KR20120020255A - Methods and apparatuses of neutron generation driven by pyroelectric crystals using the radiation heat source - Google Patents
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Abstract
Description
초전기 현상이란 초전기 결정을 분극방향에 수직한 방향으로 결정을 절단하고 이 결정에 일정 열을 가하면 결정 양단면에 극성이 다른 표면 전하가 유도되어 유도 자발 분극되는 현상이다. 표면에 유도된 전하는 주입된 가스를 이온화하기에 충분히 큰 전위차 형성하고 상기 이온화 가스를 가속하게 된다. Pyroelectric phenomenon is a phenomenon in which spontaneous crystals are cut in a direction perpendicular to the polarization direction, and a certain heat is applied to the crystals to induce spontaneous polarization by inducing surface charges having different polarities on both sides of the crystal. Charges induced on the surface form a potential difference large enough to ionize the injected gas and accelerate the ionizing gas.
본 발명은 복사열을 초전기 결정에 조사하여 초전기 결정의 길이 및 축방향으로의 온도 편차를 최소화하며 초전기 결정의 온도를 증가 시키는 방법 및 장치로 열용량이 적고 열전도율이 낮은 초전기 결정의 열원 접촉단면과 그 맞은편 단면의 온도편차가 커서 일정 크기 이상의 초전기 결정에서 표면전하 유도가 온도 상승에 비례하여 증가하지 않거나 오히려 감소한다는 현기술의 한계를 극복한다. 이러한 복사열 조사에 의한 가열 방법은 복사열 조사시 초전기 결정의 내부로 복사열이 침투해서 초전기 결정의 내부-외부를 동시에 가열함으로써 초전기 결정의 길이 방향과 축 방향으로의 온도편차가 최소화 되고 이에 따라 표면전하 유도를 극대화 할 수 있다. 상기 표면 전하의 증가에 따라 발생되는 중성자 수의 증가를 가져온다.The present invention is a method and apparatus for minimizing the temperature variation in the length and axial direction of a pyroelectric crystal by radiating radiant heat to the pyroelectric crystal and increasing the temperature of the pyroelectric crystal, and the heat source contact of the pyroelectric crystal with low heat capacity and low thermal conductivity. The large temperature deviation between the cross section and the opposite cross section overcomes the limitations of the state of the art in that surface charge induction does not increase or decrease in proportion to temperature rise in pyroelectric crystals of a certain size or more. In the heating method by radiant heat irradiation, radiant heat penetrates into the inside of the pyroelectric crystal when radiant heat is irradiated, thereby simultaneously heating the inside and the outside of the pyroelectric crystal, thereby minimizing the temperature deviation in the longitudinal direction and the axial direction of the pyroelectric crystal. Induction of surface charge can be maximized. Increasing the surface charge results in an increase in the number of neutrons generated.
이방성 결정인 초전기 결정은 평형상태에서 분극되어 외부 전기장이 가해지 않은 상태에서도 총 쌍극자 모멘트의 값이 존재한다. 초전기 결정을 분극 방향에 수직한 방향으로 절단하면 절단면 양단면에 극성이 다른 표면 전하가 유도되어 외부 전기장이나 온도변화가 없는 상태에서 자발분극(Ps)이 존재한다. 이러한 초전기 결정에 열을 인가하면 온도 변화를 유도하면 자발분극의 변화(ΔPs)가 생기고 이를 초전기 효과(pyroelectric effect)라고 한다. 상기 초전기 효과는 전자를 방출하거나 유효한 방사선을 발생시키기 충분히 큰 전계(100 keV 이상)를 형성하다. 상기 전계는 유도된 표면 전하에 비례한다. 단위면적당 표면 전하의 크기는 초전기 결정을 가열하면 때 ΔPs=γΔT로 주어진다. 여기서 γ는 초전기 상수이고 ΔT 초전기 결정의 온도 변화이다. 초전기 결정에 유도되는 표면전하량은 온도변화에 비례하여 증가함을 알 수 있다. Pyroelectric crystals, which are anisotropic crystals, are polarized at equilibrium and have a total dipole moment even in the absence of an external electric field. When the pyroelectric crystal is cut in a direction perpendicular to the polarization direction, surface charges having different polarities are induced at both ends of the cut surface, and thus spontaneous polarization (P s ) exists in the absence of an external electric field or temperature change. When heat is applied to such a pyroelectric crystal, a change in spontaneous polarization (ΔP s ) occurs when a temperature change is induced, which is called a pyroelectric effect. The pyroelectric effect forms an electric field (greater than 100 keV) that is large enough to emit electrons or generate effective radiation. The electric field is proportional to the surface charge induced. The magnitude of the surface charge per unit area is given by ΔP s = γΔT when the pyroelectric crystal is heated. Where γ is the pyroelectric constant and the temperature change of the ΔT pyroelectric crystal. It can be seen that the surface charge induced in the pyroelectric crystal increases in proportion to the temperature change.
초전기 표면전하에 단면적을 곱한 값이 되므로, 초전기 결정 단면의 전체 전하는 Q= γΔTA이며 여기서 A는 단면적이다. 이렇게 유도된 표면 전하에 의한 전위차는 V=Q/C 가 된다. Since the surface charge of the pyroelectric is multiplied by the cross-sectional area, the total charge of the cross-section of the pyroelectric crystal is Q = γΔTA, where A is the cross-sectional area. The potential difference due to the surface charge thus induced is V = Q / C.
초전기 결정과 타킷으로 구성된 장치에서의 전기장의 크기는 The magnitude of the electric field in a device composed of pyroelectric crystals and targets
(1) (One)
로 주어지며Given by
또한 두 개의 초전기 결정을 각기 다른 전하가 유도되게 배열된 장치에서 전기장의 크기는 Also, in a device where two pyroelectric crystals are arranged to induce different charges, the magnitude of the electric field
(2) (2)
로 주어진다. .
중수소 결합에 의한 핵융합과 이에 따른 중성자 발생의 관계는 다음과 같다.
The relationship between nuclear fusion by deuterium bonding and neutron generation is as follows.
D + D →3He + n (3)
D + D → 3 He + n (3)
초전기 결정에 의해 형성되는 전기장은 식(1)에서 보는 바와 같이 초전기 결정과 타킷의 거리 (dgap )가 짧을수록 전기장이 증가하고 또한 식(2)에서 보는 바와 같이 두 결정의 거리(dgap)가 가까울수록 초전기 결정의 길이(L)가 길수록, 온도변화가 클수록 유도되는 전기장은 크게 된다. 초전기 결정을 이용한 D-D핵융합의 결과물로 발생되는 중성자 또한 초전기 결정의 길이(L)가 길수록 온도변화가 클수록 발생되는 중성자 수가 증가한다. The electric field formed by the pyroelectric crystal increases as the distance between the pyroelectric crystal and the target (d gap ) decreases as shown in Eq. (1), and the distance d between the two crystals as shown in Eq. The closer the gap ), the longer the length (L) of the pyroelectric crystal, and the larger the temperature change, the greater the induced electric field. The neutrons generated as a result of DD fusion using pyroelectric crystals also increase in number of neutrons as the length of the pyroelectric crystal (L) increases.
초전기 결정의 단면에 전하를 유도하기 위해 가열 또는 냉각 시 초전기 결정의 열전도율이 커야 열전달을 원활히 할 수 있다. 그러나 대표적인 초전기 결정의 열전도율은LiTaO3의 경우 45 mJ/cm-sec 로 건물의 단열재를 쓰이는 유리섬유와 비슷한 정도이다. 일반적으로 LiTaO3이외의 초전기 결정도 LiTaO3와 유사한 열 특성을 가지고 있다. 상기한 초전기 결정의 열 특성으로 인하여 종래 기술에서 사용되는 초전기 결정의 가열방법인 저항가열 또는 열전효과장치 (thermoelectric cooling device:TEC)에 의한 열전도 방법으로 가열할 경우 열원 접촉 단면과 그 반대면 사이의 온도편차를 가져온다.In order to induce charge on the cross-section of the pyroelectric crystal, the heat conductivity of the pyroelectric crystal during heating or cooling must be large to facilitate heat transfer. However, the thermal conductivity of a typical pyroelectric crystal is 45 mJ / cm-sec for LiTaO 3 , which is comparable to that of glass fiber used for building insulation. In general, other than the second electric crystal LiTaO 3 also has a thermal property similar to the LiTaO 3. Due to the thermal properties of the above-mentioned superelectric crystals, the heat source contact end surface and the opposite surface when heated by a resistance heating or a thermal conduction method using a thermoelectric cooling device (TEC), which is a method of heating a pyroelectric crystal used in the prior art. Temperature difference between the two.
이러한 열전도에 의한 온도 상승-강하는 결정의 열전도율에 따라 결정되고 결정을 길이 방향으로 연결할 경우 양 단면 간 온도편차는 더욱 커져 결과적으로 초전기 결정의 길이가 길어짐에도 표면전하가 증가하지 않게 된다. 즉 일정 길이 이상의 초전기 결정에서는 중성자 발생 수가 더 이상 증가하지 않게 된다. 즉 일정 길이 이상의 초전기 결정에서는 중성자 발생 수가 증가하지 않게 된다.
The temperature rise-drop due to the heat conduction is determined according to the thermal conductivity of the crystal, and when the crystals are connected in the longitudinal direction, the temperature deviation between both cross sections becomes larger, resulting in no increase in the surface charge even when the length of the pyroelectric crystal becomes longer. That is, the number of neutron generation no longer increases in pyroelectric crystals of a certain length or more. In other words, the number of neutron generation does not increase in pyroelectric crystals having a certain length or more.
종래 기술은 전위차를 증가시키기 위하여 두 개의 초전기 결정의 단면에 유도되는 전하의 극성이 다른 면을 마주하게 함으로써 전위차를 증가시키고 있다 이러한 개념은 전위차를 2배까지만 증가시킬 수 있는 한계를 갖는다. 이러한 한계를 극복하기 어려운 이유는 길이가 긴 초전기 결정을 사용하거나 두 결정을 결정의 길이 방향으로 직렬 연결시킬 경우 기존의 접촉식 저항 가열법에 의한 가열 방법으로는 결정의 길이 방향의 온도 편차가 증가되고 초전기 결정 양 단면의 온도편차는 전위차 증가를 둔화 시키거나 감소시키는 결과를 초래한다. The prior art increases the potential difference by causing the polarity of the charge induced in the cross-sections of the two pyroelectric crystals to face the other side in order to increase the potential difference. This concept has a limit that can only increase the potential difference by twice. The reason why this limitation is difficult to overcome is that when a long pyroelectric crystal is used or two crystals are connected in series in the longitudinal direction of the crystal, the conventional method of heating by contact resistance heating method shows that the temperature variation of the crystal in the longitudinal direction is not sufficient. Increased and temperature deviations in both cross-sections of the pyroelectric crystals result in slowing or decreasing the potential difference.
상기 기술한 전위차 증가율의 둔화 또는 감소 현상을 극복하고 긴 초전기 결정을 사용할 수 있는 방법은 복사열 조사에 의해 결정의 길이 방향으로 고온에서 온도 분포를 일정하게 가열하거나 2개 또는 다수개의 초전기 결정을 비접촉식 가열로 초전기 결정을 직렬로 연결하여 전위차를 증가시키는 방법이 있다. In order to overcome the above-mentioned slowdown or decrease in the rate of increase of the potential difference, a method of using a long pyroelectric crystal is a method of heating a temperature distribution at a high temperature in the longitudinal direction of the crystal by radiative heat irradiation or by heating two or more pyroelectric crystals. There is a method of increasing the potential difference by connecting pyroelectric crystals in series with non-contact heating.
복사열 조사에 의한 가열 방법은 인가되는 복사열이 초전기 결정에 침투하여 초전기 결정의 내부와 외부를 동시에 가열함으로써 열전도도가 작은 초전기 결정을 길이 방향과 축 방향으로 균일하게 가열할 수 있어 초전기 결정의 크기 한계를 극복하여 표면 전하 유도가 증가되고 이에 따라 고전위차를 얻게 된다. 또한 초전기 결정의 배열 방법을 자유롭게 구성할 수 있어 향후 전자 및 이온을 집속할 수 있는 구조를 구성하는데 편리성을 갖게 되고 각 초전기 결정으로부터 유도되는 전위차는 초전기 결정의 수에 비례하여 증가하게 되어 결과적으로 D-D핵융합의 활성화에 따른 중성자수 증가를 가져온다.
In the heating method by radiant heat irradiation, the applied radiant heat penetrates the pyroelectric crystal and simultaneously heats the inside and the outside of the pyroelectric crystal so that the pyroelectric crystal with small thermal conductivity can be uniformly heated in the longitudinal direction and the axial direction. Overcoming the size limitations of the crystals leads to increased surface charge induction and thus high potential differences. In addition, the arrangement method of pyroelectric crystals can be freely configured, which makes it convenient to construct a structure that can focus electrons and ions in the future, and the potential difference derived from each pyroelectric crystal increases in proportion to the number of pyroelectric crystals. As a result, the number of neutrons increases due to the activation of DD fusion.
종래 기술에서는 D-D 핵융합을 여기시킬 수 있는 고전위차를 유도하기 위한 방법으로 쓰이는 방법 중의 하나인 두개의 초전기 결정을 표면 전하의 극성이 반대인 결정의 단면을 마주 배치하는 방법이 적용되고 있다. 이 경우 초전기 결정에 의해 유도되는 전기장은 상기 식(2)에서 보는 바와 같이 마주보는 두개의 결정의 거리(d gap )가 가까울수록 초전기 결정의 단면적(A)이 넓을수록, 길이(L)가 길수록, 온도변화가 클수록 유도되는 전위차가 증가 된다. In the prior art, a method of arranging two pyroelectric crystals, which is one of the methods used as a method for inducing a high potential difference that can excite DD fusion, is disposed opposite the crystal cross-section of the opposite polarity of the surface charge. In this case, the electric field induced by the pyroelectric crystal has a length L as the cross-sectional area A of the pyroelectric crystal increases as the distance between the two crystals facing each other ( d gap ) is close, as shown in Equation (2). The longer it is, the higher the temperature change is, the higher the induced potential difference is.
결정의 온도변화를 유도하기 위해 가열 시 결정의 열전도율이 커야 열전달을 원활히 할 수 있어 결정의 양단면의 온도편차를 줄일 수 있다. 그러나 재료의 열전도율이 작은 경우 재료의 한 면으로부터 가열하면 열전달은 열전도율이 낮아 반대편과의 온도편차를 갖게 된다. 이 경우 시료의 길이가 길수록 온도 편차는 더욱 커지게 된다. 대표적인 초전기 결정의 열전도율은LiTaO3의 경우 45 mJ/cm-sec 로 건물의 단열재를 쓰이는 유리광섬유 단열재와 비슷한 정도이다. 실험적으로 직경 5 mm, 길이 20 mm 인 결정의 양단간 가열면의 온도가 110 oC 일때 온도차가 30 oC 이렇게 열전도율이 낮은 초전기 결정은 초전기 결정의 길이가 길고 단면적이 큰 경우 또한 여러 개의 결정을 길이 방향으로 직렬로 연결할 경우에 초전기 결정의 길이방향 또는 축방향으로의 온도차를 적게 유지하며 결정의 온도를 증가시키는 데는 한계에 있다.
In order to induce the temperature change of the crystal, the heat conductivity of the crystal must be large when it is heated to facilitate heat transfer, thereby reducing the temperature deviation of both ends of the crystal. However, if the thermal conductivity of the material is small, if it is heated from one side of the material, the heat transfer has a low thermal conductivity and thus has a temperature deviation from the opposite side. In this case, the longer the length of the sample, the greater the temperature deviation. The thermal conductivity of a typical pyroelectric crystal is 45 mJ / cm-sec for LiTaO 3 , comparable to that of glass fiber optic insulation used for building insulation. Experimentally diameter 5 mm, length 20 mm of the temperature of both ends the heating surface of the crystal 110 o C when the temperature difference is 30 o C so the low heat conductivity second electric determine if the length of the second electric crystal long and a large cross-sectional area also several crystals In the case of connecting in series in the longitudinal direction, there is a limit in increasing the temperature of the crystal while maintaining a small temperature difference in the longitudinal or axial direction of the pyroelectric crystal.
종래의 초전기 결정 가열방법은 저항가열에 의한 접촉식 방법으로 열전달이 열전도에 의존하기 때문에 열전도도가 낮은 초전기 결정의 열원 접촉면과 그 반대면 사이의 온도편차가 초전기 결정의 길이가 길수록 큰 편차를 가져온다. 이러한 온도차 증가는 전위차를 증가를 현저히 둔화시키거나 일정 길이 이상에서는 감소시키는 결과를 초래한다. Conventional pyroelectric crystal heating method is a contact method by resistance heating, and since the heat transfer depends on the thermal conductivity, the temperature deviation between the heat source contact surface and the opposite surface of the pyroelectric crystal with low thermal conductivity becomes larger as the length of the pyroelectric crystal becomes larger. Brings a deviation. This increase in temperature results in a significant slowdown of the increase in potential difference or a decrease over a certain length.
열유도에 의한 초전기 결정 장치의 전위차를 증가시키고 엑스선 발생 장치의 성능을 향상 시키기 위한 목적으로 초전기 결정의 크기를 크게 하거나 장치의 구성을 용이하게 하기 위해서는 종래 기술에서 사용되는 열전도 방식으로는 초전기 결정 양 단면의 온도 편차를 줄이기가 어렵다. 본 발명에서는 종래 기술의 한계를 극복할 수 있는 복사열 조사 방식으로 초전기 결정의 길이와 축 방향의 온도편차를 최소화하여 현기술의 한계로 알려져 있는 10 mm 보다 긴 초전기 결정을 사용하여 전위차를 증가시켜 D-D핵융합을 이루기에 충분한 전위차를 형성하고 이에 따라 발생되는 중성자 수를 증가시키는 방법과 장치에 관한 것이다.
In order to increase the size of the pyroelectric crystal or to facilitate the construction of the device for the purpose of increasing the potential difference of the pyroelectric crystal device due to heat induction and improving the performance of the X-ray generator, the thermal conductivity method used in the prior art is a superconducting method. It is difficult to reduce the temperature deviation of both sections of the electric crystal. In the present invention, the potential difference is increased by using a pyroelectric crystal longer than 10 mm, which is known as a limitation of the state of the art, by minimizing the temperature deviation of the length and the axial direction of the pyroelectric crystal in a radiant heat irradiation method that can overcome the limitations of the prior art. To form a potential difference sufficient to achieve DD fusion and increase the number of neutrons generated thereby.
종래의 초전기 결정을 가열방법은 저항가열 및 열전효과장치(TEC)에 의한 접촉식 방법으로 열전달이 열전도에 의존하기 때문에 열용량 및 열전도도가 작은 초전기 결정의 열원 접촉면과 그 반대면 사이의 온도편차가 초전기 결정의 길이가 길수록 큰 편차를 가져온다. 이러한 온도편차는 전위차 증가를 현저히 둔화시키거나 (초전기 결정의 길이가) 일정 길이 (10mm) 이상에서는 감소시키는 결과를 초래하고 있는 것이 현 기술의 한계이다..
The conventional method of heating a pyroelectric crystal is a contact method by resistance heating and a thermoelectric effect device (TEC). Since the heat transfer depends on the heat conduction, the temperature between the heat source contact surface of the pyroelectric crystal having small heat capacity and thermal conductivity and the opposite side thereof is reduced. The longer the deviation, the longer the pyroelectric crystal, the larger the deviation. This temperature deviation is a limitation of the current technology, which results in a significant slowdown of the potential difference increase or a decrease in the length of the pyroelectric crystal above a certain length (10 mm).
이를 극복하는 방법은 초전기 결정 내에서의 열전달을 열전도가 아닌 복사에 의한 열전달 방법을 사용하여야 한다. 적외선 램프 또는 태양광을 집속한 복사열원을 초전기 결정에 조사하는 비접촉 방법으로 종래 기술에서 사용되는 길이보다 긴(20 mm 이상) 초전기 결정 또는 길이 방향으로 직렬 연결된 초전기 결정의 길이 축 방향으로의 온도 편차를 최소화하며 가열함으로써 종래 기술의 한계를 극복하고 D-D 핵융합에 의한 중성자 발생 수를 증가시킨다. In order to overcome this problem, the heat transfer in the pyroelectric crystal should be carried out by heat transfer rather than heat conduction. Non-contact method of irradiating a pyroelectric crystal with a radiant heat source focused on an infrared lamp or solar light, which is longer than the length used in the prior art (20 mm or more), in the longitudinal axis direction of pyroelectric crystals connected in series in the longitudinal direction or in the longitudinal direction. By overheating with minimal temperature variation, it overcomes the limitations of the prior art and increases the number of neutron generation by DD fusion.
초전기 결정에 복사열을 조사하여 초전기 결정의 온도를 증가시키면 초전기 결정의 길이가 길고 단면적이 넓은 초전기 결정에서도 길이 방향 및 축방향의 온도 편차를 최소화하여 길이 및 단면적 증가에 의한 유도 표면전하가 증가되고 이로 인하여 전기장이 증가하는 결과를 얻게 된다. 상기 전기장의 증가는 전자 및 이온 가속 성능을 향상 시키게 되어 이 장치를 이용한 엑스선 발생, 성능을 크게 향상 시킬 것이다.
Increasing the temperature of the pyroelectric crystal by radiating heat to the pyroelectric crystal increases the temperature of the pyroelectric crystal and minimizes the temperature variation in the longitudinal and axial directions even in the pyroelectric crystal with a long cross-sectional area. Is increased, resulting in an increase in the electric field. The increase of the electric field will improve the electron and ion acceleration performance will greatly improve the X-ray generation, performance using this device.
도1. : 복사열 조사에 의한 초전기 결정 중성자 발생 장치 개념도
도2. : 기존 저항 가열법에 의한 초전기 결정 중성자 발생 장치 개념도
도3. : 두개의 초전기 결정을 연결한 중성자 발생 장치 개념도Fig. : Conceptual Diagram of Pyroelectric Crystal Neutron Generator by Radiant Heat Irradiation
Fig. : Conceptual Diagram of Pyroelectric Crystal Neutron Generator by Conventional Resistance Heating Method
Figure 3. : Concept diagram of neutron generator connecting two pyroelectric crystals
초전기 결정(pyroelectric crystal)은 비등방성 결정으로 일정 평형상태에서 외부 전기장의 인가가 없어도 분극이 되어 있던 쌍극자 모멘트를 일정 값을 갖는다.A pyroelectric crystal is an anisotropic crystal having a constant value of a dipole moment that has been polarized even without an external electric field applied in a constant equilibrium state.
이 초전기 결정을 분극 축의 수직하게 절단하면 이 절단면의 한 면에 표면 양전하가 다른 한 면에 표면 음전하가 대전된다. 이렇게 외부전계와 온도변화 없이도 결정의 분극 값을 자발분극(spontaneous polarization)이라 한다. 이런 초전기 결정에 열을 가하여 초전기 결정의 온도를 변화시키면 자발분극 값이 변화되는데 이런 현상을 초전기 현상(pyroelectrie effect)라고 한다. 초전기 현상에 의해 대전된 표면 전하는 큰 전자기장을 형성하게 되는데, 상기 전기장에 의한 전위차는 전자를 방출하게 되고 대표적인 초전기 결정인 LiTaO3의 경우 직경 10 mm 길이 10 mm인 초전기 결정에 의해 형성되는 전위차는 약 100 keV정도이다.When this pyroelectric crystal is cut perpendicular to the polarization axis, the surface positive charge is charged on one surface of the cut surface and the surface negative charge on the other surface. Thus, the polarization value of a crystal is called spontaneous polarization without external electric field and temperature change. When the pyroelectric crystal is heated by changing the temperature of the pyroelectric crystal, the spontaneous polarization value changes. This phenomenon is called the pyroelectrie effect. The surface charges charged by the pyroelectric phenomenon form a large electromagnetic field, and the potential difference caused by the electric field emits electrons, and in the case of LiTaO 3 , which is a typical pyroelectric crystal, it is formed by a pyroelectric crystal having a diameter of 10 mm and a length of 10 mm. The potential difference is about 100 keV.
종래 기술의 핵융합에 의해 발생된 중성자수는 초당 102-103개로 현재 개발된 소형 중성자 발생장치의 1/2에 해당되며 휴대용 중성자의 응용분야인 공항, 항만에서 휴대용 수화물 검색기로 사용하기 위한 중성자수의 절반에 해당된다. 반면, 초전기 결정을 이용해 개발된 중성자 발생 장치의 장점은 현재 개발된 소형 중성자 발생장치에 비해 초전기 결정에 의한 중성자 발생 장치로는 크기가 현 휴대용 중성자 발생장치의 1/3에 해당하며 고전압 전력공급장치가 필요 없으며, 가격 면에서도 1/30정도이다. 또한 방사선 동위 원소와 비교할 때 운반, 휴대시 운영자가 방사에 노출되지 않으며 폐기물도 안전하다는 장점이 있다. The number of neutrons generated by the nuclear fusion of the prior art is 10 2 -10 3 per second, which is one half of the small neutron generators currently developed, and the neutrons for use as portable baggage scanners in airports and ports, which are applications of portable neutrons. That's half the number. On the other hand, the advantage of the neutron generator developed using the pyroelectric crystal is that the size of the neutron generator based on the pyroelectric crystal is about one third of the current portable neutron generator compared to the small neutron generator developed at present. There is no need for a supply, and the price is around 1/30. In addition, when compared with the radioisotope, there is an advantage that the operator is not exposed to radiation and waste is safe when carrying or carrying it.
초전기 결정에 의한 고에너지 발생장치의 실용화를 위해서는 성능을 응용단계로 향상시키기 위해서는 유도 표면전하의 증가가 필수적이다. 표면전하를 증가시키기 위해서는 초전기 결정의 온도변화를 크게 하거나 단면적과 길이를 크게 하는 방법이 있다.In order to improve the performance to the application level, it is necessary to increase the induced surface charge for the practical use of the high energy generator by the pyroelectric crystal. In order to increase the surface charge, there is a method of increasing the temperature change of the pyroelectric crystal or increasing the cross-sectional area and length.
온도 변화를 크게 하는 방법은 결정의 특성에 의해 결정되고 그 한계 값을 갖는다. 즉, 결정의 온도를 규리(Curie) 온도 이상으로 가열할 경우, 초전기 결정의 초전기성은 영구적으로 소멸된다. 대표적인 초전기 결정인 BaTiO3의 Curie 온도는 393 K(절대온도), LiTaO3는 813-970 K, LiNbO3는 1488K이다. 즉, LiTaO3결정은 540℃ 이상으로 가열할 경우 초전기성을 잃게 된다. 그러나 대부분의 초전기 결정의 열용량는 470J/kg?K 이며 열전도율은 45 mJ/cm-sec로 작아 초전기 결정의 온도를 결정 양단면 및 축방향의 온도 편차 없이 Curie온도 까지 상승시키기에 제한이 있다The method of enlarging the temperature change is determined by the nature of the crystal and has its limit value. That is, when the temperature of the crystal is heated above the Curie temperature, the pyroelectricity of the pyroelectric crystal disappears permanently. The Curie temperature of BaTiO 3 , a typical pyroelectric crystal, is 393 K (absolute temperature), LiTaO 3 is 813-970 K, and LiNbO 3 is 1488K. That is, LiTaO 3 crystals lose their superelectricity when heated to 540 ° C or higher. However, most of the pyroelectric crystals have a heat capacity of 470J / kg? K and their thermal conductivity is 45 mJ / cm-sec, which limits the temperature of the pyroelectric crystals up to the Curie temperature without temperature variations in both cross-sections and axial directions.
도. 2는 종래 기술인 저항가열법에 의한 중성자 발생 장치의 예를 보이고 있다. 종래 기술에서는 초전기 결정(10)의 길이 및 단면적을 크게 하면 표면전하의 유도를 크게 할 수 있으나 길이를 길게 했을 경우, 초전기 결정(10)은 온도 특성으로 인하여, 열원(60)과 접촉된 면과 그렇지 않은 면과의 온도 차가 커지게 된다. 이러한 온도편차는 표면전하의 수가 일정 길이 이상에서 더 이상 증가하지 않는 원인이다. 현재 연구 결과로서 10 mm 이상의 길이에서는 표면 전하가 증가하지 않는 것으로 보고되고 있다. 또한 단면적을 크게 하였을 경우, 초전기 결정의 표면과 중심부의 온도 차가 발생하고 이에 따라 표면 전하의 증가가 둔화되어 초전기 결정의 길이가 10 mm보다 길어도 발생되는 에너지가 증가하지 않게 된다. 따라서 D-D 핵융합에 의한 중성자 발생 숫자 또한 증가하지 않게 된다.
Degree. 2 shows an example of a neutron generator by the conventional resistance heating method. In the related art, when the length and cross-sectional area of the
도. 1은 복사열 조사(21)에 의한 초전기 결정(11)을 이용한 중성자 발생 실시 일 예로 초전기 결정(11) 단면에 유도되는 전하가 표면에 결집하여 높은 전위차를 형성하고 이들 양전하가 중수소 가스를 이온화하여 이온화 가스가 중수소가 도핑된 중성자 타킷 (75)로 쪽으로 방사되어 중성자 타킷과 충돌하여 D-D핵융합이 이루어지고 이로 인하여 중성자를 발생하게 된다. 초전기 결정(11)을 용기(30) 내부에 장치하고 10-6 Torr용기내 기체를 배기한 후 중수소 가스를 1 mTorr 정도 진공도를 유지하도록 주입한다. 복사열원(21)에 전기에너지를 인가하여 초전기 결정(11)의 온도를 상승시킨다. 초전기 결정의 온도는 실온으로부터 섭씨 110도까지 증가시킨다. 이때 초전기 결정(11)의 양단면의 온도차는 도. 2와 같은 종래의 기술에서 적용하고 있는 접촉식 가열원(60)으로 가열한 경우에서보다 결정 양 단면의 온도편차가 매우 작게 된다. 초전기 결정 양단면의 온도편차의 최소화는 결정의 길이를 길게 할 경우 더욱 효과적으로 표면전하를 유도하게 된다. 결과적으로 복사열에 의한 가열방법은 초전기 결정에 의해 형성되는 전기장을 결정의 길이 증가에 비례하여 증가하게 하여 가속전압을 증가시키고 이를 이용한 중성자 발생 장치의 성능을 크게 향상시켜 상용화가 가능하게 될 것이다. 초전기 결정을 냉각 시키는 방법은 도면에 나타나 있지는 않으나 방열판 또는 방열핀을 진공장치 외부에 부착하여 열전도에 의한 자연냉각법 또는 강제냉각법을 실시한다. Degree. Numeral 1 is a neutron generation using the
도. 3은 두개 또는 다중 초전기 결정에 의한 중성자 발생의 예이다. 도. 3에서는 두개의 초전기 결정(14)을 직렬로 쌓은 형태로 구성된 모양을 보이고 있다. 복사열원인 적외선 램프를 나선형으로 구성된 중성자 발생 장치의 실시 예이다. 도. 1과 동일한 방법과 작업환경으로 D-D핵융합에 의해 중성자를 발생한다. Degree. 3 is an example of neutron generation by two or multiple pyroelectric crystals. Degree. In Fig. 3, two
11 : 길이가 긴 초전기 결정
14 : 길이방향으로 연결된 초전기 결정
21 : 나선형 복사열 발생-조사 장치
30 : 진공 용기
50 : 이온화 가스
60 : 열전도에 의한 가열 장치
70 : 중수소 가스
75 : 중수소 타킷(중성자 타킷)
80 : 중성자11: long pyroelectric crystal
14: Determination of pyroelectrics connected in the longitudinal direction
21: spiral radiant heat generation-irradiation device
30: vacuum container
50: ionization gas
60: heating device by heat conduction
70 deuterium gas
75: deuterium target (neutron target)
80: neutron
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