DE1764876C - Metallhydridhaitiges Target zur Erzeugung von Neutronen - Google Patents

Description

1 764 87t

Die Erfindung bezieht sich auf ein metallhydridhaltiges Target zur Erzeugung von schnellen Neutronen durch Beschüß mit Deuteronen, Das heißt, das mit den schweren WnsserstolTisotopen Deuterium oder Tritium beladene Target wird mit einem Deuteronenstrahl mit einer Energie von einigen 100 keV beschossen und sendet gemäß den bekannten Kernreaktionen Did.npHejTid.n^He Neutronen aus. Derartige Targets sind aus der französischen Patentschrift 1 408 536 bekannt.

Die derzeit bekannten Targets enthalten die Wasserstoffisotope in Form von Mctallhydriden, die auf einer passiven Unterlage (wie Silber, Kupfer, Molybdän ...) nach bekannten Verfahren abgeschieden worden sind. Diese passiven Unterlagen oder Halterungen ermöglichen die Montage der Target im Strahlengang der Deuteronen eines Beschleunigers sowie gleichzeitig eine Verteilung der vom Auftreffen der Deuteronen auf das Targetmaterial herrührenden Energie, Selbstverständlich setzt ein gutes Funktionieren der Targets sowie eine brauchbare Reproduzierbarkeit der Ergebnisse besonders gute Haftung der Hydridschichten auf der Halterung bzw. Unterlage voraus. Weiterhin müssen die Auswirkungen der intensiven Bestrahlung des Targets so gering wie möglich sein, damit die unter der Bezeichnung »Versprühen« oder »Sputterung« bekannte Erscheinung einer Loslösung von Atomen aus dem Targetmaterial vermieden wird. Schließlich muß für einen möglichst hohen und mit der Zeit nur langsam abnehmenden Neutroncnfluß eine chemisch mögliehst stabile Deuterium- oder Tritiumverbindung verwendet werden, die eine möglichst große Menge des jeweils betrachteten Wasserstoffisotope enthält. Aus diesem Grunde wurden die bisher gebräuchlichen Targets durch eine dünne Schicht (in der

ίο Gegend von 1 mg/cm-) aus einem Hydrid der Metalle Titan, Zirkonium, Yttrium oder der benachbarten seltenen Erden gebildet. Obgleich derartige Targets eine gute Wärmebeständigkeit aufweisen und merkliche Mengen an Tritium und/oder Deuterium ent-

halten können, ist eine vollkommene Haftung der Hydridschichten auf ihren Unterlagen bzw. Halterungen nicht immer gewährleistet, was eine verläßliche Fabrikation problematisch macht und im übrigen die Lebensdauer dieser Targets begrenzt.

ao Diese mangelhafte Haftung hängt insbesondere mit der merklichen Volumenzunahme zusammen, von der die Bildung der Metallhydride begleitet wird. So entspricht beispielsweise die Änderung der Dichte vom Metall zum entsprechenden Hydrid, wie in der

nachfolgenden Tabelle gezeigt wird, einer Volumenzunahme, die je nach Metall zwischen 12,5 und 13,5% liegen kann:

Zr

ZrH₂ j Material Hf I HfH₂

Ti

TiH₂

Dichte

Volumenzunahme

6,4

5,625

12,5Vo

13,3 11,48

13,5%

4,5

3,75

13,3%

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Targets für die Erzeugung von Neutronen mit verbessertem Verhalten, insbesondere besserer Haftfähigkeit auf der Unterlage und geringere Veränderung während des Betriebs und mithin einer längeren Lebensdauer zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei den eingangs genannten Targets erfindungsgemäß gelöst durch eine Schicht aus einer Mischung von Hydriden aus zumindest je einem Metall von zwei verschiedenen Gruppen, von denen die eine bei der Hydrierung eine Volumenzunahme und die andere eine Volumenabnahme zeigt. Die jeweiligen Mengen dieser beiden Metalle werden dabei derart gewählt, daß die Mischung unabhängig von ihrem Gehalt an Wasserstoffisotopen nur eine geringe Dichteänderung aufweist.

Gemäß der Erfindung werden demnach die Targets aus zumindest zwei unterschiedlichen Metallen hergestellt, die einer reaktionsfähigen, das in das Target einzuführende Wasserstoffisotop enthaltenden Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt werden und dabei Hydride bilden, von denen das eine eine geringere und das andere eine höhere Dichte aufweist als das Metall, so daß sich die Aufweitung und Kontraktion des Materials gegenseitig aufheben.

Die Metalle der ersten Gruppe (die bei der Hydridbildung eine Volumenzunahme erfahren) können aus der Gruppe Zirkonium, Hafnium, Titan, Yttrium oder Seltenerdmetallen ausgewählt werden, während als Metalle der zweiten Gruppe insbesondere Calcium, Strontium, Ytterbium oder Europium verwendet werden. Beispielsweise beträgt die bei der Bildung von Ytterbiumhydrid festgestellte Kontraktion etwa 13,5 Volumprozent, und sie liegt beim Europiumhydrid in der Gegend von 19 %.

Die für die Herstellung derartiger Targets angewendete Arbeitsweise ist an sich bekannt und umfaßt folgende Maßnahmen:

1. Herstellung von relativ dicken Targets

Die gewünschten Metallhydridmischungen werden ausgehend von einer Pulvermischung von Metallen der angegebenen Gruppen (in solchen Mengenverhältnissen, daß die Dichteänderung während der Hydrierung praktisch gleich Null ist) hergestellt. So kann man z.B. eine aus 50% Hafnium und 50% Ytterbium oder auch aus 55% Neodym und 45% Ytterbium gebildete Mischung für diese Behandlung wählen. Diese Metallpulvermischung wird dann in einer das gewünschte, in das Target einzuführende Isotop enthaltenden Wasserstoffumgebung einer Hydrierungsreaktion unterworfen. Die erhaltene Hydridmischung wird anschließend bei hoher Temperatur in Gegenwart desselben Wasserstoffisotops derart gesintert, daß eine kompakte Tablette von einigen zehntel mm Dicke und einem etwas größeren Durchmesser erhalten, als dem Durchmesser des auftreffenden Deuteronenbündels entsprechen würde. Diese Tablette wird dann in eine gut wärmeleitende Halterung bzw. Unterlage eingesetzt.

Die so hergestellten Targets weisen außer einer hohen mechanischen Stabilität einen merklichen Ge-

halt an dem gewünschten Wasserstoffisotop auf, was insgesamt cine bclrüchtlichc Lebensdauer gewährleistet, Schließlich können infolge der Hydriidschichtdickc Dcuturoncnstrahlcn hoher Energie und damit großer Eindringtiefc verwendet werden. S

2. Herstellung von dünnen Targets

Wie im vorangehenden Beispiel wird eine Pulvermisclumg aus Metallen der beiden genannten Gruppen zur Bildung einer Verbindung bzw. Zusammen-Setzung verwendet, die während der Änderungen des WasserstolTisotopengehaltes keine Dimensionsänderungen erleidet. Daneben wird eine Halterung bzw. Unterlage guter Festigkeit bzw. Steifigkeit und ausgezeichneter Haftfähigkeit gegenüber dem Hydrid »5 sowie guter Wärmeleitfähigkeit erreicht. !Diese zunächst polierte und mit Ultraschall in reinem Alkohol gereinigte Unterlage wird im Hochvakuum bei erhöhter Temperatur (10-^emmHg; 500⁰C) entgast. Anschließend werden im Hochvakuum nach herkömmlichen Verfahren die beiden ausgewählten Metalle mit einer kontrollierten Geschwindigkeit (auf der entgasten Unterlage) abgeschieden. Der erhaltene Metallfilm wird dann in einer Deuterium- und/oder Tritiumatmosphäre bis zur Absorption der (»ewünschten Menge des betrachteten Isotops aufgeheizt. Die in dieser Weise erhaltenen Targets zeigen eine beträchtlich verbesserte Haftung und höhere Beständigkeit gegenüber der »Versprühen« bzw. »Sputtering« genannten Erscheinung.

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Metallhydridhaltigcs Target zur Erzeugung von schnellen Neutronen durch Beschüß mit Deuteronen, gekennzeichnet durch eine Schicht aus einer Mischung von Hydriden aus zumindest je einem Metall von zwei verschiedenen Gruppen, von denen die eine während der Hydrierung eine Volumenzunahme und die andere eine Volumenabnahme zeigt.

2. Target nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle der ersten Gruppe unter den Metallen Zirkonium, Hafnium, Titan, Yttrium oder Seltenerdmetallen ausgewählt werden.

3. Target nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle der zweiten Gruppen aus den Metallen Calcium, Strontium, Ytterbium oder Europium ausgewählt werden.

4. Target nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Anteile der Metalle der ersten und zweiten Gruppe derart gewählt werden, daß sich die Materialaufweitung und -kontraktion während der Hydrierung unabhängig von der Wasserstoffkonzentration im Target gegenseitig kompensiert.