KR20080045673A - 능동적인 핵 물질 검출을 위한 소형 중성자 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 소형 중성자 발생기는 이동 가능한 검출 시스템을 사용하여 고농축 우라늄의 능동적인 검출을 위한 것이다. 작은 사이즈, 경량, 낮은 전력 소모의 중성자 발생기는 작업 및 유지가 용이하다. 검출기는 간략화된 이온 소스 및 이온 운반 시스템에 기초한다.
중성자, 발생기, 고농축 우라늄, 중수소, 삼중수소, 이온화, 검출

Description

능동적인 핵 물질 검출을 위한 소형 중성자 발생기{MINIATURE NEUTRON GENERATOR FOR NUCLEAR MATERIALS DETECTION}
본 출원은 그 전체에 있어서 참조에 의해 본원에 합체된 2005년 6월 29일자 출원된 미국 가출원 제60/695,368호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 이동 가능한 검출 시스템으로 고농축 우라늄(HEU, Highly enriched uranium)의 능동적인 검출을 위한 소형 중성자 발생기의 사용에 관한 것이다.
미국 국토안보국(Homeland Security)에서 가장 도전적인 문제들중 하나는 대량 살상 및 다른 수출입 금지품에 대한 검출 기술이다. 본 발명은 핵물질, 특히 HEU 및 무기급(weapon-grade) 플루토늄("WGPu")과 같은 무기 유용 물질을 검출하는 전도 유망한 기술에 대한 것이다.
이동 가능한 검출 시스템으로 HEU의 능동적인 검출을 위하여, 작은 사이즈, 경량의 중성자 발생기 및 검출기가 필요하다.
이러한 소형 중성자 발생기는 이동 가능한 검출 시스템을 사용하여 HEU의 능동적인 검출을 위한 것이다. 작고 경량이며 낮은 전력 소모의 중성자 검출기는 작업 및 유지가 용이하다. 검출기는 간략화된 이온 소스 및 이온 운반 시스템에 기초 한다.
하나의 양태에 있어서, 본 발명은 중수소 가스 충전 챔버, 고전압 전원 장치, 필드(field) 이온화 이온 소스, 적어도 하나의 탄소 나노튜브, 나노로드 또는 다중 핀 텅스텐 양극 및 음극을 포함하는 중성자 발생기를 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 중수소 가스 충전 챔버, 125-150 kV의 고전압 전원 장치, 텅스텐 팁을 포함하는 이온화 소스, 양극 및 삼중수소 적재 티타늄의 두꺼운 타겟(target)을 포함하는 중성자 발생기가 제공되며, 발생기 중량은 10㎏ 미만이다.
본 발명의 추가의 양태에 있어서, 고전압 전계에 의해 중수소의 필드 이온화를 발생시키는 단계, 타겟을 때리도록 이온을 가속화하여 중수소-삼중수소 반응을 발생시키는 단계, 및 데이터를 수집하여 분석하는 단계를 포함하는 타겟과 관련된 고농축 우라늄 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 추가의 양태에 있어서, 적어도 하나의 탄소 나노튜브, 나노로드 또는 다중핀 텅스텐 양극을 사용하여 고전압 전계를 발생시키는 단계, 필드 이온화 소스를 사용하여 이온 전류를 제공하는 단계, 중수소-삼중수소 중성자를 발생시키기 위하여 이온 전류가 타겟을 때리도록 이온 전류를 125-150kV까지 가속화하는 단계, 및 데이터를 수집하여 분석하는 단계를 포함하는 타겟과 관련된 고농축 우라늄 검출 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 소형의 중성자 발생기의 개략도.
본 발명에서, 소형 중성자 발생기는 109n/s의 중성자 핵출력(yield)을 위하여 개발되었다. 이러한 중성자 발생기의 이온 소스는 필드 이온화 이온 소스이다. 탄소 나노튜브(CNT) 또는 나노로드(NR)의 양극(anode)은 중수소 가스 충전 챔버에서 ㎃ 또는 그 이상의 이온 빔 생성을 위하여 사용된다. 삼중수소 적재 티타늄(T-Ti)의 두꺼운 타겟은 음극(cathode)으로서 챔버의 다른 쪽 단부에 위치된다. 고전압(HV) 전원 장치는 양극과 음극 사이에 인가된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "고전압"은 120-150kV를 의미한다. 본 발명은 단지 12V 또는 24V의 DC 전력 공급을 요구한다. 단일 HV 전력 공급은 단지 중성자 발생기를 위한 전원이다. 중수소(D) 이온은 120-150kV까지 가속화되어, T-타겟을 입자로 충격을 가한다. 핵 반응은 빠른 중성자(약 14MeV)를 생성한다. ㎃ 레벨에서의 중수소 이온 빔은 109n/s의 중성자 핵출력을 생성할 수 있다.
본 발명의 중성자 발생기는 열음극(hot cathode) 또는 냉음극 이온 소스, 또는 무선 주파수 소스에서의 무선 주파수(RF) 이온화에서의 전자 이온화 대신 필드 이온화를 사용한다. 하나의 실시예에서, CNT 또는 다른 나노로드가 중수소의 필드 이온화를 위해 필요한 고전계를 발생시키도록 사용된다. 또 다른 실시예에서, 텅스텐 다중 팁들이 중수소의 가스상 필드 이온화를 위해 필요한 고전계를 발생시키도록 이용된다. 적어도 하나의 CNT, NR 또는 다중 핀 텅스텐 양극이 본 발명에 따라 서 이용된다. 텅스텐 팁은 약 100㎚의 팁 반경과 함께 약 80㎛의 생크(shank) 지름을 가진다. 텅스텐 팁과 함께 이러한 종류의 필드 이온화는 질량 분석법(mass-spectrometry) 및 데스크탑 융해 디바이스를 위한 nA 레벨에서의 이온 소스로서 사용된다. 본 발명의 이온 소스 디자인에서, CNT, NR 또는 다중 팁 필드 이온화는 ㎃ 레벨에서의 이온 전류에 사용되어, T-타겟에서의 중수소-삼중수소(D-T) 융해 반응을 얻도록 125-150kV까지 가속화된다. 109n/s의 중성자 핵출력은 종래의 상업적인 중성자 튜브의 레벨에 있다.
단일 HV 전원 장치는 이온 발생과 가속을 위하여 사용된다. 가속 공정에 있어서, 본 발명은 임의의 초점화 및 빔 운반 시스템을 사용하지 않는다. 이온 빔은 개방적인 기하학적 형태에서 T-타겟을 때리도록 허용된다. 이러한 간단한 가속기는, 빔 광학기기에 대한 추가의 전원 장치를 피하고, T-타겟에서의 빔 전력 밀도를 감소시키는 2개의 이점을 제공한다. 결과적으로, 빔 가열이 완화되고, 중성자 발생기의 수명은 증진된다. 수명은 T-타겟에서의 낮은 전력 밀도로 인하여 종래의 중성자 튜브보다 훨씬 길다.
본 발명의 일부 실시예에서, 발생기는 원격 제어부를 포함한다. 특정 실시예에서, 원격 제어부는 데이터 수집 및 분석을 위한 검출 시스템과 통합된다.
소형 중성자 발생기는 사이즈에서 작지만, 109n/s의 중성자 핵출력의 상업적인 중성자 튜브와 비교 가능한 중성자 핵출력을 전달할 수 있다. 발생기는 사이즈에서 작고, 중량에 있어서 가벼우며, 전력 소모에 있어서 경제적이며, 작업 및 유 지에서 간단하고 저렴하다. 하나의 실시예에서, 소형 중성자 발생기는 서류가방 사이즈, 10㎏ 미만의 중량이며, 12 또는 24V의 배터리 전원 장치를 가진다. 이러한 것은 디바이스를 운반하기가 용이하게 한다.

Claims (18)

  1. 중수소 가스 충전 챔버;
    고전압 전원 장치;
    필드 이온화 이온 소스;
    적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT), 나노로드(NR) 또는 다중 핀 텅스텐 양극; 및
    음극을 포함하는 중성자 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고전압 전원 장치는 상기 양극과 음극 사이에 전력을 공급하는 중성자 발생기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 음극은 삼중수소-티타늄(T-Ti)의 두꺼운 타겟인 중성자 발생기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 필드 이온화 소스는 고전계를 발생시키는데 적합한 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT), 나노로드(NR) 또는 다중 핀 텅스텐 팁을 포함하는 중성자 발생기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 텅스텐 팁은 약 100㎚의 팁 반경과 함께 약 80㎛의 생크 지름을 가지는 중성자 발생기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 이온화 소스는 무선 주파수(RF) 이온화 소스인 중성자 발생기.
  7. 제 1 항에 있어서, 원격 제어부를 추가로 포함하는 중성자 발생기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 원격 제어부는 데이터 수집 및 분석을 위한 검출 시스템과 통합되는 중성자 발생기.
  9. 제 1 항에 있어서, 10㎏ 미만의 중량을 가지는 중성자 발생기.
  10. 중수소 가스 충전 챔버;
    125-150 kV의 고전압 전원 장치;
    텅스텐 팁을 포함하는 이온화 소스;
    양극; 및
    삼중수소 적재 티타늄의 두꺼운 타겟(target)을 포함하며, 10㎏ 미만의 중량을 가지는 중성자 발생기.
  11. 타겟과 관련된 고농축 우라늄 검출 방법으로서,
    고전압 전계에 의해 중수소의 필드 이온화를 발생시키는 단계;
    상기 타겟을 때리도록 이온을 가속화하여 중수소-삼중수소 반응을 발생시키는 단계;
    데이터를 수집하는 단계; 및
    테이터를 분석하는 단계를 포함하는 고농축 우라늄 검출 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 이온 빔은 125-150kV까지 가속화되는 고농축 우라늄 검출 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 이온 빔은 125-150kV까지 가속화되는 고농축 우라늄 검출 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 고전압 전계는 고전압 전원 장치를 사용하여 발생되는 고농축 우라늄 검출 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 고전계는 적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT), 나노로드(NR) 또는 다중 핀 텅스텐 팁을 사용하여 발생되는 고농축 우라늄 검출 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 이온 전류는 필드 이온화를 사용하여 제공되는 고농축 우라늄 검출 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 중성자 핵출력은 109n/s까지인 고농축 우라늄 검출 방법.
  18. 타겟과 관련된 고농축 우라늄 검출 방법으로서,
    적어도 하나의 탄소 나노튜브(CNT), 나노로드(NR) 또는 다중핀 텅스텐 양극을 사용하여 고전압 전계를 발생시키는 단계;
    필드 이온화 소스를 사용하여 이온 전류를 제공하는 단계;
    중수소-삼중수소 중성자를 발생시키기 위하여 이온 전류가 타겟을 때리도록 이온 전류를 125-150kV까지 가속화하는 단계;
    데이터를 수집하는 단계; 및
    데이터를 분석하는 단계를 포함하는 고농축 우라늄 검출 방법.
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