DE1489023A1

DE1489023A1 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung kurzer Neutronenimpulse hoher Flaechenstromdichte

Info

Publication number: DE1489023A1
Application number: DE19641489023
Authority: DE
Inventors: Kronast Dr Dipl-Phys Benedikt; Hora Dr Dipl-Phys Heinrich
Original assignee: Institut fuer Plasmaphysik GmbH
Current assignee: Institut fuer Plasmaphysik GmbH
Priority date: 1964-08-12
Filing date: 1964-08-12
Publication date: 1969-04-24
Also published as: GB1111093A; US3444377A

Description

Institut für Plasmaphysik 0.m.b.H. München-Garchlng.

Verfahren und Anordnung zur Erzeugung kurzer Neutronenlm-

pulse hoher Fläohenstrondlchte.

PUr viele kerntechniache Untersuchungen werden Neutronenimpulse sehr kurzer Dauer und hoher Stromdichte benötigt. Mit Spaltungsreaktoren IKBt sich dies nicht erreichen, da sioh der von einen Reaktor erzeugte nahezu konstante Neustronenstrom praktisch nur mechanisch modulieren läßt, was für höhere Frequenzen nicht mehr durchführbar ist.

Es ist auch bekannt. Neutronen unter Ausnutzung der D-D-Kernreaktion zu erzeugen, indem Deuterlumlonen in einer Entladungsröhre auf ein Deuterium enthaltendes Target geschossen werden.

OeaKä einen eigenen älteren Vorschlag kann man

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Neutronenimpulse bis herab zu 10 Sekunden Dauer durch Beschufl eines Deuterium- und/oder Tritiumtargets mit Deuterium und/oder Tritiumionen erzeugen, indem man in einer Entladungsrohre einen Niederdruolc-Hochepannungsduroheohlag erzeugt, durch den die zur Reaktion su bringenden Ionen sowohl erzeugt als such auf ein mit Deuterium und/oder Tritium enthaltendes Target beschleunigt werden.

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DIe letztgenannten Neutronenquellen laaaen Jedoch sowohl hinsichtlich der Kürze ala auch der Intensität der erzeugten Meutronenlmpulse noch zu wünschen übrig, außerdem stören oft die hohen elektrischen Spannungen, die naturgemäß in nächster Nähe des Entstehungsortes der Neutronen vorhanden sind.

£s sind ferner theoretische Untersuchungen bekannt geworden, die sich mit der Frage beschäftigen, ob eine Energiegewinnung durch Fusionsreaktionen in mit Laserstrahlung aufgeheizten D-T-Plasmen möglich ist. Diese Untersuchungen haben jedoch zu dem Ergebnis geführt, daQ mit den in absehbarer Zeit voraussichtlich erreichbaren Laserenergien keinesfalls energieliefernde Pusionereaktionen erzielbar sind. Die Verwendung eines durch Laserstrahlung aufgeheizten D-T-Gemisches als Neutronenquelle 1st bei den oben erwähnten Untersuchungen nicht in Betracht gezogen worden; da die Dichte des bestrahlten D-T-Gemisches außerdem relativ niedrig angenommen worden war um eine möglichst vollständige Absorption der Strahlungsenergie zu erreichen und Reflexionsverluate zu vermeiden, würden sich unter den Bedingungen, die den genannten Untersuchungen zugrunde lagen, auch keine Neutronenquellen brauchbarer Intensität bauen lassen.

Eigene Untersuchungen haben nun überraschenderweise ergeben, daf eine Erhöhung der Anfangsdicht· des bestrahlten D-T-Oemisohes keineswegs ein übermäßiges An-

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steigen von etrahlungsverlusten ait sieh bringt und daft sich bei optimaler Wahl der Parameter auch mit den schon heute zur Verfügung stehenden Lsserenerglen außerordentlich hohe Neutronenstroadlohten erzeugen lassen.

Durch die vorliegende Erfindung soll also eine Neutronenquelle angegeben werden, die extrea kurze und intensive Neutronenlapulse zu erzeugen gestattet und bei der in der Nähe des Entstehungsortes der Neutronen keinerlei Hochspannung benötigt wird.

Ein Verfahren zur Erzeugung einea intensiven Nuutronenimpulses kurzer Dauer unter Ausnutzung von Kernreaktionen zwischen schweren Wasserstoffisotopen ist gemäfl der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daβ ein kleines Volumen, das schwere WasserstoffIsotope, insbesondere ein D-T-Gealsoh unter Dichten von etwa 10 Kernen/oar bis etwa 10 * Kernen'?sr* gegebenenfalls sogar in kondensiertem Zustand, enthält, mit einea scharf fokuaslerten, kurzen Laser-Licht impula hoher Intensität auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der die erwähnten Kernreaktionen ablaufen.

Bei einea speziellen Ausftthrungsbeispiel des oben angegebenen Verfahrens wird ein kondensiertes Oeaisoh aus 50 Atoaprosent Deuterium und 50 Atoaprozent Tritium, das ein Volumen von etwa 10"⁷ oa^ einnimmt, mit einea fokussierten Laserimpuls von JO Joule Energie und 10~° Sekunden Dauer beschossen. Die Strahlungeenergie wird dabei praktisch vollständig von dem D-T-Gemisch absorbiert, welohes

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eich dadurch aehr atark aufheizt, ao dafi etwa 10 Meutronen frei werden. Venn die Energie dea Leeeriapulaea auf eine ZßItapanne von weniger ala 10 ⁷ Sekunden konzentriert iat und die Fokuaalerung optimal iat, betrügt die Neutronenaus-

beute etwa 1,3 χ 10 *. Der Hauptteil der dia Neutronen lie-

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fernden Kernreaktionen vollsieht aich in etwa 10 Bekunden, ao daβ durch die Oberflftohe einer Kugel, die ein hundertaal größere· Volumen hat, ala daa reagierende und eich expandierende Oemiach naoh 1O~" Sekunden einniaart, während der Reaktion eine mittlere Neutronenatromdlolite von min-

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deatena 5 x 10 Neutronen/cm aec und unter den gUnatlgaten

Bedingungen von 7 χ 10 * Neutronen/om aec erreicht wird.

On eine auarelohende Abaorptlon der Laserstrahlung in dem genannten kleinen Volumen dea zur Reaktion zu bringenden Deuterlun-Trltium-Gemiaohea zu gewlthrleiaten, nut daa beatrahlte Oeniaoh eine hohe Anfangadiohte von mindeatena etwa 10 Kernen om"^ aufweiaen. Die Verwendung von gaaförmlgen Qemlaohen wird eich im allgemeinen aua rein praktiaohen OrUnden verbieten, da Drücke in der Oröienordnung von 10 bia

AtU erforderlloh alnd. Daa sweokmXeigate 1st, daa Wasaeratoffiaotopengemiaoh entweder durch Abkühlung zu kondenaleren oder in einem Featkörper zu ad- oder absorbieren, z.B. mit einer Folie aua Titan, Zirkon, Palladium und dgl. Bei der Beatrahlung einer mit schwerem Vaeserstoff gealttigten Metallfolie mittels des fokussierten Laserimpulees verdampft nebem dem eingelagerten Wasserstoff auch das Metall der Folie, was an sieh wegen der damit verbundenen Strah-

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lungsverluste unerwünscht 1st. In der P axia bleibt J«dooh der Metalldampf in den entstehenden Dampfetrahl «regen «einer gröÄeren Nasse hinter den Vasserstoffgemisoh zurück, so dad die Energie des Laserlichtes in erster Linie in der aus Vasserstoff bestehenden Dampffront absorbiert wird. OenMS einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zuerst ein kleinerer Laaerinpuls erzeugt, der die Wasserstoffisotope und gegebenenfalls etwas Netall verdampfen lXflt und in die entstehende Dampfwollce wird sofort anschlielend ein zweiter Laserlupuls hoher Energie hlneingesohossen, der dann Λ das Waaserstoffgenisch soweit aufheizt, daβ die gewünschten neutronenliefernden Reaktionen ablaufen. Die aufeinanderfolgenden Lichtimpulse verschiedener Energie können von ein und derselben Laseranordnung oder von zwei getrennten und synchronisierten Laseranordnungen geliefert werden. Die Strahlung der beiden Laser kann dabei durch die gleiche Optik fokussiert werden, indem z.B. eine grofle Linse und nahe beieinander parallel verlaufende Strahlenbündel verwendet werden. Andererseits kann die Fokussierung auf durch _M ganz oder teilweise verschiedene optische Mittel erfolgen und gegebenenfalls auch Über getrennte Fe ater in eine das Target oder dgl. enthaltende Vakuumkammer eingeführt werden.

Die Zeichnung zeigt in Fig. χ schematisch eine Anordnung zur Ausübung der erfindungsgemMien Verfahrens und in

Fig. 2 einen Teil einer gegenüber Flg. 1 etwas abgewandelten Anordnung*

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Die in Flg. 1 dargestellt· Anordnung enthält einen Hochleistung·laser, dessen Oszillator 1 beispielsweise Strahlung·impulse von 10 bis 100 NW Leistung während oa 10 ns erzeugt und dessen Strahlungsimpulse in einem oder meh-

reren nachfolgenden Laserverstärkern 2 auf mehrere ΙΟ-⁷ bis 10 Vatt Leistung bei gleichzeitiger Verkürzung der Impulsdauer gebracht wird. Die Gesamtenergie eines Liehtimpulses wird dabei auf 10 bis 100 Vs erhöht.

Soweit beschrieben, kann die Apparatur in Ublioher Welse aufgebaut sein, so daß sich eine nähere Beschreibung erübrigt.

Mit Hilfe einer Spiegel-Quarz- oder Saphiroptik 2 möglichst geringer Brennweite wird die Strahlung 4 auf einen Durchmesser von etwa 10 -* cm konzentriert. Der Ort der Strahlungskonzentration raue im Vakuum liegen, da sonst das von der Strahlung durchsetzte Gas ionisiert wird und Lichtenergie verloren geht.

Bei der dargestellten Anordnung fällt die vom Laser gelieferte Strahlung durch ein ebenes Fenster 5 In eine Vakuumkammer 6 ein, die beispielsweise über einen Stutzen 7 mit einer Vakuumanlage verbunden sein kann, die auch die gewünschten Wasserstoffisotopengeei ehe einzuführen gestattet. Bei dem dargestellten Ausführung·¹^ jispiel 1st die Optik 3 vor der Vakuumkammer 6 angeordnet, sie kann sich jedoch auch innerhalb dieser befinden oder zugleioh als Fenster dienen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Das dem Eintrittsfenster 5 entgegengesetzte Ende der Kammer 6 ist bei

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dean In PI«. 1 dargestellten Ausftlhrungebelepiel durch ein· Vend 8 abgeschlossen, die au« ein·· Neutronen möglichst wenig absorbierenden terkstoff, z.B. Al» besteht* An dieser Vend und In Brennpunkt der Optik befindet «loh das zu bestrahlende Deuterlue-Tritlua-Oenisah 9. Das zu bestrahlende Oenlsoh kann beispielsweise durch flüssiges Helium kondenslet sein. Die littokwand 8 kann auch ganz oder teilweise sue einer PolIe bestehen oder Innen alt einer eolohen versehen sein, welche Vaseerstoff gut zu absorbieren veraag. Die VakuusdcassMr 6 kann auch abgesohsnlzen sein, in diesen Palle kann dann an den Stutzen 7ein Palladiunruhrohen angesohaolzen sein» durch das das Vaeserstofflsotopengealsoh eingeführt werden kann. Das nötige Vakuua kann vor Benutzung der Anordnung durch Kondensation aller Oase mit Ausnahm« der VasserstoffIsotope hergestellt werden, weloh letztere dann, durch Absorption oder Kondensation an den Ort 9 dea Brennpunktes der Optik 3 gebracht werden. Die Ausbuchtung der RUokwand 8 ermöglicht, einen groten Teil des Neutronenstrones auszunutzen und erlaubt, die zu bestrahlenden Objekte sehr nahe an den Entstehungeort der Neutronen heranzubringen.

Bel PIg. 2 wird, wie erwHhnt, das Elntrlttefenster der VslcuMskassrer 6* durch die Optik 3* gebildet. Die der Optik gegenüberliegende Vand der Vakuusdausser 1st als DewargefKf lD ausgebildet Wd kann z.B. flüssiges Heliua aufnehmen. Der Boden des Dewargefäß·· wird z.B. durch •ine Metallfolie 11 gebildet, die aus eine· wasserstoff gut absorbierenden Material bestehen und das Target bilden kann.

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Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung kann auf verschiedene V eise benutzt werden: Die Folie 11 kann von außen mit schwerem Vaseerstoff unter höherem Druck (z.B. 1 At.) beaufschlagt und durch Erhitzen mit Wasserstoff beladen werden, der dann nach innen diffundiert und zur Erzeugung einer Üampfwolke zur Verfugung steht« Mi· oben erläutert wurde. Eine endexe Möglichkeit besteht darin, den schweren Wasserstoff durch eine an den Stutzen 7 angeschlossene Vakuumanlage einzuführen und durch flüssiges Helium an der Folie zu kondensieren. Die Folie kann sohlieSlich such ale Dlffueionefenster zum Einführen von Wasserstoff in den Raum 6' dienen, wobei dor Vaseerstoff dann epKter innen an dot Folie kondensiert oder sorbiert werden kann. Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung kann die nicht dargestellte Laeeranordnung senkt echt stehen oder das ..icht kann, wie dargeetellt, durch ein Prisma 12 oder einen Spiegel umgelenkt weiden, der wenn er als Hohlspiegel ausgebildet ist, gleichzeitig als Optik dienen kann.

Der Strahlengang kann ungeknickt und horizontal verlaufen, wenn das Target an einer ßoite einer der Anordnung 10 ähnlichen, jedoch senkrecht stehenden Einstülpung angeordnet wird.

Die erfindungsgemHßen Anordnungen haben u.a. auch den Vorteil, dafl zwischen der Laseranordnung 1, 2 und der eigentlichen Neutronenquelle mit den Eleawnten 3 bis 9 ein praktisch beliebiger Abstand bestehen kann. Die

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eigentliehe Neutronenquolle 3-9 let einfach, klein und billig. Man kann also alle interessierenden Elemente mit eigenen Anordnungen 3-9 aufbauen und die verschiedenen Experimente dann nacheinander unter Verwendung einer einzigen Laseranordnung 1, 2 durchfuhren.

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Claims

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Patentansprüche.

1. Verfahren zur Erzeugung eines intensiven Neuti'onenirapulses kurzer Dauer durch Xernroaktionen zwischen schweren Wasserstoffisotopen, dadurch gekennze lehnet, daß ein kleines Volumen, das Deuterium und/oder Tritium hoher Dichte enthält, mit einem fokusslernten kurzen Laserlichtimpuls so hoher Intensität bestrahlt wird, daß die Temperatur in dem bestrahlten Volumen auf einen Vert ansteigt, bei dem die gewünschten Kernreaktionen ablaufen.

?. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Deuteriums und/oder Tritiums In dem bestrahlten Volumen mindestens 10²⁰ Atome/cnP betrügt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Volumen von etwa IC"' cnr bestrahlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, da» durch gekennzeichnet, daß das Volumen ein Gemiaoh aus 50 <i Deuterium und 50 ü Tritium enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dsl di·

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Vosserstoffisotope durch Abkühlung kondensiert «Ind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffisotope in einem abeorptionsfähigen Metall absorbiert sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffisotope an der Oberfläche eines Trägers ab- oder adsorbiert sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden AnsprUche, dadurch gekennzeichnet, daß das fokuseierte Laserlicht mindestens das letzte Stück vor- den zu bestrahlenden Volumen durch einen evakuierten Kaum verläuft.

9. Anordnung zur Ausübung des Verfahrene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lichtimpulse liefernde Laseranordnung, eine Optik zur Fokussierung des Laserlichtes auf ein kleines Volumen, in dem sich mindestens ein schweres Vaseerstoffisotop unter hoher Dichte befindet, und durch eine Vakuumkammer, in der das fokuseierte Laserlicht zumindest auf dem letzten Stück des Weges bevor es das kleine Volumen erreicht, verläuft.

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10. Anordnung nsoh Anspruch 9, daduroh gekennzeichnet, dafl die 'Lageranordnung «inen Laseroszillator und einen Laaerverstärker enthMlt.

11. Anordnung naoh Anspruch 9 oder 10, daduroh gekennzeichnet, da· «ur Fokusaierung eine Quarz-, Saphir- oder Spiegeloptik dient.

12. Anordnung naoh Anapruoh 9« 10 oder 11, d a · ^ durch gekennzeichnet, dal die Vakuum-

kamner ein Bintrlttafenater für die Laserstrahlung aufweist und unabhängig von der Laaeranordnung iat.

1?. Anordnung nach Anspruch 12, daduroh gekennzeichnet, daß die den Eintrittafenster gegenüberliegende Vand zumindest zum Teil aus einem Neutronen schwach abaorbierenden Werkstoff besteht.

14. Anordnung naoh Anspruch 12, dadurch Bk gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer eine dowargefäfiMhnllche Einstülpung aufweist.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß an einem in Brennpunkt der Optik gelegenen Wandteil der Einstülpung eine Metallfolie vorgesehen 1st, dia einen Tell dor Wand bildet und aus einem Wasserstoff absorbierenden Metall, z.B. Pd, Zr, Ti besteht.

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16. Anordnung naoh «Inen der Ansprüche 12 bi« 15, dadurch gekennzeichnet» da 3 daa Eintrlttafenater als Linse ausgebildet let.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dafl die Laseranordnung eine Einrichtung enthält, die einen Impuls relativ kleiner iAtenslttt und einen unmittelbar darauffolgenden kurzen Strahlungsinipuls nögllchat grofler Intensität zu liefern vermag.

Id. Anordnung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch zwei getrennte, jedoch miteinander synchronisierte Laser, die die direkt aufeinanderfolgenden LichtImpulse unterschiedlicher Intensität liefern.

19. Anordnung nach Anspruch l8, dadurch

en gekennzeichnet, daß die Strahlung/der Laser

durch dieselbe Optik auf dasselbe Volumen fokussiert sind.

20. Anordnung nach Anspruch Id, dadurch gekennzeichnet, daS dio Strahlungen der Laser durch mindestens teilweise verschiedene optische Mittel auf dasselbe Volumen fokussiert sind.

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