefäßes am Ende der Beschleunigungsstrecke, und einer Schicht aus glasartigem Material auf der dem im Ionisationsraum erzeugten Plasma zugewandten Oberfläche der Extraktionselektrode, die sich bis zur Kante der Öffnung in der Extraktionselektrode erstreckt, aber die innere Oberfläche der Öffnung frei läßt.

Bei einem Neutronengenerator der vorstehend umrissenen Art ist keine Pumpeinrichtung erforderlich, um den Gasdruck im Beschleunigungsspalt niedrig zu halten, und als Ergebnis davon können Ionenquelle und Beschleunigungsspalt in einem gemeinsamen abgedichteten Gehäuse gehalten werden. Dadurch kann das Gerät leicht transportierbar ausgebildet und die Sicherheit des Gerätes erhöht werden, da das Gehäuse an keiner Stelle durchbrochen werden muß, um das Gerät zu betätigen.

Seinen Hauptverwendungszweck findet der Neutronengenerator als Gerät zur Erzeugung von Kernreaktionen, vorzugsweise DD- und DT-Reaktionen, und im abgedichteten Gehäuse ist ein Gasnachfüller vorgesehen.

Die Attraktivität bei Neutronengeneratoren der vorstehend umrissenen Art, wie sie bereits vorgeschlagen oder konstruiert wurden, wäre größer, wenn ihre Neutronenerträge vergrößert werden könnten. Bei Versuchen, Neutronengeneratoren mit hohem Neutronengewinn zu konstruieren, die auf dem bekannten Stand der Technik beruhen, ist man jedoch immer wieder auf Schwierigkeiten gestoßen. Es hat sich herausgestellt, daß die hohe Neutronenausbeute nicht dadurch erzielt werden kann, daß einfach der Stromeingang zur Ionenquelle angehoben und die Kühlmöglichkeiten verbessert werden. Ein großer Prozentsatz des überschüssigen Stroms, der in der Ionenquelle verbraucht wurde, kam nicht als stärkerer Ionenstrahl zum Ausdruck. Außerdem schien die Zusammensetzung des Ionenstrahls ungünstig beeinflußt, was sich durch den Umstand zeigt, daß die Neutronenausbeute selbst nicht um einen Betrag erhöht wurde, welcher der Zunahme der Stärke des Ionenstrahls entsprach.

Die vorstehend behandelten Schwierigkeiten lassen sich als Auswirkungen des Versprühens von Metall infolge der Wirkung des Plasmas erklären. Wenn, wie bekannt, eine Glasabschirmung, die mit Abstand von einer Metallextraktionselektrode angeordnet ist, Neutronengenerator

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:
John Ellery Bounden,
Baidock, Hertfordshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 14. Januar 1963 (1561),
vom 2. Januar 1964

bei hohen Leistungen verwendet wird, diffundiert das Plasma durch die Öffnung und greift das Material an, welches scheinbar abgeschirmt ist. Versuche, die Plasmadiffusion dadurch zu verhindern, daß die Öffnung verkleinert wird, führen zu dem unerwünschten Ergebnis, daß die Extraktion von Ionen aus dem Plasma verringert wird und der Ionenstrahl daher nicht die erwünschte erhöhte Leistung zeigt. Das Versprühen ist ein höchst unerwünschtes Phänomen, da das verspritzte abgelagerte Metall zu elektrischen Zusammenbrüchen führen kann und gasförmige Verunreinigungen im Metall während des Sprühprozesses selbst freigegeben werden können.

Es wäre möglich, die Ionenextraktion aus dem Plasma durch Verwendung einer verkleinerten Öffnung dadurch zu verbessern, daß ein negatives Potential von ungefähr 2 kV der Extraktionselektrode übermittelt wird, um das Plasma abzustoßen; aber dies erfordert notwendigerweise die Verwendung einer zusätzlichen, in das Plasma eingeführten Elektrode, um das Plasma bei dem gewünschten Potential in bezug auf die Extraktionselektrode zu halten. Eine zusätzliche Elektrode bedeutet weiteres Komplizieren der Bauweise der Vorrichtung und würde normalerweise eine weitere Unterbrechung der Geschlossenheit

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des abgeschirmten Gehäuses erfordern. Außerdem Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie

müßte bei einer derartigen Anordnung die Glas- beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher er-

abschirmung in bezug auf die Extraktionselektrode läutert, und zwar zeigt

mit engeren Toleranzen als bei der Erfindung ausge- Fig. 1 einen Schnitt durch einen Neutronengene-

richtet sein, so daß verhindert wird, daß der Ionen- 5 rator entlang der Linie A-A in Fig. 2,

strahl auf die Extraktionselektrode auftrifft. Bei einer Fig. 2 eine Ansicht von Fig. 1 in Richtung des

derartigen Anordnung besteht außerdem die Gefahr Pfeiles Z,

eines elektrischen Zusammenbruchs zwischen dem Fig. 3 einen Schnitt durch einen anderen Neu-

Plasma und der Extraktionselektrode infolge des auf- tronengenerator mit veränderten Ionenquellenanord-

gebrachten Potentialunterschieds. io nungen, wobei die Ansicht entlang der Linie B-B in

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Ge- F i g. 4 genommen ist, während

rätes der vorstehend umrissenen Gattung mit einer Fig. 4 eine Ansicht von Fig. 3 in Richtung des

hohen Rate für die Ausführung oder Erzeugung der Pfeiles Y darstellt.

Kernreaktionen. Gemäß F i g. 1 ist ein Glasrohr 1 dicht mit einer

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung 15 Metallscheibe 2 verbunden, welche einen Teil

einer verbesserten Vorrichtung der vorstehenden einer Extraktionselektrodenanordnung 3 bildet. Die

Gattung zur Ausführung der DD- oder DT-Reak- Scheibe 2 enthält mehrere Löcher 4, welche die

tionen für die Erzeugung von Neutronen. Reinigung während des Zusammenbaus erleichtern

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, und den Gasrücklauf während des Generatorbetriebs einen Neutronengenerator von einfacher Bauweise 20 erleichtern. Ein hohler Metallkonus S weist einen zu schaffen, welcher relativ frei von Versprüh- Basisabschnitt 6 von verstärkter Dicke und einen Schwierigkeiten ist und trotzdem nicht die Verwen- kegelförmig zulaufenden Sondenabschnitt 7 mit einer dung von aufgedrückten Potentialen zur Verringe- Öffnung 8 auf und ist durch Hartlöten mit der rung des Versprühens erfordert, wodurch er einen Scheibe 2 verbunden. Eine Nut 9 ist in den kegelniedrigen Kosten- und einen hohen Sicherheitsfaktor 35 förmig zulaufenden Abschnitt 7 in kurzem Abstand gegen das Auslecken von Gas durch das Gehäuse von der Scheibe 2 eingeschnitten,
hindurch aufweist. Ein dünner Glasüberzug bedeckt die Oberfläche 10

Ein Neutronengenerator mit einem abgeschlosse- des kegelförmig zulaufenden Sondenabschnitts 7 nen Gefäß, einer mit einer Öffnung versehenen zwischen der Nut 9 und der Öffnung 8 und erstreckt Extraktionselektrode innerhalb des Gefäßes, die das 30 sich nicht in die Öffnung 8. Das Innere der Öffnung Gefäß in einen Ionisationsraum und einen Ionen- ist blankes Metall, wodurch das Plasma während des beschleunigungsraum unterteilt, einem Target inner- Betriebs des Generators mit diesem in Kontakt ist. halb des Gefäßes am Ende der Beschleunigungs- Der Überzug ist ungefähr 0,39 mm dick und ist zu strecke und einer Schicht aus glasartigem Material dünn, als daß er sich in der Zeichnung bei dem anauf der dem im lonisationsraum erzeugten Plasma 35 genommenen Meßstab darstellen ließe,
zugewandten Oberfläche der Extraktionselektrode, Eine Glasabschirmung 11 ist mit der Scheibe 2 die sich bis zur Kante der Öffnung in der Extraktions- dicht bzw. abgedichtet verbunden,
elektrode erstreckt, aber die innere Oberfläche frei Die Scheibe 2 ist mit einem Glasrohr 12 dicht verläßt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, bunden, mit welchem ein koaxiales Metallrohr 13 daß die Extraktionselektrode kegelstumpfförmig aus- 40 dicht verbunden ist. Eine Targetabschirmung 14 ist gebildet ist und sich verjüngend in den Ionisations- durch Hartlöten mit dem Rohr 13 mit Hilfe des raum hineinerstreckt. Flansches 15 verbunden. Ein Schlitz 16 ist in die

Vorzugsweise wird der Neutronengenerator für Abschirmung 14 eingeschnitten, um eine optische kontinuierlichen Betrieb verwendet, wobei das Inspektion des Targets zu ermöglichen, aber dies ist Plasmapotential im Betrieb bestimmt ist durch den 45 für den Betrieb des Generators nicht unbedingt erKontakt mit einer Elektrode und erfindungsgemäß forderlich und könnte weggelassen werden,
die das Potential bestimmende Elektrode die Extrak- ■ Ein Target 17 ist durch Hartlöten mit einer Mantionselektrode ist und die Schicht aus glasartigem schette 18 verbunden, welche an einem Metallrohr Material ausreichend dünn ist, um einen Kontakt 19 angebracht ist. Das Rohr 19 wird durch eine zwischen der inneren Fläche der Öffnung und dem 50 Endmanschette 20 gehalten, welche an einem Metall-Plasma zu ermöglichen, derart, daß das Potential rohr 21 angebracht ist, das mit einem kurzen Glas- und die Position des Plasmas fixiert werden. rohr 22 abgedichtet ist, welches dicht mit dem Rohr

Das Beschichtungsmaterial besteht vorzugsweise 13 verbunden ist. Ein kleiner Zwischenraum ist zwiaus Glas. Dieses kann auf die Oberfläche der Extrak- sehen dem Target 17 und der Abschirmung 14 vortionselektrode als Pulver aufgebracht und darauf- 55 gesehen, um zu ermöglichen, daß eine kleine Vorfolgend fusiert bzw. aufgebrannt werden. Spannungsspannung zwischen den beiden aufgebracht

Bei einer bevorzugten Form der Erfindung ist eine wird.

der Gefäßwand benachbarte Randzone der Ober- Am Rohr 1 sitzt ein Arm 23, welcher mit einem

fläche der Extraktionselektrode nicht beschichtet, und Metallrohr 24 dicht verbunden ist. Zwei Metalleine Hilfsabschirmung aus glasartigem Material mit 60 scheiben 25 und 26 sind in einer Metallhülse 27

einer Öffnung, die mit der Öffnung der Extraktions- befestigt. Die Scheiben enthalten je vier kleine Löcher

kathode koaxial verläuft, aber einen größeren Durch- (nicht dargestellt), welche das Durchströmen von Gas

messer als diese hat, ist zwischen der Extraktions- ermöglichen, aber im wesentlichen den Durchgang

elektrode und dem Ionisationsraum angeordnet. von Plasma verhindern. Die Löcher in der einen

Es ist besonders vorteilhaft, die Extraktionselek- 65 Scheibe sind außer Flucht mit den Löchern in der

trode mit einem Sondenabschnitt zu versehen, welcher anderen Scheibe gehalten. Bauteile 24 bis 28 bilden

eine Öffnung hat, die während des Betriebs des Ge- eine Plasmaeinfangvorrichtung. Ein Metallrohr 28

rätes im Plasma angeordnet ist. wird in der Hülse 27 gehalten und ist mit einem Arm

29 dicht verbunden, der einen verengten Endabschnitt

30 aufweist.

Ein Gasspender mit einer Bedeckung 31 wird an einem steifen Draht 32 gehalten. Elektrische Leitungen 33 und 34 sind mit einem Haarnadelerhitzer verbunden, der in der Bedeckung 31 verborgen ist. Die Bedeckung 31 ist mit Titaniumdeuteridpulver gefüllt und durch Endkappen 35 und 36 aus porösem Nickel abgeschlossen. Wenn das Pulver erhitzt wird, gibt es Deuterium ab.

An einem zweiten Glasarm 37 sitzen Bauteile 24 A bis 28 A, welche eine zweite Plasmaeinfangvorrichtung ähnlich der vorstehend erwähnten Plasmaeinfangsvorrichtung bilden. Ein Glasarm 38 endigt in einer Verengung 39, an der eine Pirani-Meßvorrichtung 40 sitzt.

Eine Glasscheibe 41 ist an einem Arm angebracht. Eine Spule 42 aus Kupferrohr wird um das Rohr 1 herumgeh alten, um ein elektrisches Hochfrequenzfeld durch Induktivkopplung mit dem Inneren des Rohres 1 aufzubringen. Alternativ können auch zwei Ringelektroden unter Verwendung einer Kapazitativkopplung verwendet werden.

Ein Metallschutzring 43 schirmt die Abdichtung zwischen den Rohren 12 und 13 gegen eine Spannungsbelastung ab. Ein kurzer Arm 44 (F i g. 2) wird nach der Evakuierung des Generators abgedichtet.

Um den Neutronengenerator in Betrieb zu nehmen, wird der Abschnitt von der Scheibe 2 bis zur Manschette 20 in öl eingetaucht und ein Rohr für Targetkühlmittel in den Raum hinter dem Target eingeführt. Der Haarnadelerhitzer wird durch Strom betätigt, welcher durch die Drähte 33 und 34 übertragen wird, und Deuterium wird abgegeben. Das Pirani-Meßgerät 40 tastet den Druck im Rohr 1 ab und regelt durch Verbindungen, die nicht dargestellt sind, den Heizstrom ein, so daß der Druck im Bereich von 10 bis 15 Torr gehalten wird.

Ein Gebläse ist angeschaltet, um Kühlluft über das Rohr 1 zu blasen, und Kühlflüssigkeit wird über die Rückseite des Targets 17 in Umlauf gebracht.

Eine Hochfrequenzoszillation von ungefähr 17MHz (es können auch andere Frequenzen verwendet werden) wird auf die Spule 42 aufgedrückt, um das Deuterium in dem Rohr 1 zu ionisieren. Dies hat die anfängliche Wirkung, daß der Gasdruck verringert wird, und es sollte Zeit gelassen werden, um zu ermöglichen, daß der Gasdruck durch Emission von mehr Deuterium aus dem Deuterium-Spenderrohr 31 ansteigt.

Eine Spannung von 110 kV wird dann an dem Ionenbeschleunigungsraum angelegt, der durch die Extraktionselektrode 3 und die Targetabschirmung 14 begrenzt ist, wobei die Abschirmung 14 in bezug auf die Elektrode 3 negativ ist und die Elektrode 3 sich auf Erdpotential befindet.

Eine Spannung von 380 V wird zwischen der Abschirmung 14 und dem Target 17 aufgebracht, wobei das Target in bezug auf die Abschirmung 14 positiv ist, um die Emission von Sekundärelektronen aus dem Target zu verringern. Emittierte Sekundärelektronen werden durch die Glasscheibe 41 aufgehalten. Ein derartiger Neutronengenerator mit einem Target aus Tritium, welches in einer Schicht aus Titanium absorbiert wird, das an einem Molybdäntarget abgelagert ist, kann kontinuierlich mehr als 10° Neutronen pro Sekunde viele Stunden lang ohne Verschlechterung der Ausbeute erzeugen. Ein ähnliches Rohr mit einer seltenen Erde oder Yttrium, das als absorbierende Schicht auf Molybdän abgelagert wurde, erzeugte 10¹⁰ Neutronen pro Sekunde, und seine Lebensdauer war verbessert.
In den F i g. 3 und 4 haben die Bezugszeichen die gleiche Bedeutung wie in den Fig. 1 und 2. Die Nut 9 von F i g. 1 ist jetzt jedoch weggelassen, ebenso wie die Plasmaeinfangvorrichtungen 24 bis 28 und 24A bis 28,4.

ίο Die Glasscheibe 41 von F i g. 1 ist nun durch einen Molybdänbecher 41 ersetzt, der in einer Metallendplatte 52 befestigt ist, mit der Plattenarme 29 und 38 verbunden sind. Ein Glasgehäuse 1 weist ein inneres Glasrohr 53 auf, das mit diesem einstückig ist, wobei der Durchmesser des Rohres im wesentlichen der gleiche wie der Durchmesser des Bechers 41 ist. Das Rohr 53 verhindert es, daß Plasma den Becher 41 erreicht.

Der Becher 41 hat einen mit Gewinde versehenen Ring 54, an dem Leitungen für Kühlflüssigkeit befestigt werden können.

Die Anordnung dieses Generators hat einen verbesserten Abfang von Sekundärelektronen zur Folge.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Neutronengenerator mit einem abgeschlossenen Gefäß, einer mit einer Öffnung versehenen Extraktionselektrode innerhalb des Gefäßes, die das Gefäß in einen Ionisationsraum und einen Ionenbeschleunigungsraum unterteilt, einem Target innerhalb des Gefäßes am Ende der Beschleunigungsstrecke, und einer Schicht aus glasartigem Material auf der dem im Ionisationsraum erzeugten Plasma zugewandten Oberfläche der Extraktionselektrode, die sich bis zur Kante der Öffnung in der Extraktionselektrode erstreckt, aber die innere Oberfläche der Öffnung frei läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrak- tionselektrode (3) kegelstumpfförmig ausgebildet ist und sich verjüngend in den Ionisationsraum hineinerstreckt.

2. Neutronengenerator für kontinuierlichen Betrieb, nach Anspruch 1, wobei das Plasmapotential im Betrieb bestimmt ist durch den Kontakt mit einer Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die das Potential bestimmende Elektrode die Extraktionselektrode (3) ist und daß die Schicht aus glasartigem Material ausreichend dünn ist, um einen Kontakt zwischen der inneren Fläche der Öffnung und dem Plasma zu ermöglichen, derart, daß das Potential und die Position des Plasmas fixiert werden.

3. Neutronengenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Gefäßwand benachbarte Randzone der Oberfläche der Extraktionselektrode nicht beschichtet ist und daß eine Hilfsabschirmung aus glasartigem Material mit einer Öffnung, die mit der Öffnung der Extraktorkathode koaxial verläuft aber einen größeren Durchmesser als diese hat, zwischen der Extraktionselektrode und dem Ionisationsraum angeordnet ist.

4. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem dem Target abgewandten Ende innerhalb des Gefäßes (1) eine Elektronenauffangvorrichtung (41) angeordnet ist.

5. Neutronengenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenauffangvorrichtung (41) eine Glasscheibe ist.

6. Neutronengenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenauffangvorrichtung (41) aus Metall besteht und gekühlt wird und daß eine Abschirmung (43) vorgesehen ist, die verhindert, daß das Plasma mit der Elektronenauffangvorrichtung in Berührung kommt. ίο

7. Neutronengenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmvorrichtung (43) einen hohlen Zylinder aus Isoliermaterial aufweist, welcher mit seiner Achse parallel zur Flugrichtung der Elektronen angeordnet ist,

wobei der Durchmesser des hohlen Zylinders so gewählt ist, daß die vom Target emittierten Sekundärelektronen hindurchgehen, die Diffusion des Plasmas zur Elektronenauffangvorrichtung aber verhindert wird.

8. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschirmelektrode (14) zwischen dem Target (17) und der Extraktionselektrode (3) vorgesehen ist, die gegenüber dem Target auf positivem Potential liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1 250 898,
306 890.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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