DE2941096A1

DE2941096A1 - Neutronengenerator mit einer auftreffplatte

Info

Publication number: DE2941096A1
Application number: DE19792941096
Authority: DE
Inventors: Johannes Karl Ewald Colditz
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-10-13
Filing date: 1979-10-10
Publication date: 1980-04-30
Also published as: US4298804A; JPS5553899A; FR2438953B1; GB2033651B; FR2438953A1; NL7810299A; GB2033651A

Description

Neutronengenerator mit einer Auftreffplatte

Die Erfindung bezieht sich auf einen Neutronengenerator mit einer Auftreffplatte, die von einem Bündel von Wasserstoffionen getroffen wird und die eine Metallschicht mit einem großen Absorptionskoeffizienten für Wasserstoff enthält, die auf einer Trägerschicht aus einem Metall mit einem kleinen Absorptions- und Diffusionskoeffizienten für Wasserstoff und einem großen Wärmeleitungskoeffizienten angebracht, ist, wobei sich zwischen der Metallschicht und der Trägerschicht eine erste Zwischenschicht befindet, die aus einem anderen Metall mit einem großen Wärmeleitungskoeffizienten und einem niedrigen Sputterverhältnis besteht.

In einem derartigen Neutronengenerator werden Neutronen erzeugt, die bei Reaktionen zwischen Kernen der schweren Isotope von Wasserstoff, Deuterium und Tritium entstehen. Diese Reaktionen treten

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dadurch auf, daß eine Auftreffplatte, die Deuterium und Tritium enthält, mit einem Bündel von Deuterium- und Tritiumionen beschossen wird, die einen Potentialunterschied von 150 bis 250 kV durchlaufen haben. Die Deuterium- und Tritiumionen werden in einer Ionenquelle erzeugt, in der ein Gasgemisch von Deuterium und Tritium ionisiert wird. Die Kollision zwischen einem Deuteriumkern und einem Tritiumkern ergibt ein Neutron mit einer Energie von 14 MeV und ein Alphateilchen mit einer Energie von 3,6 MeV.

Die Auftreffplatte eines derartigen Neutronengenerators wird gewöhnlich durch eine dünne Schicht mit einem großen Absorptionskoeffizienten für Wasserstoff gebildet, die auf eine Trägerschicht mit einem kleinen Absorptions- und Diffusionskoeffizienten für Wasserstoff aufgedampft ist. Für die wasserstoffabsorbierende Schicht wird gewöhnlich ein Metall aus der Gruppe Ti, Zr, Sc, Y oder der Lanthanoide und für das Metall der Trägerschicht z.B. Cu oder Ag wegen der guten Wärmeleitung dieser Metalle gewählt. Die Lebensdauer der wasserstoffabsorbierenden Metallschicht wird im allgemeinen durch das Wegsputtern der Schicht unter dem Ionenbeschuß beschränkt. Für die wasserstoffabsorbierende Schicht werden denn auch vorzugsweise Metalle gewählt, die verhältnismäßig langsam wegsputtern, wie z.B. Ti und Sc. Die Trägerschicht muß gekühlt werden, um die bei dem Ionenbeschuß und den Reaktionen freiwerdende Wärme abzuleiten. Die Wärmeleitung des Metalls der Trägerschicht muß daher gut sein. Vorzugsweise wird denn auch Cu oder Ag als Material für die Trägerschicht verwendet.

Die Lebensdauer derartiger Auftreffplatten ist beschränkt, weil das Bündel einfallender Deuterium- und Tritiumionen eine inhomogene Intensitätsverteilung aufweist. Dadurch wird an der Stelle der höchsten Ionendichte die dünne wasserstoffabsorbierende Schicht verhältnismäßig schnell weggesputtert, so daß nach kurzer Zeit die Trägerschicht

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frei zu liegen kommt. Die Metalle der Trägerschicht, wie Cu und Ag, sputtern sehr schnell weg, wobei der verbleibende Teil der wasserstoffabsorbierenden Schicht mit einer Cu- oder Ag-Schicht überzogen wird. Dadurch nimmt die Neutronenausbeute sehr schnell ab, wobei außerdem die Gefahr besteht, daß das Ionenbündel ein Loch in die Trägerschicht bis in die Kühlung bohrt.

Es ist bekannt, zur Vermeidung dieser Erscheinung zwischen der wasserstoffabsorbierenden Schicht und der Trägerschicht eine Zwischenschicht aus einem Metall anzubringen, das eine hohe Beständigkeit gegen den Ionenbeschuß aufweist und somit nicht schnell wegsputtert und dis außerdem eine gute Wärmeleitung besitzt. Die Zwischenschicht dient zugleich als Sperre, die verhindert, daß Wasserstoff zu der Trägerschicht diffundiert. Geeignete Materialien für die Zwischenschicht sind Metalle aus der Gruppe Mo, W, Ta, Cr, Nb und Al.

Ein Neutronengenerator der eingangs genannten Art ist aus der GB-PS 974 622 bekannt. Darin wird eine Auftreffplatte beschrieben, deren wasserstoffabsorbierende Schicht auf einer Trägerschicht aus z.B. Cu oder Ni angebracht ist, die mit einer Schicht aus z.B. Mo, W oder Cr überzogen ist.

Um eine gute Haftung zwischen den Metallen der Zwischenschicht und der Trägerschicht zu erhalten, können die Metalle der Zwischenschicht z.B. im Ultrachochvakuum auf das Metall der Trägerschicht aufgedampft werden. Auf diese Weise können gut haftende Zwischenschichten bis zu einer Dicke von etwa 15 /um aufgedampft werden.

Zum Erhalten hoher Neutronenausbeuten sind große Ionenströme erforderlich. Es hat sich herausgestellt, daß die Lebensdauer von Auftreffplatten mit einer Zwischenschicht zwischen der wasserstoffabsorbierenden Schicht und der Trägerschicht bei derartigen hohen Ionenströmen

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- 6 noch zu wünschen übrig läßt.

Es stellt sich heraus, daß bei großen Ionenströmen die Lebensdauer der Zwischenschicht nicht mehr durch das Wegsputtern des Metalls der Zwischenschicht unter der Einwirkung des Ionenbeschusses, sondern durch sogenannte Strahlungsbeschädigung bestimmt wird. Ein Teil der auf die Auftreffplatte auffallenden Deuterium- und Tritiumionen gelangt nämlich in die dünne Zwischenschicht. Bei niedrigen Ionenströmen diffundiert dieser Wasserstoff wieder aus der Zwischenschicht, so daß sich eine Gleichgewichtssituation ergibt, in der eine gleiche Menge Wasserstoff aus der Zwischenschicht diffundiert wie die in die Zwischenschicht gelangende Wasserstoffmenge. Bei hohen Ionenströmen ist die Diffusionsgeschwindigkeit aber zu gering, so daß sich in einer dünnen Schicht Wasserstoffgas anhäuft. Dieses Wasserstoffgas bildet Gasblasen, in denen der Druck derart hoch ansteigen kann, daß diese Gasblasen zerplatzen, wodurch die Zwischenschicht zerbrochen wird.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen Neutronengenerator mit einer Auftreffplatte anzugeben, bei dem die Auftreffplatte eine längere Lebensdauer aufweist, wenn sie mit Wasserstoffionenbündeln mit einer hohen Ionendichte beschossen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich zwischen der Trägerschicht und der ersten Zwischenschicht eine zweite Zwischenschicht befindet, die aus einem Metall besteht, dessen linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient eine Größe zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Trägerschicht und der ersten Zwischenschicht aufweist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zur Vermeidung des Aufblähens der Zwischenschicht in kurzer Zeit durch die sogenannte Strahlungsbeschädigung Zwischenschichten mit größeren Dicken erforderlich sind. Das Anbringen dickerer Zwischenschichten aus Materialien, die eine hohe Beständigkeit gegen Ionenbeschüsse aufweisen, ergibt den Nachteil,daß die PHN 9256 - 7 -

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Haftung derartiger Zwischenschichten an der Trägerschicht schlecht ist. Die Zwischenschichten werden nämlich bei hoher Temperatur auf die Trägerschicht aufgedampft. Beim Abkühlen lösen sich dickere Zwischenschichten stellenweise durch den großen Unterschied zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Metalle der Zwischenschicht und der Trägerschicht ab. Dadurch, daß zwischen der ersten Zwischenschicht und der Trägerschicht eine zweite Zwischenschicht aus einem Metall angebracht wird, dessen linerarer Ausdehnungskoeffizient zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der ersten Zwischenschicht und der Trägerschicht liegt, hat es sich als möglich erwiesen, Zwischenschichten aus einem gut gegen den Ionenbeschuß beständigen Metall mit einer Dicke von einigen Hundert /um anzubringen.

Die wasserstoffabsorbierende Schicht enthält vorzugsweise ein Metall der Gruppe Ti, Zr, Sc, Y oder der Lanthanoide, während für das Metall der Trägerschicht Cu oder Ag gewählt wird. Geeignete Metalle für die erste Zwischenschicht, die gut gegen Ionenbeschüsse beständig sind, gehören zu der Gruppe Mo, W, Ta, Cr, Nb oder Al. Besonders geeignete Metalle für die zweite Zwischenschicht bei einer ersten Zwischenschicht aus Mo, W, Ta, Cr oder Nb sind V und Ni. Die linearen Ausdehnungskoeffizienten von V und Ni liegen zwischen denen der genannten Metalle der Trägerschicht und der ersten Zwischenschicht, während die Haftung von V und Ni sowohl an den Metallen der Trägerschicht als auch an den Metallen der ersten Zwischenschicht gut ist. Bei einer ersten Zwischenschicht aus Al ist ein geeignetes Metall für die zweite Zwischenschicht Ag, wobei für das Metall der Trägerschicht Cu gewählt werden soll. Der lineare Ausdehnungskoeffizient von Ag liegt zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten von Al und Cu.

Durch das Anbringen einer zweiten Zwischenschicht, die eine Dicke von höchstens 10 /um aufweist, hat es sich als möglich

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erwiesen, eine erste Zwischenschicht aus einem Metall aufzudampfen, die eine Dicke von mindestens etwa 15 /um, vorzugsweise 100 /um, aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a einen Neutronengenerator, in dem die Auftreffplatte nach der Erfindung verwendet wird und

Fig. 1b einen Teil der Auftreffplatte der Fig. 1a in vergrößertem Maßstab.

Der in Fig. 1a gezeigte Neutronengenerator enthält in einem Kolben 1 ein Gasgemisch, das aus 50 % Deuterium und 50 % Tritium mit einem Druck von 0,26 - 0,4 Pa besteht. Von einem Druckregler 2 wird das Gasgemisch geliefert und dessen Druck auf dem richtigen Wert gehalten. Der Druckregler enthält eine große Menge des Gasgemisches, in feinverteiltem Titanpulver absorbiert, und kann dieses Gemisch durch Erhitzung abgeben. Der Gasdruck wird mit Hilfe eines Ionisationsmanometers 9 geprüft.

Das Gemisch von Deuterium und Tritium wird in der Ionenquelle 3 ionisiert und ein Bündel positiver Deuteriumionen und Tritiumionen wird aus der Ionenquelle durch die Beschleunigungselektrode 4 extrahiert. Die Ionenquelle 3 liegt an einem positiven Potential von 250 kV in bezug auf die Beschleunigungselektrode 4.

Die Ionenquelle 3 enthält eine Anode 10, eine erste Kathode und eine zweite Kathode 12. Die Kathoden 11 und 12 weisen das gleiche Potential auf. Die Anode 10 weist ein positives Potential von 4 kV gegenüber den Kathoden 11 und 12 auf. Die Ionenquelle 3 enthält weiter einen Dauermagneten 13, der derart magnetisiert ist, daß ein axiales Magnetfeld mit einer zu dem Pfeil 14 parallelen Hauptrichtung entsteht. Ein dauermagnetischer Ring 15 ist derart magnetisiert, daß dieses Feld in der Nähe der zweiten Kathode 12 verstärkt wird. PHN 9256 - 9 -

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Der Magnetkreis, von dem die Dauermagnete 13 und 15 einen Teil bilden, ist unter Umgehung der Anode 10 durch die ferromagnetische Buchse 16 geschlossen. Die Anodenspannung wird über den Anschluß 17 zugeführt. Die Hochspannung, die die Kathoden 11 und 12 auf ein Potential von 250 kV gegenüber der Beschleunigungselektrode 4 bringt, wird über den Anschluß 18 zugeführt.

Die Kathode 11 und der Dauermagnet 13 sind mit einer axialen Durchbohrung 21 versehen.Negative Ionen und Elektronen, die durch Ionisation mit dem Ionenbündel im Gebiet 19 entstehen und eine große Energie aufweisen können, werden in Richtung auf die Ionenquelle beschleunigt. Diese Teilchen passieren die Ionenaustrittsöffnung 20 und die Durchbohrung 21 und treffen dann die Sammelelektrode 22.

Die Gasentladung in der Ionenquelle 3 hat einen Anodenstrom von etwa 50 mA zur Folge. Das Ionenbündel, das aus der Ionenquelle 3 extrahiert wird, weist eine Stromstärke von etwa 20 mA auf. Das erzeugte Ionenbündel passiert die Schirmelektrode 5 und trifft die Auftreffplatte 26. Ein Teil der Auftreffplatte 26 ist vergrößert in Fig. 1b dargestellt.

Die Auftreffplatte 26, die ellipsenförmig ist und eine Hauptachse von etwa 7 cm aufweist, besteht aus einer Trägerschicht 30 aus Kupfer, auf der nacheinander eine 5 /um dicke Schicht 29 aus Vanadium, eine 100 /um dicke Schicht aus Molybdän und eine 5 /um dicke Schicht 27 aus Titan angebracht sind.

Die Schicht 27 aus Titan ist mit Deuterium und Tritium gesättigt. Das beschleunigt auf die Auftreffplatte einfallende Ionenbündel mit einer Stromstärke von 20 mA und einer Energie von 250 keV hat eine Neutronenausbeute von

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etwa 10 Neutronen/sec zur Folge. Die Neutronenausbeute

wird insbesondere aus dar Reaktion zwischen Deuterium und Tritium PHN 9256 - 10 -

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erhalten. Die Kollision mit einer Energie von 250 keV zwischen einem Deuteriumkern und einem Tritiumkern ergibt ein Neutron mit einer Energie von etwa 14· MeV und ein Alphateilchen mit einer Energie von etwa 3,6 MeV. Es sei bemerkt, daß in geringem Maße bei Zusammenstoßen zwischen zwei Deuteriumkernen auch Neutronen gebildet werden. Diese Neutronen weisen eine viel geringere Energie auf. Die Neutronen mit einer Energie von 14 MeV bilden die nützliche Ausbeute

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von etwa 10 Neutronen/sec des Generators.

Um zu verhindern, daß Sekundärelektronen, die auf der Auftreff platte 26 erzeugt werden, zu der Ionenquelle hin beschleunigt werden, weist die Schirmelektrode 5 ein negatives Potential von einigen Hundert Volt in bezug auf die Auf-

1P treffplatte 26 auf. Der für Neutronenausbeuten von etwa 10 Neutronen/sec benötigte Ionenstrom von etwa 20 mA führt eine große Wärmebelastung für die Auftreffplatte herbei. Diese Wärme, die in der Titanschicht 27 entwickelt wird, wird über die gut wärmeleitenden Schichten 28 und 29 zu der Kupferschicht 30 abgeleitet, die gekühlt wird. Dadurch, daß das Ionenbündel eine inhomogene Intensitätsverteilung aufweist, wird die Titanschicht 27 an der Stelle der größten Ionendichte verhältnismäßig schnell weggesputtert. Dadurch dringt auch Wasserstoff in die Mo^bdänschicht 28 ein. Dadurch, daß nach der Erfindung die Molybdänschicht 28 eine Dicke von mehr als 100 /um aufweist, wird die Lebensdauer der Molybdänschicht erheblich verlängert. Das Anbringen einer Molybdänschicht 28 mit einer Dicke von einigen Hundert /um ist nach der Erfindung dadurch möglich, daß zwischen der Molybdänschicht 28 und der Kupferträgerschicht 30 eine dünne Schicht 29 aus Vanadium angebracht wird. Dadurch,daß der lineare Ausdehnungskoeffizient von Vanadium zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Molybdänschicht 28 und der Kupferträgerschicht 30 liegt, bleibt die Haftung der Molybdänschicht 28 an der Trägerschicht 30 beim Abkühlen nach dem Aufdampfen bei

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einer Temperatur von etwa 400⁰C gut. Dies ist u.a. darauf zurückzuführen, daß bei diesen hohen Temperaturen die Vanadiumschicht 29 in geringem Maße in die Trägerschicht 30 und die Molybdänschicht 28 eindiffundiert.

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L e e r s e i t e

Claims

N.V. Philips'Gloeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland

PATENTANSPRÜCHE;

Neutronengenerator mit einer Auftreffplatte, die von einem Bündel von Wasserstoffionen getroffen wird und die eine Metallschicht mit einem großen Absorptionskoeffizienten für Wasserstoff enthält, die auf einer Trägerschicht aus einem Metall mit einem kleinen Absorptions- und Diffusionskoeffizienten für Wasserstoff und einem großen Wärmeleitungskoeffizienten angebracht ist, wobei sich zwischen der Metallschicht und der Trägerschicht eine erste Zwischenschicht befindet, die aus einem anderen Metall mit einem großen Wärmeleitungskoeffizienten und einem niedrigen Sputterverhältnis besteht, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Trägerschicht (30) und der ersten Zwischenschicht (2 8) eine zweite Zwischenschicht (29) befindet, die aus einem Metall besteht, dessen linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient eine Größe zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Trägerschicht (30) und der ersten Zwischenschicht (28) aufweist.
2. Neutronengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der Schicht (27) mit einem großen Absorptionskoeffizienten für Wasserstoff zu der Gruppe Ti, Zr, Sc, Y der Lanthanoide gehört, und daß das Metall der Trägerschicht (30) Cu oder Ag ist.
3. Neutronengenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der ersten Zwischenschicht (28) zu der Gruppe Mo, W, Ta, Cr oder Nb gehört, und daß das Metall der zweiten Zwischenschicht (29) V oder Ni ist.
4. Neutronengenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der ersten Zwischenschicht (28) Al,das Metall der zweiten Zwischenschicht (29) Ag und das Metall der Trägerschicht (30) Cu ist.

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5. Neutronengenerator nach Anspruch 1, 2, 3 oder A, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zwischenschicht (29) eine Dicke von höchstens 10 /um aufweist.
6. Neutronengenerator nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zwischenschicht (28) eine Dicke von mindestens etwa 15 /um aufweist.
7. Neutronengenerator nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder dadurch gekennzeichnet,daß die erste Zwischenschicht (29) eine Dicke von etwa 100 /um aufweist.
8. Auftreffplatte für einen Neutronengenerator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.

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