-
Target zur Neutronenerzeugung Die Erfindung betrifft ein Target zur
Neutronenerzeugung, mit r dem eine lange, ununterbrochene Betriebszeit des Neutronengenerator
:3 sichergestellt ist.
-
Zur Erzeugung einer intensiven Neutronenstrahlung werden Linearbeschleuniger
benutzt. Diese erzeugen einen Ionenstrahl, der auf einen Auff@inger (Target) trifft.
Bei entsprechender Auswahl der Ionen lind des Targetmaterials treten die Ionen mit
diesem in 49echselwirkun-, wobei eine große Anzahl von Neutronen erzeugt wird. Bevorzugt
benutzt man Deuterium-Ionen. Als Target wird da-, bei eine dünne Titansehicht verwendet,
in die Tritium oder Deuterium hineinokkludiert ist. Nach der Reaktion T3'(d,n) He
4
oder D2 (d,n) Hei erhält man.Neutronen von caa 14 MeV bzw.
-
2,5 hqeV. Der Vorteil dieser Reaktionen ist,daß der Beschleuniger
nur für relativ geringe Beschleunigungsspannungen ausgelegt sein muß. Der Nachteil
dieser Erzeugungsmethode ist, daß die Ergiebigkeit des Targets und damit die Neutronenausbeute
schnell nachläßt, denn die auf das Target aufprallenden Deuterium-Ionen erhitzen
es stark und die in das Target eingelagerten Wasserstoffisotope verdampfen. Dies
führt dazu, daß der Betrieb desrenerators immer wieder unterbrochen werden muß,
um das Target auszuwechseln oder es zu regenerieren.
-
Bekannt ist es, zur Abhilfe die Targetschicht auf ein Tr.3germaterial
als Unterlage aufzubringen. Als Trägermaterial wird ein guter Wärmeleiter, z. B.
eine Kupfer- oder Silberplatte gewählt, die zur Wärmeabfuhr dient. Zusätzlich kann
durch entsprechende Kühlung von der Seite oder der Rückseite her dafür gesorgt werden,
daß die mittlere Temperatur des Targets auf erträglichen Werten gehalten wird. Jedoch
treten in den mikroskopischen Einschußkanälen der Ionen erheblich höhere Temperaturen
auf, die zur Folge haben, daß gerade in der wirksamsten Schicht, nämlich dicht unter
der Oberfläche, wo die Ionen ihre Energie noch nicht verloren haben, die Temperatur
örtlich so ansteigt, daß die Wasserstoffisotope aus dem Target herausdampfen und
so für die Neutronenproduktion verlorengehen. Das Auswechseln des Targets nach wenigen
Betriebsstunden wird hierbei also nicht verhindert.
Man hat weiterhin
versucht, ein langsam rotierendes Target zu verwenden. Jedoch wird hierbei der Nachtei.
nicht grundohtzlich beüeitigt, sondern nur die wirksame Ober-Fläche vergrößert,
wodurch entsprechend höhere Kosten entstehen.
-
Zur Neutronenerzeugung nach der Reaktion T3 (d,n) He 4 wurdeezux Regenerierung
aes Targets folgendes vorgeschlagen: Nach Ablauf einer gewissen Betriebszeit des
Beschleunigers, nach der die Ergiebigkeit des Targets bereits abgenommen hat, wird
der Betrieb der Ionenquelle von Deuterium auf Tritium-Ionen umgeschaltet unter gleichzeitiger
Reduzierung .der Beschleunigungsspannung. Es werden somit Tritium-Ionen in die Oberfläche
des Targets geschossen, die das weggedampfte Tritium ersetzen. Dabei muß die Beschleunigungsspannung
reduziert werden, damit die Ionen in der oberflächennahen Schicht eingebaut ,werden
können. Der Nachteil dieser Methode ist, daß während der Regeneration die Neutronenerzeugung
aussetzt, da bei einer Wechselwirkung zwischen Tritium/Tritium keine Neutronen frei
werden. Weiter tritt ein rellativ großer Tritiumverbrauch auf, je nach Wirkungsgrad
der Ionenquelle, da ein teilweise hochprozentiger Anteil an Neutralgas von den Vakuumpumpen
abgesaugt werden muß. Außerdem stellt das Tritium yim abgesaugten Neutralgas hohe
und aufwendige Strählenschutzforderungen.
-
Schließlich ist es noch bekannt, Targets mit eingelagertem
Tritium
mit einem Gemisch von Deuterium- und Tritium-Ionen zu beschießen. Dies hat wiederum
den Nachteil, daß der die Neutronen erzeugende Deuterium-Ionenstrom reduziert werden
muß, da ein bestimmtes Target nur einen bestimmten maximalen Gesamtstrom zuläßt.
Wendet man daher diese Maßnahme an, so geht die Ausbeute ungefähr auf ein Drittel
zurück.
-
Zu erwähnen ist noch, daß bei einem anderen Vorschlag das Verdampfen
der Wasserstoffisotope durch auf das Target aufgedampftes Aluminium verhindert werden
soll: Da jedoch hierbei kein Ersatz der Wasserstoffisotope.im Target von süßen vorgesehen
ist, nimmt die Ergiebigkeit des Targets im Betrieb ebenfalls ab.
-
Zusammenfassend läßt sich daher feststellen, daß die angeführten Vorschläge
zur Regenerierung des Targets keine längere Betriebsdauer oder sogar ein kontinuierliches
Arbeiten gewährleisten. Meistens ist man gezwungen, das Target nach wenigen Betriebsstunden
aus dem Generator auszubauen und gegen ein neues auszutauschen. Dies erfordert eine
Belüftung der Vakuumanlage und-somit eine langfristigere Betriebsunterbrechung des
Beschleunigers.
-
Will man daher bei einem Neutronengenerator, bei dem die Reaktionen
T3 (d,n) He4.oder D2 (d,n) Hei ausgenützt werden,
zu längeren Betriebszeiten
oder zu einem kontinuierlichen Betrieb übergehen, so steht man vor folgender4Aufgabe.
Das
Verdampfen der Wasserstoffisotope muß in geeigneter Weise möglichst
verhindert werden und der unvermeidbare Verlust an Wasserstoffisotopen im Target
muß von auben her ausgeglichen werden können. Hierzu muß die Möglichkeit bestehen,
während des Betriebes von außen her Wasserstoffisotope in die wirksame Targetschicht
einzulagern.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe-dadurch gelöst, daß an die der
Beschleunigungsstrecke abgewandte Seite des Targets ein Gas, das Tritium oder Deuterium
enthält,angrenzt und daß das Material des Targets so beschaffen ist, daß das Tritium
oder das Deuterium aus diesem Gas in das Target hineindiffundieren kann und im Target
gespeichert wird.
-
Vorzugsweise ist-der Neutronengenerator mit selbstregenerierendem
Target so aufgebaut, daß die von der Beschleunigungsstrecke abgewandte Seite des
Targets einen vakuumdicht abgeschlossenen Raum teilweise begrenzt. Dieser Raum ist
mit dem Gas eines Wasserstoffisotops bis zum Partialdruck von einilgen Torr gefüllt.
-
Ein hierzu geeignetes Target ist vorzugsweise schichtförmig aus verschiedenen
Materialien aufgebaut. Dabei läßt das Material der ersten Schicht,die auf'der vom
Beschleuniger abgewandten Seite liegt, die Wasserstoffisotope hindurchdiffundieren.
Im Material-der darauffolgenden Schicht werden die Wasserstoffisotope gespeichert
(Speicherschicht). Das
Material der letzten Schicht reduziert das
Verdampfen der Wasserstoffisotope in den Beschleunigungsraumhinein.
-
Die Wirkung der einzelnen Schichten läßt sich folgendermaßen charakterisieren.
Die erste Schicht, auf der vom Beschleuniger abgewandten Seite des Targets,ist ein
endothermer Adsorber, durch den die Wasserstoffisotope hindurchdiffundieren können.
Hierauf folgt eine exotherme Adsorberschicht zur Speicherung der Wasserstoffisotope.
Der Beschleunigungsstrecke zugewandt ist-schließlich eine Schicht des Targets, die
das Verdampfen der Wasserstoffisotope in den Beschleunigungsraum hinein reduzieren
soll. Damit wird ein Aufstauen der Wasserstoffisotope in der Adsorberschicht erreicht.
-
Das Material der ersten Schicht kann Palladium oder eine Palladium-Silber-Legierung
oder Nickel oder Eisen sein. Das Material der Speicherschicht kann Erbium oder Yttrium
oder Scandium oder insbesondere Titan oder Zirkon sein. Weiterhin
ist es möglich,
die erste Schicht und die Speicherschicht in einer massiven Schicht zu vereinen,
deren Material Titan oder Zirkon sein kann. Das Material der aufgedampften letzten
Schicht kann Aluminium oder insbesondere Beryllium sein.
-
Um im Neutronengenerator die gleichen Bedingungen wie bei der*Herstellung
des Targets zu erzeugen, muß das Target erwärmt sein. Hierzu kann die Wärme ausreichen,
die von den auf@das Target auftreffenden, beschleunigten Ionen erzeugt
wird.
Zusätzlich kann jedoch das Target induktiv oder kapazitiv oder durch Strahlung oder
mittels eines Stromdurchgangen erhitzt werden. #, Im folgenden- wird die erfindungsgemäße
Vorrichtung beispielhaft anhand der Figuren 1 bis 3 näher .erläutert. Dabei werden
zwei Ausführungsformen des sich selbstregenerierenden Targets, die sich in der Schichtfolge
unterscheiden, beschrieben.
-
In Figur 1 ist der Neutronengenerator schematisch beschrieben. Er
enthält eine Ionenquelle 1, aus der Ionen in den Beschleunigungsraum 2 abgesaugt
werden. Der Ionenstrom 12 trifft auf das schichtförmig aufgebaute Target 5, das
in den an den Beschleunigungsraum angrenzenden Raum 6 elektrisch und thermisch isoliert
eingebaut ist. Dieser Raum hinter dem Target 6 ist vakuumdicht gegenüber dem Beschleunigungsraum
2 abgedichtet und kann über eine Umwegleitung 8 von der Vakuumanlage 4 evakuiert
werden. Nach der Evakuierung wird das Ventil zum Tritiumvorrat 7 geöffnet und der
Raum hinter dem Target wird mit Tritium bis' zu einem Druck von einigen Torr gefüllt.
Der Raum 7 kann auch auf Atmosphärendruck aufgefüllt werden unter Benutzung eines
Edelgases (z. B. Argon) als Ballastgas, so daß der Partialdruck des Tritiums ebenfalls
einige Torr beträgt. Die Beschleunigungsspannung U wird zwischen der Ionenquelle
1 und dem Target im Beschleunigungsraum angelegt. Sie wird der Spannungsquelle 3
entnommen.
Schließlich sind in Figur 1 einige Möglichkeiten dargestellt,
das Target aufzuheizen. Das Target soll auf eine solche Temperatur erhitzt werden,'bei
der es Tritium aufnimmt.
-
Es werden damit im Beschleuniger die gleichen Bedingungen erzeugt
wie bei der Herstellung des Targets. Zur Erwärmung ist ein Stromdurchgang über die
Klemmen 9 und 9' durch das Target vorgesehen. Das Target kann jedoch auch induktiv
oder kapazitiv erwärmt werden, hierzu ist eine Spule 10 vorgesehen: Weiterhin kann
das Target durch Wärmestrahlung aufgeheizt werden. In der Wandung des Raumes 6 ist
daher ein , Fenster 11 zum Durchlaß von Wärmestrahlung vorgesehen.
-
Die Figuren 2 und 3 zeigen ,verschiedene Ausführungsformen des geschichteten
Targets. Das Target ist jeweils in die Wandung 13 des Neutronengenerators
zwischen dem Beschleunigungsraum und dem Gasraum eingebaut. Durch Dichtungen 14
ist der Gasraum 6 vakuumdicht abgeschlossen.
-
Das Target in Figur 2 ist aufgebaut aus einer massiven Titan-oder
Zirkonschicht 16a, auf der von der-Beschleunigungsstrecke abgewandten Seite. Auf
dieser Schicht ist eine Metallschicht 15 aufgedampft, die aus Aluminium oder Beryllium
hergestellt ist. Die massive Titan- oder Zirkonschicht 16 a wird so weit aufgewärmt,
daß sie Tritium aufnimmt. Sie muß eine
solche Dicke besitzen, daß sie
bei dieser Temperatur dem Hochvakuum auf der Beschleunigerseite widerstehen
kann. Die äufgedampfte Metallschicht muß einerseits so dünn sein, daß
sie.,die
Ionen des Beschleunigers nur im geringen Maße abbremst, andererseits muß sie jedoch
so stark sein, daß sie verhindert, daß das Tritium auf der Beschleunigerseite wieder
aus dem Target austritt. Hierfür ist Beryllium besonders geeignet. Beryllium besitzt
ein sehr niedriges .Atomgewicht und bremst somit die einfallenden Ionen nur sehr
wenig ab, andererseits besitzt es eine sehr geringe Durchlässigkeit für Wasserstoff
und einen hohen Schmelzpunkt.
-
Im Target der Figur 3 ist die massive Titan- bzw. Zirkonschicht durch
zwei Schichten ersetzt. D#ie Trägerschicht 17, auf der von der Beschleunigungsstrecke
abgewandten Seiten, ist aus Palladium oder einer Palladium-Silber-Legierung hergestellt.
Im erwärmten Zustand kann durch diese Schicht das Tritium hindurchdiffundieren.
Auf die Trägerschicht ist eine Titan- oder Zirkonschicht 16 aufgedampft, in der
das Tritium gespeichert wird. Auf die Titan- bzw. Zirkonschicht ist wiederum eine
Schutzschicht aus Aluminium oder Beryllium aufgedampft, die das Verdampfen des Tritiums
verhindert.
-
Die genannten Materialien der Schichten des Targets können durch andere
Materialien ersetzt werden. Für Titan oder Zirkon lassen sich andere exotherme VJasserstoffadsorber,
wie z. B. Erbium, Yttrium oder Scandium benützen. Als Material fizr die Trägerschicht
können an Stelle des Palladium andere
exotherme Wasserstoffadsorber,
wie z. B. Nickel oder Eisen, verwendet werden.
-
Abschließend sei noch auf folgendes hingewiesen. Man ist zwar bestrebt,
die Regenerierung des Targets kontinuierlich während des Betriebs des Neutronengenerators
vorzunehmen. Es kann jedoch auch ein intermittierender Betrieb von Vorteil sein.
Z. B. wird das Target weiter regeneriert während der Bestrahlungspausen bei Aktivierungsanalysen.
Dabei kann man die Tritium aufnehmende Schicht langsam abkühlen und damit die Tritiumkonzentration
noch erhöhen.