SU1734244A1

SU1734244A1 - Method of manufacturing neutron-forming target

Info

Publication number: SU1734244A1
Application number: SU884444257A
Authority: SU
Inventors: Олег Анатольевич Зиновьев; Иван Валентинович Пурыгин
Original assignee: Институт атомной энергии им.Курчатова
Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1992-05-15

Abstract

Использование: относитс к ускорительной технике и может быть использовано в нейтронных генераторах. Сущность изобретени : в подложку из монокристалла с количеством атомов примесей до 10 от числа атомов монокристалла имплантируютс с использованием эффекта каналировани ионы дейтери или трити . Число этих ионов сГх составл ет от 1 до 10% от количества ионов монокристалла При этом энерги имплантируемых ионов Л/(эВ), должна удовлетвор ть следующему выражению ДР- dE EI.MHH W Е где ДН - глубина нерегул рности кристалла подложки, м, I dEu/dxl - модуль величины удельных потерь энергии частиц в слое кристаллической решетки при минимальной энергии имплантации Еимин эВ, Е - максимальное значение энергии ионов от источника, бомбардирующих мишень, эВ. При этом ионы, имплантированные а подложку мишени, равномерно распредел ютс по ее объему в пределах зоны, излучающей нейтроны. По сравнению с каналированным пучком средний прицельный параметр уменьшаетс до 10 см, что приводит к увеличению веро тности реакции при каждом пролете иона пучка около дра дислокации. 1 ил. СОUse: relates to accelerator technology and can be used in neutron generators. SUMMARY OF THE INVENTION: A deuterium or tritium ion is implanted into a single-crystal substrate with up to 10 impurity atoms of the number of single-crystal atoms using a channeling effect. The number of these ions cGx is from 1 to 10% of the number of single crystal ions. The energy of the implanted ions L / (eV) should satisfy the following expression: DG - dE EI.MHH W E where DN is the irregularity depth of the substrate crystal, m, I dEu / dxl is the modulus of the specific energy loss of the particles in the crystal lattice layer with the minimum implantation energy Eimin eV, E is the maximum value of the ion energy from the source bombarding the target, eV. In this case, the ions implanted into the substrate of the target are evenly distributed throughout its volume within the zone emitting neutrons. Compared to a channeled beam, the average impact parameter decreases to 10 cm, which leads to an increase in the probability of a reaction with each passage of the ion of the beam near the core of dislocation. 1 il. WITH

Description

Изобретение относитс к радиационным источникам, нейтронным генераторам на основе реакций типа (а,п), (р, п), (Т, п).The invention relates to radiation sources, neutron generators based on reactions of the type (a, p), (p, p), (T, p).

Область технического применени изобретени - дерна физика. Изобретение может быть также использовано дл построени термо дерных реакторов, исследовани материалов на радиационную стойкость , селекции микроорганизмов и растений , радиобиологической технологии и др.The technical application of the invention is turf physics. The invention can also be used for the construction of thermo-nuclear reactors, the study of materials for radiation resistance, the selection of microorganisms and plants, radiobiological technology, etc.

Цель изобретени - повышение коэффициента конверсии - достигаетс тем, что мишень выбрана в виде монокристалла, насыщенного ионами трити , причем кристаллический материал может быть из бора,The purpose of the invention, an increase in the conversion rate, is achieved by the fact that the target is selected as a single crystal saturated with tritium ions, and the crystalline material can be from boron,

кремни , вольфрама или их карбидов с чистотой не хуже 10 атомов примесей на атом монокристаллаsilicon, tungsten or their carbides with a purity better than 10 impurities per single crystal atom

Дл генерировани нейтронного излучени ускоренные положительно зар женные ионы, например, дейтери направл ютс на мишень. Отличие способа состоит в том, что монокристаллическую мишень предварительно насыщают тритием, имплантиру его с энергией 50 кэВ-Е до 1-10% от количества ионов монокристалла, а угловой разброс направл емого на мишень пучка ионов от ускорител задают в пределах рад. Конкретный выбор энергииTo generate neutron radiation, accelerated positively charged ions, for example, deuterium are directed to a target. The method differs in that the single crystal target is pre-saturated with tritium, its implant is 50 keV-E up to 1-10% of the number of single-crystal ions, and the angular spread of the ion beam directed at the target is set to rad. Specific energy choice

VI IGJ Vi igj

юYu

ЈJ

пучка производ т исход из услови канали- ровани the beam is derived from the channeling condition

Е -в2 Екр,E-2 Ecr

где в- угол разлета пучка;where is the beam expansion angle;

Екр - критическое значение энергии.Ecr - critical energy value.

Дл коллимации пучка ионов используют устройство, состо щее из двух систем кристаллов. Указанные выше услови обеспечивают режим каналировани а-частиц в мишени, представл ющей собой монокристалл . Указанный выбор монокристаллов обусловлен следующими причинами. Это вещество должно быть относительно термостойким дл того, чтобы выдержать температуру ионного источника. Эта температура зависит от мощности нейтронного выхода; при 10 нейтронов/с, площади мишени 10 см2 температура 100°С; при 1013 нейтронов/с температура 300-350°С (без принудительного охлаждени ). Больша термостойкость желательна также с св зи с влением смещени атома кристалла из узла решетки. С повышением термостойкости увеличиваетс энерги смещени .For collimation of an ion beam, a device consisting of two systems of crystals is used. The above conditions provide a channeling mode for a-particles in a single-crystal target. This choice of single crystals is due to the following reasons. This substance must be relatively heat resistant in order to withstand the temperature of the ion source. This temperature depends on the neutron output power; at 10 neutrons / s, target area 10 cm2, temperature 100 ° С; at 1013 neutrons / s, the temperature is 300-350 ° C (without forced cooling). Greater heat resistance is also desirable with regard to the phenomenon of displacement of a crystal atom from the lattice site. With increasing heat resistance, the bias energy increases.

Поэтому в качестве веществ монокристалла могут быть выбраны такие элементы, как бор, кремний, вольфрам и некоторые их соединени (карбиды), Чистота такой монокристаллической пластины должна быть не хуже атомов примесей на атом. В противном случае не обеспечиваетс достаточный режим каналировани пучков а-частиц из-за их рассе ни на примес х.Therefore, elements such as boron, silicon, tungsten and some of their compounds (carbides) can be selected as single crystal substances. The purity of such a single crystal plate should be no worse than impurity atoms per atom. Otherwise, a sufficient mode of channeling of the a-particle beams is not ensured due to their scattering on impurities x.

После выбора материала мишень насыщают ионами необходимого дл дерной реакции вещества, например трити . Это можно сделать, облучив пластину ионами в режиме ионной имплантации с эффектом каналировани , варьиру энергию ионов в пределах от 50 кэВ до Е, где Е - энерги ускоренных ионов дейтери . Если энерги имплантируемых ионов будет меньше 50 кэВ, то требуема структура микропучков дейтонов не устанавливаетс . При указанном режиме ионы мишени будут распредел тьс равномерно по глубине (толщина кристаллической мишени 0,1-0,5 мм). Доза облучени выбираетс из расчета, что на сто ионов кристалла приходитс п ть-дес ть внедренных ионов, точнее до 1-10% от количества ионов монокристалла. Если количество имплантированных ионов меньше 1%, то веро тность взаимодействи дейто- на с тритоном будет недостаточной. Если количество имплантированных ионов больше 10%, то частицы деканализируютс изза кулоновских столкновений с драми трити .After selecting the material, the target is saturated with ions of the substance necessary for nuclear reaction, for example, tritium. This can be done by irradiating the plate with ions in the ion implantation mode with the channeling effect, varying the ion energy from 50 keV to E, where E is the energy of accelerated deuterium ions. If the energy of the implanted ions is less than 50 keV, then the required structure of microbunches of deuterons is not established. In this mode, the target ions will be distributed evenly over the depth (the thickness of the crystalline target is 0.1-0.5 mm). The irradiation dose is selected on the basis of the fact that there are between five and five implanted ions per hundred of crystal ions, more precisely, up to 1-10% of the number of ions of a single crystal. If the number of implanted ions is less than 1%, then the probability of the interaction of deuteron with the triton will be insufficient. If the number of implanted ions is more than 10%, then the particles are decanalized because of Coulomb collisions with tritium cores.

Возможен другой вариант, например насыщение кристалла дейтонами и облучение ионами трити и дейтери . В качестве источника ионов (сотни кэВ, единицы мэВ) может быть использован ускоритель с малым угловым разбросом ионного пучка, например ускоритель Ванде-Граафа. Необходимо , чтобы поперечна составл юща энергий, вход щих в кристаллическую мишень частиц, не превышала нескольких электровольт (дл обеспечени режима каналировани ), что реализуетс при угловыхAnother option is possible, such as saturation of a crystal with deutons and irradiation with tritium and deuterium ions. As an ion source (hundreds of keV, units of meV), an accelerator with a small angular spread of the ion beam, for example, the Vande Graaf accelerator, can be used. It is necessary that the transverse component of the energies entering the crystalline target of the particles does not exceed a few electrovolts (to ensure the channeling mode), which is realized at angular

разбросах 3- рад. Тогда каналиро- вание положительных частиц происходит так, что частицы не подход т близко к атомным драм, а испытывают скольз щие столкновени со всей атомной цепочкой кристалла , каналиру сь в непосредственной близости от оси канала, а значит, и от дер дислокаций. Такие дислокации будут находитьс строго на оси канала, так как эта ось пересекает минимумы атомных потенциалов , в которых будут находитьс дра атомов дислокаций. По сравнению с неканали- рованным пучком средний прицельный параметр уменьшитс см, против 10 8 см, что приведет к увеличению веро тностиscatter 3 happy. Then, the channeling of positive particles occurs in such a way that the particles do not come close to the atomic dramas, but experience sliding collisions with the entire atomic chain of the crystal, canalized in the immediate vicinity of the channel axis, and hence from the dislocation cores. Such dislocations will be strictly on the axis of the channel, since this axis intersects the minima of the atomic potentials in which there will be nuclei of dislocation atoms. Compared to an unchannel beam, the average impact parameter will decrease by cm, against 10 8 cm, which will increase the probability

реакции при каждом пролете иона пучка около дра дислокации. Количественно эта веро тность и выход реакции возрастут во столько раз, во сколько возрастет плотность каналированного пучка на оси. Пучок дейтонов , тритонов, «-частиц или протонов должен быть достаточно свободным от примесей , Это может быть обеспечено фильтрацией ионов электрическим и/или магнитным полем, выбором эффективного источника ионов, например дуоплазмотрона.reactions at each passage of the ion beam near the core of the dislocation. Quantitatively, this probability and the yield of the reaction will increase by as many times as the density of the channeled beam on the axis increases. A beam of deutons, tritons, "-particles or protons must be sufficiently free from impurities. This can be provided by filtering ions by an electric and / or magnetic field, choosing an effective ion source, for example duoplasmatron.

При удовлетворении рассмотренных требований к мишени, источнику ионов, фокусировке пучка при работе нейтронного генератора происходит так называемоеWhen meeting the considered requirements for the target, the ion source, the beam focusing, the so-called

осевое каналирование положительных ионов пучка в кристаллической мишени. Пучок автоматически разбиваетс на множество микропучков, проход щих вдоль осей канала, вначале толщиной см. Пройд axial channeling of positive beam ions in a crystalline target. The beam is automatically broken up into a multitude of microbeams passing along the axes of the channel, initially with a thickness of cm.

несколько микрон, эти микропучки за счет взаимодействи с атомными пол ми сжимаютс по плотности на оси в 103-104 раз, т.е. до .several microns, due to the interaction with atomic fields, these microbeams are compressed on the axis by a factor of 103-104, i.e. before .

На чертеже графически представленыThe drawing graphically presents

режимы работы ускорител .Modes of operation of the accelerator.

Установка дл реализации изобретени содержит ускоритель зар женных частиц, ускор ющий а-частицы до энергий, превышающих пороговую энергию, необходимуюThe apparatus for carrying out the invention contains an accelerator of charged particles, accelerating a particles to energies exceeding the threshold energy required

дл освобождени нейтронов в мишени; мишень , представл ющую собой кристалл, имплантированный ионами. На чертеже в виде графиков представлены режимы работы ускорител в сочетании с мишен ми, имеющими различную степень имплантации дл различных угловых разбросов а -частиц в налетающем пучке. Точка с наибольшим значением коэффициента конверсии лежит на кривой А при значени х энергии налетающих частиц около 250 кэВ. При этом Пт/п 3 -10 , «Кр рад. Эти данные (кривые AI-АЗ) характеризуют режим с более интенсивным выходом нейтронов по сравнению с обычными источниками нейтронов , построенными на основе ускорител зар женных частиц (кривые Bi-Бз, Вт-Вз, Г1-Гз).to release neutrons in the target; a target that is a crystal implanted with ions. In the drawing, in the form of graphs, the modes of operation of the accelerator are presented in combination with targets that have different degrees of implantation for different angular spreads of a-particles in the incident beam. The point with the highest value of the conversion coefficient lies on curve A with values of the incident particle energy of about 250 keV. In this case, Fri / P 3-10, “Cr glad. These data (AI-AZ curves) characterize the regime with a more intense neutron yield as compared to conventional neutron sources based on an accelerator of charged particles (Bi-Bz, W-Bz, G1-Gz curves).

Пример. Выбираем в качестве мише- ни монокристаллическую пластину, (0,3х1х1)см3 с чистотой 10 атомов примесей на один атом кремни . Насыщаем мишень ионами дейтери (2Н) (в режиме ионной имплантации Е ЮО кэВ) до концентрации , соответствующей 3% от количества ионов монокристалла кремни в режиме каналировани . Устанавливаем пластину в юстировочное устройство и направл ем на нее (на насыщенную дейтерием плоскость) пучок ионов дейтери ( Н) сечением ,25 см2 с энергией Е 250-300 кэВ, сфокусировав его так, чтобы угловой разброс ионов был равен 3 навливаем ток 5 мкА (,5Example. As a target, we choose a single-crystal plate, (0.3 × 1 × 1) cm3 with a purity of 10 impurity atoms per silicon atom. We saturate the target with deuterium (2H) ions (in the ion implantation mode E SO keV) to a concentration corresponding to 3% of the number of silicon single crystal ions in the channeling mode. Install the plate into the adjusting device and direct it (to the deuterium-saturated plane) deuterium ion (H) ion beam with a cross section of 25 cm2 with an energy E of 250-300 keV, focusing it so that the angular spread of the ions is 3 we pour a current of 5 μA ( ,five

,-з, w

10 J частиц/с).10 J particles / s).

рад. УстаПолучим интегральный поток нейтронов glad. The mouth of the receive integral neutron flux

3,15- ,26- 1013 нейтронов/с 3.15-, 26-1013 neutrons / s

с энергией и углами вылета, совпадающими с расчетными 5Е-3,265 МэВ в пределах 0L 0-180°.with energy and angles of departure coinciding with the calculated 5Е-3,265 MeV within 0L 0-180 °.

Claims

Invention Formula

A method for manufacturing a neutron-forming target consisting in implanting a deuterium or tritium ion into a single-crystal substrate by irradiating it, characterized in that, in order to increase the conversion rate, the substrate is made with a purity better than impurity atoms per single crystal, and the concentration of implanted ions is maintained at range from 1 to 10% of the number of ions of a single crystal, while maintaining the energy of these ions within

dEM, Tx

-CMIN

, -E,

25

where is the depth of crystal irregularity, m;

dEv,

d x

Eimin - module magnitude specific

energy losses by the particle in the crystal lattice layer at the minimum implantation energy Egmin, eV / m;

E - the maximum value of the energy of ions from the source, bombarding the target, eV.

4-fff

ten

100 200 300 400 500 600 700ЈNeV