DE2133671A1

DE2133671A1 - Neutronengenerator mit einer Auf treffplatte, auf die ein Wasserstoffionen strahl auftrifft

Info

Publication number: DE2133671A1
Application number: DE19712133671
Authority: DE
Inventors: Otto Eindhoven Reifenschweiler (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-07-15
Filing date: 1971-07-07
Publication date: 1972-01-20
Also published as: CA937687A; GB1285320A; FR2101681A5; NL7010431A

Description

PHN. 4960. Dr. Herbert Sch ο J* _BOSS / WJM.

PaienUnwiJ*

Anmelder: _N. γ. _Phi|_ips. Gloeilampenfabrieken

AkteNo., PHF- 4966
Anmeldung vom» 6. Juli 1971

Neutronengenerator mit einer Auftreffplatte, auf die ein Wasserstoffionenstrahl auftrifft.

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einer Auftreffplatte versehenen Neutronengenerator, welche Platte durch einen Wasserstoffionenstrahl getroffen wird.

Ein derartiger Neutronengenerator wird in dem Artikel: "A High Output Sealed-Off Neutron Tube with High Reliability and Long Life", erschienen in "Modern Trends in Activation Analysis" (1969) auf den Seiten 905 bis 910 (Proceedings of the 1968 International Conference) beschrieben. Dieser Neutronengenerator liefert Neutronen mit einer Energie von ungefähr 14 MeV, die aus Reaktionen zwischen den Kernen der schweren Isotopen von Wasserstoff¹ Deuterium und Tritium entstehen. Die zum Entstehen dieser Reaktionen erforderliche

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kinetische Energie wird dadurch erhalten, dass ein Strahl von Deuterium- und Tritiumionen einen Potentialunterschied von 150 bis 200 kV durchläuft. Da der beschriebene Neutronengenerator vom sogenannten abgeschmolzenen Typ ist, muss ein Vorrat von Deuterium und Tritium im Neutronengenerator verhanden sein, der bis zum Ende der Lebensdauer des Generators ausreicht. Hierzu befindet sich im Generator ein Druckregler, der mit fein verteiltem Titanpulver versehen ist, das bei der Herstellung des Generators mit einem Gemisch von 50$ Deuterium und 50$ Tritium gesättigt ist. Dieser Druckregler gibt im Betrieb des Generators durch Erwärmung diejenige Menge Deuterium und Tritium ab, die zur Beibehaltung des erwünschten Druckes im Generator erforderlich ist. Der Neutronengenerator enthält ferner eine Ionenquelle von einem Typ, der dazu geeignet ist, bei dem verhältnismässig niedrigen Druck zu arbeiten, der zur Beibehaltung des erwähnten Potentialunterschiedes erforderlich ist· Diese Ionenquelle isonisiert das Gasgemisch von Deuterium und Tritium. Die aus der Ionenquelle tretenden Ionen werden durch den erwähnten Potentialunterschied beschleunigt und zu einem Strahl gebündelt, treffen danach auf eine flache Auftreffplatte auf und dringen dort mit einer gewissen mittleren Eindringtiefe ein. Für die zum Entstehen von Neutronen erforderliche Reaktion zwischen Deuterium- und Tritiumkernen ist es somit erforderlich, dass die Auftreffplatte wenigstens in eine Oberflächenschicht mit einer Dicke, die ungefähr der Eindringtiefe der Ionen entspricht, absorbiertes Deuterium und Tritium enthält. Da es

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bei einem Neutronengenerator vom abgeschmolzenen Typ nicht möglich ist, während der Lebensdauer des Generators eine erschöpfte Auftreffplatte durch eine neue zu ersetzen, ist im beschriebenen Neutronengenerator eine regenerierende Auftreffplatte verwendet (drive-in target). Diese regenerierende Auftreffplatte besteht aus einer Grundplatte aus einem Material mit einem kleinen Streukoeffizienten und Absorptionskoeffizienten für Deuterium und Tritium, versehen mit einer Reaktionsschicht mit einem grossen Absorptionskoeffizienten für Deuterium und Tritium mit einer Dicke in der Grössenordnung der erwähnten Eindringtiefe. Eine derartige Auftreffplatte wird, ohne dass sie mit Deuterium und Tritium gesättigt ist, im Neutronengenerator vorgesehen und absorbiert in den ersten Lebensstunden des Generators Deuterium und Tritium des auf die Auftreffplatte auftreffenden Strahls. Das absorbierte Deuterium und Tritium kann nicht in hohem Masse zu Stellen in der Treffplatte fortdiffundieren, die tiefer liegen als die Dicke der Reaktionsschicht, weil die Grundplatte einen kleinen Streu- und Absorptionskoeffizienten für Deuterium und Tritium hat. Infolgedessen wird die Reaktionsschicht stets stärker mit Deuterium und Tritium gesättigt, wodurch die Neutronenausbeute anfängt und solange steigt, bis ein Gleichgewicht zwischen dem durch den Strahl zugeführten Deuterium und Tritium und der aus der Reaktionsschicht diffundierenden Menge erreicht ist.

Aus dem vorhergehenden ist ersichtlich, dass es beim beschriebenen bekannten Neutronengenerator von grosser

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Wichtigkeit ist, dass die Dicke der Reaktionsschicht, die ungefähr 3 /tun beträgt, während der gesamten Lebensdauer des Generators gross genug bleibt. Eine nachteilige Auswirkung ist jedoch die, dass das Material der sehr dünnen Reaktionsschicht zerstäubt, weil die Ionen mit grosser Geschwindigkeit darauf auftreffen. Die Lebensdauer der Auftreffplatte und somit des Neutronengenerators ist grundsätzlich durch die Zerstäubung der Reaktionsschicht beschränkt.

Die Erfindung bezweckt, einen Neutronengenerator mit einer Auftreffplatte zu schaffen, wobei der nachteilige Einfluss der Zerstäubung der· Reaktionsschicht in hohem Masse verringert "wird.

Erfindungsgemäss hat die Auftreffplatte in

einem Neutronengenerator, welche Platte durch einen Wasserstoff ionenstrahl getroffen wird, an der Seite des Strahls eine Oberfläche durch eine Anzahl von mit ihren offenen Seiten zum Strahl hin gewandten Trichtern gebildet, wobei die Ränder der nebeneinanderliegenden Trichter zusammenfallen. Dadurch, dass die Oberfläche der Auftreffplatte eine derartige Form erhält, wobei in der Praxis für die Trichter beispielsweise die Form einer regelmässigen Pyramide mit einer viereckigen Grundfläche und einem Spitzenwinkel gewählt wird, der kleiner ist als 90°, wird erreicht, dass ein sehr grosser Teil der zerstäubten Teilchen der Reaktionsschicht in den Trichtern bleibt und wieder auf einer anderen Stelle auf der Oberfläche derselben landet. Dies im Gegensatz zur flachen Auftreffplatte des bekannten Neutronengeiiprators, wobei

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ein ungeladenes zerstäubtes Teilchen mit einem Geschwimligkeitskomponenten, der von der Auf trennplatte weg gerichtet ist, nicht mehr darauf zurückkehrt. Die erreichte günstige Auswirkung ist selbstverständlich um so stärker, je spitzer der Spitzenwinkel der Trichter ist. Ein zusätzlicher Vorteil ist der, dass die Belastung- pro Oberflächeneinheit der Auftreffplatte geringer ist, wodurch die Kühlung der Auftroffplatte einfacher wird und weniger schnell eine Desorption des in der Reaktionsschicht absorbierten Deuteriums und Tritiums erfolgt.

Aus der USA. Patentschrift Nr. 2,251,100 ist ■ ein Neutronengenerator mit einer Auftreffplatte bekannt, die in einem spitzen Winkel durch einen Ionenstrahl getroffen

aus denen,

wird, aus anderen Gründen jedoch, als/auf denen die obenerwähnte Erfindung beruht..Aus der zu dieser Patentschrift gehörigen Zeichnung könnte gefolgert werden, dass die Auftreffplatte die Form eines einzigen Trichters hat. Die Erfindung dieser Anmeldung erfordert jedoch einen derart spitzen Winkel der Trichter, dass ein einziger Trichter zu lang wäre, wodtirch konstruktive Schwierigkeiten u_ncj Kühlungsprobleme auftreten und auch die neutronenemittierende Oberfläche eine ' ungünstige Form erhält.

Die U.S.Patentschrift Nr. 2,9.51,9^5 erwähnt ferner einen Neutronengencrator mit einer Auftreffplatte, dex-en Oberfläche bei einer der dargestellten Ausführungsformen gewellt oder gerippt ist. Ein Vorteil hiervon wäre, dass geringere »iiHchanische Spannungen infolge von Temperat uränderun-

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gen auftreten. Hier werden jedoch deutlich sehr untiefe Rippen gemeint, die gewiss nicht die Auswirkung der Erfindung in dieser Anmeldung haben.

Bei einem anderen Konstruktionsbeispiel eines erfiridungsgemässen Neutronengenerators hat die Auftreffplatte an der Seite des Strahls eine Oberfläche gebildet durch eine Anzahl V-förmiger Rillen, wobei die Ränder nebeneinanderliegender Rillen zusammenfallen. Es ist ersichtlich, dass hier bei einem ausreichend spitzen Winkel des V auf völlig dieselbe Weise, aber in einer etwas anderen Ausführung, die in Abhängigkeit von der Konstruktion des Neutronengenerators Vorteile haben kann, die Auswirkung der Erfindung erreicht wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung eines erfindunrsgemässen Neutronengenerators ist derart, dass die Rillen gradlinig und parallel sind. Dies hat in bestimmten Konstruktionen wichtige Vorteile hinsichtlich der Kühlung, die aus parallelen Kanälen zwischen den Rillen bestehen kann.

Vorteilhaft für den derfindun^sge-

mässen Neutronengenerator ist es, dass die Rillen kreisförmig und konzentrisch sind. Diese Ausführungsform ist sehr geeignet, wenn der Aussenrand der Auftreffplatte kreisförmig sein muss.

Wenn die erwähnte Konstruktion mit

kreisförmigen und konzentrischen Rillen angewendet wird, ist es günstig, wenn der Winkel jeder kreisförmigen, V-förmigen Rille eine derartige Grosse hat, dass die Verlustleistung pro Oberflächeneinheit infolge des Wasserstoffionenstrahls

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über die gesamte Auftreffplatte nahezu konstant ist. Die Stromdichte des Wasserstoffionenstrahls ist nämlich nicht konstant über den Schnitt des Strahls, sondern nimmt im allgemeinen zum Rand hin ab. Hierdurch ist die Belastung der Auftreffplatte im Zentrum dann, wenn jede Rille denselben Winkel hätte, grosser als am Rand. Durch die Anwendung von Rillen mit kleinerem Winkel im Zentrum der Auftreffplatte wird dies vermieden.

Zum Abnehmen eines Neutronenstrahls in einer senkrecht zum Ionenstrahl verlaufenden dichtung können die Eänder der Rillen oder der Trichter in einer ebenen Fläche liegen, die einen spitzen Winkel zur Richtung des Ionenstrahls bildet. Hierdurch entsteht eine grössere projizierte Oberfläche der Auftreff plat te in der erwähnten Richtung des abzunehmenden Neutronenstrahls, wodurch eine geringere Zerstreuung dieser Neutronen auftritt.

Eine besondere vorteilhafte Konstruktion besteht darin, dass der spitze Winkel 45° beträgt. Hierdurch lässt sich die projizierte Oberfläche der Auftreffplatte in Richtung des Ionenstrahls und in einer senkrecht dazu verlaufenden Richtung gleich gross machen, wodurch der Neutronengenerator universell anwendbar ist. Neutronen entstehen nämlich nahezu ohne eine Vorzugsrichtung aus den Reaktionen, so dass · es eine kugelförmige Vorteilung gibt und ein Neutronenstrahl in jeder erwünschten Richtung abgenommen werden kann und in nicht erwünschten Richtungen abgeschirmt weiten muss. Die

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sehr geringe Vorliebe -von Neutronen, .sich in Richtung des Ionenstrahls zu bewegen auf Grund des Gesetzes zur Erhaltung des Impulses und der Richtung der. auf der Auftreffplatte auftreffenden Ionen, kann im Zusammenhang mit dem sehr grossen Unterschied in der kinetischen Energie zwischen den Neutronen, nämlich ungefähr 14 MeV, und den Ionen, nämlich einige Dutzend MeV, vernachlässigt werden.

Vorteilhaft "bei dem erfindungsgemässen Neutronengenerator ist es ;ferner, wenn die Auftreffplatte einen Träger aus zickzack-gefaltetem Molybdänblech enthält. Auf diese Weise werden auf eine sehr einfache Art und Weise gradlinige und parallele V-förmige Rillen erhalten, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass der Träger zugleich an der vom Strahl abgewandten Seite mit V-förmigen Rillen versehen ist, die vorteilhaft zur Kühlung verwendet werden können. Wenn die Auftreffplatte auf eine derartige Weise im Neutronen— generator befestigt wird, dass die Rander der Rillen in einer ebenen Fläche liegen, die zur Strahlenrichtung einen spitzen Winkel bildet, so wird die Richtung der Rillen vorzugsweise parallel zur Projektion der Achse des Strahles auf die erwähnte ebene Fläche gewählt.

Die Erfindiang wird nunmehr anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemässen Neutronengenerator,

Fig. 2 die Auftroffplat to des in Fig. 1 dnrgp-

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stellten Feutronengenerators im Querschnitt in einem grösse— ren Masstab,

Fig. 3 den wirksamen Teil der Auftreffplatte nach Fig. 2 in Draufsicht, und

Fig. h dan unteren Teil eines Neutronengenerators, dessen Auftreffplatte einen Winkel von 45° zum Jonenstrahl bildet.

Der Neutronengenerator in Fig. 1 enthält eine

Glasshülle 1, eine Ionenquelle 2 mit einer Ionenaustrittsöffnung 3i einen Hochspannungsanschluss k_f einen Anschluss 5 für die Anodenspannung der Ionenquelle 2, eine Beschleunigungselektrode 6 mit einer öffnung 7 und eine Auffcreffplat te 8* Der Neutronengenerator ist ferner mit einem Druckregler 9 für die Deuterium- Tritiumfüllung des Neufcronengenerators versehen, mit einem Ionisationsmanometer und einer Schirmelektrode 11, mit einer Öffnung I2,

In der Ionenquelle 2 wird mit Hilfe einer

Anodenspannung von k bis 8 kV ein Deuterium- Tritium-Gasgemisch ionisiert, dessen Druck durch die Lieferung von Gas durch den Druckregler 9 auf einem geeigneten Wert gehalten wird. Der Druckregler kann durch Erwärmung Gas abgeben, dass In feinverteiltem Titanpulver absorbiert ist. Die Ionenquelle 2 befindet sich auf einer positiven Spannung von I50 bis 200 kV gegenüber der Beschleunigungselektrode 6. Die in der Ionenquelle 2 gebildeten Ionen erfahren dadurch ein beschleunigendes elektrisches Feld und verlassen die Ionenquelle 2 durch die Öffnung 3· Der gebildete Ionenstrahl geht danach durch

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die Öffnung 7 in der Beschleunigungselektrode 6, und durch die Öffnung 12 in der Schirmelektrode 11 und trifft danach auf die Auftreffplatte 8 auf. Die Beschleunigungselektrode hat ein negatives Potential von einigen Hundert Volt gegenüber der Schirmelektrode 11 und der Auftreffplatte 8, um zu verhindern, dass die auf der Auftreffplatte gebildeten Sekundärelektronen zur Ionenquelle 2 beschleunigt werden.

In Fig. 2 ist die Auftreffplatte im grösseren Masstab dargestellt. Diese Figur wird mit Fig. 3 zusammen betrachtet, die eine Draufsicht, von der Seite der Ionenquelle her gesehen, des wirksamen Teiles der Auftreffplatte darstellt. Der wirksame Teil 13 der Auftreffplatte ist aus einer Kupferplatte hergestellt, in der zu beiden Seiten V— förnilge, geradlinige Rillen gefasst sind. Die Längsrichtung dieser Rillen steht senkrecht zu der Zeichnungsebene der FIg. 1 und 2. An der Seite der Ionenquelle befinden sich 11 Rillen, von denen eine mit 14 bezeichnet ist. Eine der Rillen au eier anderen Seite Ist mit 15 bezeichnet. Durch diese letzten Rillen wird Kühlwasser geleitet. Der wirksame Teil 1') tief Auftreffplatte befindet sich in einem Gehäuse 16, das auf die in Fig. 1 sichtbare Weise am Neutronengenerator befestigt ist. Das Gehäuse 16 ist gleichfalls aus Kupfer hergestellt. Die Rillen an der Seite der Ionenquelle, von denen eine mit lh bezeichnet ist, sind mit einer ca. 3 /um dicken Ti.tansch.icht bedeckt. Diese Schicht bildet die Reaktionsschicht, da Titan ein hohen Absorptionskoeffizienten für Wasserstoff hat, und muss somit hinreichend dick bleiben.

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Der Winkel der Rillen 14 beträgt ca. 19°. Dieser kleine Winkel hat zur Folge, dass zerstäubte Teilchen der Reaktions— schicht eine gute Möglichkeit haben, anderswo auf der Oberfläche der Reaktionsschicht zu landen, wodurch die Auswirkung der Zerstäubung viel geringer ist als ohne die Anwendung der Erfindung.

In Fig. k ist der untere Teil 17 eines Neutronengenerators dargestellt, der mit einer Auftreffplatte 8 versehen ist, die einen Winkel von h5° zur Richtung 18 des Ionenstrahls bildet. Die Längsrichtung der Rillen verläuft parallel zu einer Ebene quer durch die Achse des Ionenstrahls. Hierdurch wird erreicht, dass die" Auftreffplatte in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen dieselbe profitierte Oberfläche hat, was den Neutronengenerator von allgemeinerer Anwendbarkeit macht. Zu- und Abführungsöffnungen für Kühlwasser sind 19 und 20.

Wie bereits erwähnt, können die Rillen 14 und 15 auch durch zickzack-gefaltetes Molybdänblech gebildet werden.

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Claims

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- 12 PATENTANSPRÜCHE .

Λ, j Neutronengenerator mit einer Auftreffplatte,

die durch einen Wasserstoffionenstrahl getroffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffplatte an der Seite des Strahls eine Oberfläche durch eine Anzahl von mit ihren offenen Seiten zum Strahl hin gewandten Trichtern gebildet hat, wobei die Ränder der nebeneinanderliegenden Trichter zusammenfallen.
2. Neutronengenerator mit einer Auftreffplatte

die durch einen Wasserstoffionenstrahl getroffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffplatte an der Seite des Strahls eine Oberfläche durch eine Anzahl V-förmiger Rillen gebildet hat, wobei die Ränder der nebeneinanderliegenden Rillen zusammenfallen.

3· Neutronengenerator' nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, dass die Rillen geradlinig und parallel sind. k. Neutronengenerator nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, dass die Rillen kreisförmig und konzentrisch sind.

5· Neutronengenerator nach Anspruch k, dadurch

gekennzeichnet, dass der Winkel jeder kreisförmigen V-förmigen Rille eine derartige Grosse aufweist, dass die Verlustleistung pro Oberflächeneinheit infolge des Wasserstoffionen· Strahls über die gesamte Auftreffplatte nahezu konstant ist. 6. Neutronengenerator nach Anspruch 1, 2, 3 t ^

oder 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder der Trichter oder Rillen in einer ebenen Fläche liegen, die einen spitzen Winkel zur Richtung des Strahls bildet.

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7· Neutronengenerator nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, dass der spitze Winkel 45° beträgt. 8. Neutronengenerator nach Anspruch 3» 6 oder 7»

dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffplatte einen Träger aus zickzack-gefaltetem Molybdänblech enthält.

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