DE1289923B

DE1289923B - Neutronen-Generator zur Erzeugung hoher Neutronenfluesse

Info

Publication number: DE1289923B
Application number: DEA51514A
Authority: DE
Inventors: Fraser John Stiles
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1965-04-27
Filing date: 1966-02-07
Publication date: 1969-02-27
Also published as: CH452070A; FR1467651A; US3500098A; GB1103978A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Neutronen- Das Target nach der Erfindung kann für Protonen-Generator zur Erzeugung hoher Neutronenflüsse mit strahlen verwendet werden, die eine Strahlstromeinem evakuierten, auf ein Target aus Metall gerich- stärke bis zu 100 mA besitzen und durch gesteuerte teten Strahlrohr, durch welches ein Teilchenstrahl elektromagnetische Felder auf 1 GeV beschleunigt aus Protonen hoher Energie geschickt wird, wobei 5 sind. Die Gesamtenergie dieses Protonenstrahls wird das Target am Ende des Strahlrohres angeordnet ist etwa in der Größenordnung von 60 Megawatt liegen, und bei der Bestrahlung mit dem Teilchenstrahl von denen angenähert 35 Megawatt als Wärme abNeutronen emittiert, geführt werden, die in dem Target erzeugt wird, Es ist ein Neutronen-Generator bekannt (»Um- gegen das die Protonen geschleudert werden. Die auf schau«, 15.11.1963, S. 695 bis 697), der aus einem io das Target auftreffenden Protonen lösen eine mit einem Fenster versehenen Strahlrohr besteht, Nuklearkaskade aus, die etwa 10¹⁹ Neutronen pro wobei zur Erzeugung von Neutronen die beschleunig- Sekunde abgibt.

ten Teilchen durch das Fenster hindurch auf ein fest Es sind gemäß deutscher Patentschrift 616 288 mit montiertes Target auftreten. Die Verwendung eines metallischer Flüssigkeit, insbesondere Quecksilber, Fensters, das das Vakuum des Strahlrohres gegen- 15 gekühlte Antikathoden für Röntgenröhren bekannt, über der Targetkammer abschließt, bringt den Nach- bei denen der von den Elektronen getroffene Teil teil nicht unerheblicher Protonenabsorption, wobei der Antikathode aus einem dünnwandigen, vakuumzusätzlich die Gefahr besteht, daß das Fenster durch dichten, die Elektronen nicht wesentlich abbremsen-Neutronen- und Protonenbestrahlung Material- den Teil besteht, hinter dem sich die metallischen Veränderungen erfährt. Darüber hinaus besteht die ao Flüssigkeitsströme vorbeibewegen und neben der Schwierigkeit der Kühlung des Fensters, das prak- Wärmeabfuhr als Bremsfläche für die Elektronen zur tisch nur von der Seite der Targetkammer aus, also Erzeugung der Röntgenstrahlen dient. Als Flüssigkeit einseitig, gekühlt werden könnte. kommen in diesem bekannten Fall neben Queckin der Literaturstelle »Industrie-Elektronik«, 4/61, silber ζ. B. auch leichtschmelzbare Legierungen von S. 3 bis 6, wird eine abgeschmolzene Neutronen- 25 Blei und Wismut in Betracht, röhre beschrieben, die in ihrem Aufbau einer Rönt- Bei einem Neutronen-Generator mit einem Target genröhre ähnelt. Es werden hier von einer Penning- aus flüssigem Metall könnte entsprechend dieser be-Ionenquelle Ionen geliefert und auf ein Target ge- kannten Antikathode zur Abtrennung des Targets schickt, in welchem sie Neutronen frei machen. ein Fenster vorgesehen werden, das für Protonen — Eine ähnliche geschlossene Neutronenröhre wird 30 verhältnismäßig durchlässig ist. Als Material für ebenfalls in der Literaturstelle »Nucleonics«, dieses Fenster wäre z. B. Beryllium denkbar, jedoch Dezember 1960, S. 64 bis 71, beschrieben, wobei ergeben sich an diesem Fenster sehr starke Strahein selbstladendes Target aus Titanium-Trithium vor- lungsschäden, die durch den Neutronenfluß vom gesehen ist. — In der »Zeitschrift für Physik«, Target und durch den Protonenstrom verursacht wer-20. 5. 1963, S. 57 bis 67, wird die Beschießung von 35 den. Neutronenbestrahlung von Beryllium und rost-Aluminiumtargets mit Deuterium beschrieben. In freiem Stahl erhöht die Zugfestigkeit, verringert die diesen beiden bekannten Fällen bildet offensichtlich Leitfähigkeit und kann bei Beryllium zu einer VoIudas Target selbst den Abschluß der die Strahlungs- menvergrößerung führen. Diese Veränderungen beteilchen befördernden Vakuumkammer. In diesen ruhen wahrscheinlich auf der Bildung von Zwischen-Fällen entfallen zwar die Nachteile eines Fensters, 40 gliederketten und Leerstellenketten sowie auf Helium, jedoch wird die Kühlung des Targets schwierig, da das durch Umwandlung von Beryllium erzeugt wird, sie nur an der dem Vakuum abgewandten Seite vor- Mit dem Wachsen des Heliumgehalts im Beryllium genommen werden kann. nimmt die mechanische Anfälligkeit des Vakuum-Aufgabe der Erfindung ist es, einen Neutronen- dichtungsfensters zu. Außerdem wird bei einem Generator der eingangs beschriebenen Gattung zu 45 60-Megawatt-Strahl die Wärmeabgabe an einem schaffen, der bei einem bis an das Target reichenden Fenster von 19 kW pro Millimeter Dicke Beryllium Vakuum ohne die Verwendung eines Festers aus- auf 72 kW pro Millimeter Eisen variieren. Die Prokommt und eine zuverlässige Kühlung des Tragets bleme der Korrosion und Kühlung könnten durch gewährleistet. Anordnung des Fensters an der Außenseite der Diese Aufgabe wird beim einganges genannten so Targetanlage sowie dadurch erleichtert werden, daß Neutronen-Generator dadurch gelöst, daß erfindungs- der Raum zwischen dem Fenster und dem Flüssiggemäß in an sich bekannter Weise als Target ein metall-Target mit einem Inertgas unter Druck gesetzt flüssiges Metall vorgesehen ist, welches nach Be- wird. Jedoch würde die Wärmeabgabe in einer argonschuß mit dem Teilchenstrahl einen Wärmetauscher säule von 2 m bei 2,11 kg/cm² 42 kW und bei Helium durchläuft, und daß das flüssige Metall mit einer 55 3,6 kW betragen. Es ergibt sich, daß das Fenster derartigen Strömungsführung und -geschwindigkeit selbst gekühlt werden müßte und daß die durch das am Ende des Strahlrohres vorbeiströmt, daß sich Kühlmittel absorbierte Strahlung darüber hinaus die dort eine gegen den einfallenden Teilchenstrahl Erwärmung des Fensters und die dadurch bedingten offene Kavitationsblase bildet. Energieverluste vergrößern würde. Das Druckgas Durch den Wegfall eines Fensters ergibt sich ein 60 müßte kontinuierlich ersetzt werden, um die Verluste klarer und ungestörter Weg für den Protonenstrahl in das fließende Flüssigmetall auszugleichen. Alle zum Target; ferner hat man ein Target, das gegen diese vorgenannten Probleme werden durchweg die während der Bestrahlung erzeugte starke Hitze durch die Erfindung beseitigt, widerstandsfähig ist, und darüber hinaus ein brauch- Vorteilhaft ist der dem Teilchenstrahl ausgesetzte bares Wärmetransportfluid für die Wärmeableitung 65 Teil des flüssigen Metalls von Moderatormaterial aus der Targetzone liefert, wobei jegliche Art der umgeben.

üblichen Vakuumabdichtung für das Protonenstrahl- Das flüssige Metall ist zweckmäßig eine Bleirohr entfallen kann. Wismut-Legierung, die ein Eutektikum sein kann.

Claims

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Diese und andere Merkmale und Vorteile der ohne ein Fenster und ohne alle diejenigen schwer-

Erfindung werden noch deutlicher in der folgenden wiegenden Nachteile und Probleme aufrechterhalten,

Beschreibung eines Neutronen-Generators gemäß der die bei Verwendung eines Vakuumfensters vorliegen.

Erfindung an Hand der Zeichnungen. Es zeigt Auf diese Weise werden bei einem Neutronen-

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Inten- 5 Generator mit einer Protonenstrahlenergie von

siv-Neutronen-Generators gemäß der Erfindung, 65 Megawatt ungefähr 37 Megawatt durch Ioni-

F i g. 2 eine vereinfachte Darstellung des in dem sationsprozeß in dem Blei-Wismut-Target abgegeben.

Neutronen-Generator gemäß der Erfindung verwen- Die Neutronen übernehmen etwa 15 Megawatt als

deten Protonenstrahl- und Targetsystems und kinetische Energie, von der ein großer Teil auf den

F i g. 3 A und 3 B eine abgewandelte Ausführungs- io in üblicher Weise von Schwerwasser gebildeten Mo-

form im Aufbau des Strahlrohrs und des Fluidstroms derator 12 übergeht. Die verbleibenden 13 Megawatt

des Kühlmittel-Targets. Energie erscheinen als Gammastrahlung im Target,

Gemäß F i g. 1 wird ein Protonenstrahl 10 in ein Moderator und Schutzmantel 13.
Target 11 geschickt, das von einem in einem Schutz- Im Target 11 kann ein Temperaturanstieg von anmantel 13 eingeschlossenen Moderator 12, z. B. 15 genähert 250° C zugelassen werden. Dementspre-Schwerwasser, umgeben ist. Eine Pumpe 14 pumpt chend ist ein Massenstrom von etwa 11 pro Sekunde ein Wärmeaustauschfluid vom Target 11 zu dem durch den Targetbereich 11 erforderlich. Die F i g. 1 Wärmeaustauscher 15 und zurück zum Target 11. zeigt die axiale Strömungsgeometrie einer für die Auf diese Weise wird die in dem Target während des Verwendung bei einem Intensiv-Neutronen-Gene-Betriebs erzeugte Wärme durch eine herkömm- 20 rator geeigneten Vorrichtung. Diese besondere Axialliche Wärmeübertragungs-Wärmeaustausch-Einrich- Strömungsanordnung genießt aus zahlreichen Grüntung vom Target abgeführt. Beim Betrieb des den den Vorzug. Erstens verdrängt das Targetmate-Intensiv-Neutronen-Generators bestrahlt der Pro- rial ein Minimum des Moderators. Die axiale Symmetonenstrahl 10 das Target und erzeugt einen inten- trie liefert ein Maximum an Flexibilität in der Ansiven Neutronenfluß und Wärme im Target 11. Der 25 Ordnung von Neutronenstrahlrohren und Strahlungsintensive Neutronenfluß kann mit Hilfe nicht dar- einrichtungen. Das Protonenstrahlrohr 16 liegt kogestellter Strahllöcher durch den Moderator 12 hin- axial zu dem Flüssigmetallrohr 17, wobei die Fließdurch nach außen geleitet werden, während die geschwindigkeit so hoch gewählt ist, daß am Ende 19 Wärme vom Target durch ein Wärmeaustauschfluid des Strahlrohrs 16 Kavitation auftritt. Glücklicherabgezogen wird, das durch den Wärmeaustauscher 30 weise liegen die Dampfdrücke von Blei und Wismut

15 strömt. bei den vorherrschenden Temperaturen im Bereich In der F i g. 2 ist eine nach der Erfindung ausgebil- von 10~⁷ Torr. Kavitation tritt ein, und das System

dete Anordnung für die Erzeugung eines intensiven arbeitet als Strahlpumpe, so daß das Strahlrohr-Neutronenflusses dargestellt. Wie zuvor wird ein Pro- fenster überflüssig wird. Rückstrom von Metalldampf tonenstrahl 10 entlang einem Strahlrohr 16 in ein 35 kann durch Kühlung der Wände des Strahlrohrs Target 11 beschleunigt und ruft neben anderen Strah- unter Bildung einer Kühlfalle 22 gestoppt werden, lungsarten einen intensiven Neutronenfluß und Ein weiterer Vorteil des Systems besteht darin, daß Wärme hervor. Gemäß der Ausführungsform der Er- der heißeste Bereich des Eutektikums sich nicht mit findung besteht das Target aus einer flüssigen Blei- dem Strahlrohr 17 in Berührung befindet. Die Tem-Wismut-Legierung, die gleichzeitig auch das Arbeits- 40 peratur der mit dem Rohr 20 in Berührung befindmittel für den Wärmeaustauschkreislauf abgibt. Die liehen Flüssigkeit liegt nahe der Massentemperatur gewählte Blei-Wismut-Legierung kann jede ge- des Targetmaterials nach Absorbierung der Strahlwünschte Zusammensetzung haben; bevorzugt wird energie.

jedoch ein Eutektikum. Das flüssige Blei-Wismut- Die F i g. 3 A und 3 B zeigen eine weitere Aus-Eutektikum gelangt über das Rohr 17 in den Target- 45 führungsform des Rohrs 17 und des Strahlrohrs 16, bereich und strömt nach unten durch den verengten die gemäß der Erfindung verwendet werden können. Abschnitt 18 des Rohrs 17 und an dem offenen Ende Der grundsätzliche Unterschied zwischen dieser Aus-19 des Strahlrohrs 16 vorbei. Die flüssige Blei- bildung des Rohrs 17 und derjenigen in F i g. 2 beWismut-Legierung wird dann im Targetbereich 11 steht darin, daß um das Strahlrohr 16 herum innerdem Protonenstrahl 10 ausgesetzt und dort stark er- 50 halb des Rohrs 17 eine Anzahl von Leitflügeln 23 hitzt; anschließend wird die Legierung durch den vorgesehen und so angeordnet sind, daß sie Rotation unteren Abschnitt 20 des Rohrs 17 abgezogen. Die der flüssigen Blei-Wismut-Legierung um das Ende flüssige Blei-Wismut-Legierung wird beim Durch- des Strahlrohrs 16 und durch den Abschnitt 18 des gang durch den Targetbereich beträchtlich erhitzt; Rohrs 17 verursachen, so daß sich am Ende 19 des diese Wärme wird mit Hilfe eines Wärmeaustauschers 55 Strahlrohrs 16 ein umlaufender Strom ergibt, der die abgezogen, und es wird die flüssige Blei-Wismut- Stabilität der Kavitationsblase 21 erhöht.
Legierung dann erneut durch den Targetbereich geschickt. Wie in der Fig.2 gezeigt, wird erfindungsgemäß am freien Ende 19 des Strahlrohrs 16 eine Patentansprüche-Kavitationsblase 21 gebildet, die in wirkungsvoller 60
Weise das freie Ende des Strahlrohrs 16 abdichtet

und auf diese Weise dafür sorgt, daß das Vakuum 1. Neutronen-Generator zur Erzeugung hoher

des Protonenstrahl - Generatorsystems unberührt Neutronenflüsse mit einem evakuierten, auf ein

bleibt. Die schnellfließende Targetflüssigkeit strömt Target aus Metall gerichteten Strahlrohr, durch

durch einen eingeschnürten Abschnitt 18 des Rohrs 65 welches ein Teilchenstrahl aus Protonen hoher

17 und erzeugt am freien Ende 19 des Strahlrohrs Energie geschickt wird, wobei das Target am

16 ein sehr kleines Vakuum und demzufolge eine Ende des Strahlrohres angeordnet ist und bei der Kavitationsblase 21. Hierdurch wird das Vakuum Bestrahlung mit dem Teilchenstrahl Neutronen

emittiert, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise als Target ein flüssiges Metall vorgesehen ist, welches nach Beschüß mit dem Teilchenstrahl (10) einen Wärmeaustauscher (IS) durchläuft, und daß das flüssige Metall mit einer derartigen Strömungsführung und -geschwindigkeit am Ende (19) des Strahlrohres (16) vorbeiströmt, daß sich dort eine gegen den einfallenden Teilchenstrahl (10) offene Kavitationsblase (21) bildet. . -.■

: 2. Neutronen-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Teilchen· Strahl (10) ausgesetzte Teil des flüssigen Metalls von Moderatormaterial (12) umgeben ist.

3. Neutronen-Generator, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall eine Blei-Wismut-Legierung ist.

4. Neutronen-Generator nach Anspruch 3, da* durch gekennzeichnet, daß die Legierung eia Eutektikum ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen