NL7810299A

NL7810299A - Neutronengenerator met een trefplaat.

Info

Publication number: NL7810299A
Application number: NL7810299A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1978-10-13
Filing date: 1978-10-13
Publication date: 1980-04-15
Also published as: DE2941096A1; JPS5553899A; FR2438953B1; GB2033651A; GB2033651B; FR2438953A1; US4298804A

Description

PHN 9256 N.V. Philips’ Gloeilampenfabrieken te Eindhoven, Neutronengenerator met een trefplaat.

Ψ

De uitvinding heeft betrekking op een neutronengenerator met een trefplaat,welke wordt getroffen door een bundel waterstofionen, welke trefplaat bevat een metaallaag met een grote absorptiecoëfficiënt voor waterstof, welke 5 is aangebracht op een dragerlaag van een metaal met een kleine absorptie- en diffusiecoëfficiënt voor waterstof en een grote warmtegeleidingscoëfficiënt, tussen welke metaallaag en dragerlaag zich een eerste tussenlaag bevindt van • een ander metaal met een grote warmtegeleidingscoëfficiënt * 10 en lage sputterverhouding (sputtering-ratio).

In een dergelijke neutronengenerator worden neutronen opgewekt, welke ontstaan bij reacties tussen kernen van de zware isötcpen van waterstof deuterium en tritium. Deze reacties treden op door een trefplaat, welke 15 deuterium en tritium bevat, te bombarderen met een bundel deuterium- en tritiumionen, welke een potentiaalverschil van 150 a 250 kV hebben doorlopen. De deuterium- en tritiumionen worden gevormd in een ionenbron, waarin een gasmengsel van deuterium en tritium wordt geïoniseerd. De 20 botsing tussen een deuteriumkern en een tritiumkern levert een neutron met een energie van ik MeV en een 0( -deeltje met een energie van 3»0 MeV.

De trefplaat van een dergelijke neutronengenerator wordt gewoonlijk gevormd door een dunne laag met een 25 grote absorptiecoëfficiënt voor waterstof,welke opgedampt is op een dragerlaag met een kleine absorptie- en diffusie-coëfficiënt voor waterstof. Voor de waterstofabsorberende laag wordt gewoonlijk een metaal uit de groep Ti, Zr, Sc, Y of de lanthaniden gekozen en voor het metaal van de drager- 7810299 , >» Γ — 2 -' t“ ΡΗΝ 9256 ... .. . . ____________________________________ _______________________________________ ____________ laag bijvoorbeeld Cu of Ag, i.v.m. de goede warmtegeleiding van deze metalen. De levensduur van de waterstofabsorberen-de metaallaag wordt in het algemeen beperkt door het wegsputteren van de laag onder het ionenbombardement. Voor de 5 waterstofabsorberende laag worden dan ook bijvoorkeur metalen gekozen, welke relatief langzaam wegsputteren, zoals bijvoorbeeld Ti en Sc. De dragerlaag moet gekoeld worden om de bij het ionenbombardement en de reacties vrijkomende warmte af te voeren. De warmtegeleiding van het metaal van 10 d© dragerlaag moet daarom goed zijn. Bij voorkeur worden dan ook Cu of Ag als materiaal voor de dragerlaag gebruikt.

De levensduur van dergelijke trefplaten is beperkt, omdat de bundel invallende deuterium- en tritium-ionen een inhomogene int ens it ei tsverdeling heeft. Hierdoor 15 wordt op de plaats van de hoogste ionendichtheid de dunne waterstofabsorberende laag relatief snel weggesputterd, zodat na korte tijd de dragerlaag bloot komt te liggen. De metalen van de dragerlaag, zoals Cu en Ag, sputteren zeer snel weg, waarbij het resterende gedeelte van de waterstof-20 absorberende laag met een laag Cu of Ag bedekt wordt. Hierdoor neemt de neutronenopbrengst zeer snel af, waarbij tevens het gevaar bestaat, dat de ionenbundel een gat in de dragerlaag tot in de koeling boort.

Het is bekend om ter voorkoming van dit ver-25 schijnsel tussen de waterstofabsorberende laag en de dragerlaag een tussenlaag aan te brengen, van een metaal dat goed bestand is tegen het ionenbombardement, dus niet snel wegsputtert en dat tevens een goede warmtegeleiding bezit. De tussenlaag dient tevens als barrière om te voorkomen dat 30 waterstof naar de dragerlaag diffundeert. Geschikte materialen voor de tussenlaag zijn metalen uit de groep Mo, ¥, Ta, Cr, Nb en Al.

Een neutronengenerator van de in de aanhef,genoemde soort is bekend uit het Britse octrooischrift 33 974.622. Hierin wordt een trefplaat beschreven waarvan de waterstofabsorberende laag is opgebracht op een dragerlaag 7810299 3 - ' .

V.

PHN 9256 van bijvoorbeeld Cu of Ni, welke bedekt is met een laag van bijvoorbeeld Mo, ¥ of Cr.

Om een goede hechting tussen de metalen van de tussenlaag en de dragerlaag te verkrijgen kunnen de metalen 5 van de tussenlaag bijvoorbeeld in ultrahoogvacuum opgedampt worden op het metaal van de dragerlaag. Op deze wijze kunnen goed hechtende tussenlagen tot een dikte van ongeveer 15^um worden opgedampt.

Voor het verkrijgen van hoge neutronenopbrengsten 10 zijn grote ionenstromen nodig. Het is gebleken dat de levensduur van trefplaten met een tussenlaag tussen de waterstofabsorberende laag en de dragerlaag bij dergelijke hoge ionerU"stromen nog te wensen over laat.

Bij grote ionenstromen blijkt de levensduur van 15 de tussenlaag niet meer bepaald te worden door het wegsputteren van het metaal van de tussenlaag onder invloed van het ionenbombardement maar door zogenaamde stralingsbescha-diging. Een deel van de op de trefplaat vallende deuterium-en tritiumionen komt namelijk terecht in de dunne tussen-20 laag. Bij lage ionenstromen diffundeert deze waterstof · weer uit de tussenlaag, zodat er een evenwichtssituatie optreedt waarbij evenveel waterstof uit de tussenlaag diffundeert als er waterstof in de tussenlaag terechtkomt. Bij hoge ionenstromen is de diffusiesnelheid echter te klein, 25 zodat zich in een dunne laag waterstofgas ophoopt. Dit waterstofgas vormt gasbellen waarin de druk zo hoog kan oplopen dat deze gasbellen openbarsten, waardoor de tussenlaag wordt opengebroken.

Het is het doel van de uitvinding een neutronen-30 generator met een trefplaat, welke getroffen wordt door een bundel waterstofionen, aan te geven, waarbij de trefplaat bij bombardement met bundels van een hoge ionendichtheid een langere levensduur bezit.

Een neutronengenerator met een trefplaat van de 35 in de eerste alinea genoemde soort wordt volgens de uitvin ding gekenmerkt»doordat zich tussen de dragerlaag en de 78 1 0 2 9 9 . * ,- . k _ PHN 9256_________________________; ................ ............................... ...................... .................. .

eerste tussenlaag een tweede tussenlaag bevindt van een metaal met een lineaire uitzettingscoëfficiënt van een grootte welke gelegen is tussen de lineaire uitzettingscoëff iciënten van genoemde dragerlaag en eerste tussenlaag 5 in.

De uitvinding berust op het inzicht dat ter voorkoming van het opblazen van de tussenlaag in korte tijd door de zogenaamde stralingsbeschad.iging tussenlagen met grotere diktes nodig zijn. Het aanbrengen van dikkere 10 tussenlagen van materialen, welke goed bestand zijn tegen ionenbombardementen, heeft het bezwaar dat de hechting van dergelijke tussenlagen aan de dragerlaag slecht is. De tussenlagen worden namelijk bij hoge temperatuur op de dragerlaag opgedampt. Bij het afkoelen laten dikkere 15 tussenlagen plaatselijk los door het grote verschil in lineaire uitzettingscoëfficiënt tussen de metalen van de tussenlaag en de dragerlaag. Door tussen de eerste tussenlaag en de dragerlaag een tweede tussenlaag aan te brengen van een metaalfwaarvan de lineaire uitzettingscoëfficiënt 20 gelegen is pussen de lineaire uitzettingscoëfficiënten van de eerste tussenlaag en dragerlaag in,is het mqgelijk gebleken tussenlagen van een goed tegen het ionenbombardement bestand metaal met een dikte van enige honderden micrometers aan te brengen.

2^ Voor het metaal van de waterstofabsorberende laag wordt bij voorkeur een metaal gekozen behorende tot de groep Ti, Zr, Sc, Y of de lanthaniden en voor het metaal van de dragerlaag Cu of Ag. Geschikte metalen voor de eerste tussenlaag, welke goed bestand zijn tegen ionenbom-2q bardementen, zijn metalen behorende tot de groep Mo, ¥, Ta,

Cr, Nb of Al. Bijzonder geschikte metalen voor de tweede tussenlaag bij een eerste tussenlaag van Mo, ¥, Ta, Cr of Nb zijn V en Ni. De lineaire uitzettingscoëfficiënten van V en Ni liggen tussen die van de genoemde metalen van de dragerlaag en eerste tussenlaag in, terwijl de hechting van 3 5 V en Ni aan zowel de metalen van de dragerlaag als aan de 7810299 · i \ -5,.-: -¾ ! PHN 9256 metalen van de eerste tussenlaag goed is. Bij een eerste tussenlaag van Al is een geschikt metaal voor de tweede tussenlaag Ag, waarbij voor het metaal van de dragerlaag Cu dient te worden genomen. De lineaire uitzettingscoëffi-5 ciënt van Ag ligt tussen die van Al en Cu in.

Docr het aanbrengen van een tweede tussenlaag, welke een dikte van ten hoogste 10ƒurn bezit, is het mogelijk gebleken een eerste tussenlaag van een metaal op te dampen, welke een dikte van tenminste ongeveer 15 yum 1q bezit. De eerste tussenlaag bezit bij voorkeur een dikte van ongeveer TOO ƒum.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van bijgaande tekening waarvan: fig. 1a een neutronengenerator waarin de treilt plaat volgens de uitvinding wordt toegepast, toont en fig. 1b een gedeelte van de trefplaat uit fig.

1a vergroot weergeeft.

De in figuur 1a weergegeven neutronengenerator bevat in een omhulling 1 een gasmengsel bestaande uit 50$ 20 deuterium en 50$ tritium met een druk van 2 è. 3 x 10 mm

Hg.· Het gasmengsel wordt geleverd en de druk ervan wordt op de juiste waarde gehandhaafd door een drukregelaar 2.

De drukregelaar bevat een grote hoeveelheid van het gasmengsel, geabsorbeerd in fijn’verdeeld titaanpoeder, en kan dat door verwarming afgeven. De gasdruk wordt gecontroleerd 25 met behulp van een ionisatiemanometer 9.

Het mengsel van deuterium en tritium wordt in de ionenbron 3 geïoniseerd en een bundel positieve deuterium- ionen en tritiumionen wordt uit de ionenbron geëxtraheerd door de versnellingselectrode 4. De ionenbron 3 bevindt 30 zich op een positieve potentiaal van 250 kV ten opzichte van de versnellingselectrode 4.

De ionenbron 3 bevat een anode 10, een eerste kathode 11 en een tweede kathode 12. De kathoden 11 en 12 35 hebben dezelfde potentiaal, De anode 10 heeft een positieve potentiaal van 4 kV ten opzichte van de kathoden 11 en 12.

78 1 0 2 9 9 i t l f 6 PEN 9.2 5 6

De ionenbron 3 bevat voorts een permanente magneet 13, welke zodanig is gemagnetiseerd dat een axiaal magnetisch veld ontstaat met een hoofdrichting evenwijdig aan de pijl 14. Een permanent magnetische ring 15 is zodanig gemagne-5 tiseerd dat dit veld wordt versterkt in de buurt van de tweede kathode 12. Het magnetische circuit waarvan de permanente magneten 13 en 15 deel uitmaken is buiten de anode 10 om gesloten door de ferromagnetische bus 16. De anodespanning wordt toegevoerd via de aansluiting 17· De 10 hoogspanning welke de kathoden 11 en 12 op een potentiaal van 250 kV ten opzichte van de versnellingselektrode k brengt wordt toegevoerd via de aansluiting 18.

De kathode 11 en de permanente magneet 13 zijn voorzien van een axiale doorboring 21. Negatieve ionen en 15 electronen, welke door ionisatie met de electronenbundel ontstaan in het gebied 19 en een grote energie kunnen hebben, worden versneld in de richting van de ionenbron.

Deze deeltjes passeren de ionenuittreeopening 20 en de doorboring ίίen treffen vervolgens de collectorelectrode 22.

20 De gasontlading in de ionenbron 3 heeft een anode- stroom tot. gevolg van circa 50 mA. De ionenbundel welke uit de iönenbron 3 wordt geëxtraheerd heeft een stroom-sterkte van circa 20 mA. De gevormde ionenbundel passeert , de schermelectrode 5 en treft de trefplaat 26. Een gedeelte 25 van de trefplaat 26 is in figuur 1b vergroot weergegeven.

De trefplaat 26, welke ellipsvormig is en een langste as van ongeveer 7 cm heeft, bestaat uit een drager-laag 30 van koper,waarop Achtereenvolgens zijn aangebracht een 5yum dikke laag 29 van vanadium, een 100 ^um dikke 30 laag 2$ van molybdeen en een 5^um dikke laag 27 van titaan.

De laag 27 van titaan is verzadigd met deuterium en tritium. De versneld op de trefplaat vallende ionenbundéL

met een stroomsterkte van 20 mA en een energie van 250 keV

1 2 heeft een neutronenopbrengst -tot' gevolg van circa 10 23 neutronen per seconde. De neutronenopbrengst ontstaat voor al uit de reactie tussen deuterium en tritium. De botsing 7810299

V

7 - > PHN 9256 . ......... ..... ....... ........_......

met een energie van 250 keV iussen een deuteriumkern en een tritiumkern levert een neutron met een energie van circa 14 MeV en een alphadeeltje met een energie van circa 3,6

MeV. Opgemerkt dient te "worden dat er in geringe mate ook 5 neutronen ontstaan uit de reactie tussen twee deuterium- kernen. Deze neutronen hebben een veel kleinere energie.

De neutronen met een energie van 14 M'eV vormen de nuttige 12 opbrengst van circa 10 neutronen per seconde van de generator.

IQ Om te voorkomen dat secundaire electronen, welke op de trefplaat 26 worden gevormd, worden versneld naar de i ionenbron heeft de schermelectrode 5 een negatieve potentiaal van een paar honderd volt ten opzichte van de tref- 12 plaat 26, De voor neutronenopbrengsten van circa 10 13 neutronen per seconde benodigde ionenstroom van circa 20 mA veroorzaakt een grote warmtebelasting voor de trefplaat.- Deze warmte, welke in de titaanlaag 27 wordt ontwikkeld, wordt via de goed warmtegeleidende lagen 28 en 29 afgevoerd naar de koperen laag 30,welke gekoeld wordt.

20 Doordat de ionenbundel een inhomogene intensiteitsverdeling heeft, wordt de titaanlaag 27 op de plaats van de grootste ionendichtheid relatief snel weggesputtert. Hierdoor dringt er ook waterstof in de molybdeenlaag 28 door. Doordat volgens de uitvinding de molybdeenlaag 28 een dikte van 25 meer dan 100 yum bezit, wordt de levensduur van de molyb deenlaag 28 aanzienlijk verlengd. Het aanbrengen van een molybdeenlaag 28 van enkele honderden micrometers dikte is volgens de uitvinding mogelijk door tussen de molybdeenlaag 28 en de koperen dragerlaag 30 een dunne laag 29 van 30 vanadium aan te brengen. Doordat de lineaire uitzettings- coëfficiënt van vanadium tussen de lineaire uitzettings-coëfficiënten van de molybdeenlaag 28 en de koperen dragerlaag 30 in ligt, blijft de hechting van de molybdeenlaag 28 aan de dragerlaag 30 bij het afkoelen na het opdampen 23 bij een temperatuur van ongeveer kOO°C goed. Dit wordt mede veroorzaakt doordat bij deze hoge temperaturen de vanadium- 7810299

Claims

1. Neutronengenerator met een trefplaat, welke wordt getroffen door een bundel waterstofionen, welke trefplaat bevat een metaallaag met een grote absorptiecoëfficiënt voor waterstof, welke is aangebracht op een dragerlaag van een metaal met een kleine absorptie- en diffusie-10 coëfficiënt voor waterstof en een grote warmtegeleidings- coëfficiënt, tussen welke metaallaag en dragerlaag zich een eerste tussenlaag bevindt van een ander metaal met een grote warmtegeleidingscoëfficiënt en lage sputterverhouding, met het kenmerk, dat zich tussen de dragerlaag en de eerste 15 tussenlaag een tweede tussenlaag bevindt van een metaal met een lineaire uitzettingscoëfficiënt van een grootte welke gelegen is tussen de lineaire uitzettingscoëfficiën-ten van genoemde dragerlaag en eerste tussenlaag in. 2. 'Neutronengenerator volgens conclusie 1, met het 20 kenmerk, dat het metaal van genoemde laag met een grote absorptiecoëfficiënt voor waterstof behoort tot de groep Ti, Z^Sc^Y of d,e lanthaniden en het metaal, van de dragerlaag Cu of Ag is.

3. Neutronengenerator volgens conclusie 1 of 2, 25 met het kenmerk, dat het metaal van de eerste tussenlaag behoort tot de groep Mo, ¥, Ta, Cr of Nb en het metaal van de tweede tussenlaag V of Ni is. h. . Neutronengenerator volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het metaal van de eerste tussenlaag is Al, 30 het metaal van de tweede tussenlaag Ag en het metaal van de dragerlaag Cu.

5. Neutronengenerator volgens conclusie 1, 2, 3 of k, met het kenmerk, dat de genoemde tweede tussenlaag een dikte van ten hoogste 10y-um bezit.

6. Neutronengenerator volgens conclusie 1, 2, 3» ^ of.5, met het kenmerk, dat de genoemde eerste tussenlaag 7810299 -1 s PHN 9256 een dikte bezit van ten minste ongeveer 15y"uin.

7· Neutronengenerator volgens conclusie 1, 2, 3, 4, 5 of 6, met het kenmerk, dat de genoemde eerste tussenlaag een dikte bezit van ongeveer 100 yum.

8. Trefplaat voor een neutronengenerator volgens één of meer van de voorgaande conclusies. 78 1 0 2 9 9