Импульсный источник нейтронов

АЕ Союз Соевтскик Социапистнчвсиик Республик(22) Заявлено 130479 (21) 2744650/18-25 (5)М. ХВ. С 21 Н 5/00 Н 05 Н 9/00 с присоединением заявки Нов(23) Приоритет Государственный комитет СССР оо дедам изобретений и открытий(54) ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК НЕЙТРОНОВ Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано для производства изотопов на электронных ускорителях и для исследований по ядерной физике, физике твердого тела, химической физике и биологии.Известны устройства для генерации импульсных потоков нейтронов, содержащие ускоритель заряженных частиц и нейтронную мишень использую 10 щие реакции рождения быстрых нейтронов при бомбардировке. ядер тяжелыми( частицами - (р, и), д, п), (д. и, и др., фоторождения быстрых нейтронов при торможении релятивистских элект ронов в мишени (- . о) 11. Для них характерны недостаточно высокий удельный выход нейтронов на частицу, большая экзотермичность 20 используемых реакций, высокая средняя энергия рождаеьых нейтронов ( 1,5 МэВ). В связи с последним, известные устройства для генерации тепловых и резонансных нейтронов содержат замедлитель и характеризуются дополнительно большой утечкой быстрых нейтронов через его поверхность, снижающей интенсивность в процессе замедления в 10-100 раз, силь ным дисперсионным уширением первоначально короткого импульса.Известен импульсный источник нейтронов, содержащий ускоритель электронов, внешнюю фотонейтронную мишень и замедлитель, использующий-излучение релятивистских электронов при торможении в мишени, реакцию , п Фоторождения быстрых нейтронов в той же мишени и процесс их замедления до тепловых и резонансных энергии (,21В таком устройстве невозможно увеличить интенсивность генерации, улучшить пространственные и временные параметры потока и снизить удельные энергетические затраты на рождение одного нейтрона, поскольку оно характеризуется еще и низкой спектральной плотностью тормозного Я-излучения, пространственной совмещен ностью процессов образования Я-квантов и нейтронов в одной мишени, большим энерговыделением в мишени за счет ионизационных потерь электронов и радиационных потерь Т-квантов при энергиях выше титантского резонанса реакции у, и.Целью изобретения является увеличение интенсивности и уменьшениеудельных энергетических потерь пригенерации нейтронов, увеличение пространственно-временной плотности потока тепловых и резонансных нейтронов,Это достигается тем, что на траектории электронов перед мишенью расположена магнитная система для генерации направленного магнитотормозного 3-излучения.В случае источника тепловых и резонансных нейтронов мишень выполненаиз материала, содержащего легкие ядра с аномально низкой энергией связи.Магнитная система может быть расположена на траектории электронов вциклическом ускорителе,Для уменьшения ионизационных потерь в мишени магнитная системаснабжена устройством для разделенияи-пучков,Для уменьшения радиационных потерь в мишени перед мишенью расположен фильтр )"-излучения.На фиг. 1 и 2.представлен схематично импульсный источник нейтронов в двух проекциях; на фиг, 3кривые зависимости спектральнойплоскости магнитотормозного излучения и сечения реакции у, п отэнергии )"-квантов,Предлагаемый источник содержитциклический ускоритель электронов 1с системой фокусировки пучка 2, магнитную систему для генерациинаправленного магнитотормозного-излучения 3, расположенную на выведенном пучке электронов, устройство для разделения и вывода (и ).-пучков 4. Фильтр 7-излучения 5 ифотонейтронкую мишень б.Кривые зависимости, представленные на фиг. 3, поясняют физическийпринцип прямой генерации нейтроновнизких энергий, положенный в основупредлагаемого источника. Кривыми 7и 8 показаны безразмерные спектральные функции ) (Г /Бс) магнитотормозного излучения релятивистских электронов с энергией Е= 7 ГэВ в пространственно-периодическом магнитномполе напряженностью 60 и 100 МэВ соответственно. Кривая 9 представляетэнергетическую зависимость сеченияреакции у, и вблизи порвга в Веэ(мбарн), выбранном в качестве мишени. По оси абсцисс отложена энергия4-квантов в единицах Е -Е 7., гдеЕри - порог реакции у, , равныйв случае 4 Веч 1,бб 5 МэВ, Указан порог реакции 3, 2Ес-"критический"параметр спектра магнитотормозногоизлучения, равный Е(кэВ) = бб 5 хх 10 Е (ГэВ) Н(кэВ). Посколькуспектральный выход нейтронов пропорционален произведению (ЕЕ) Е-,в спектре нейтронов будут представлены все энергии, начиная с нулевойи кончая некоторой граничной, определяемой параметром Е-, т,е. спадом функции;Е /Ес) при больших значениях Б, Пл 7 щади под кривыми 7 и 8соответствуют части спектра -квантов, участвующих в реакции ), и, иопределяют величину интегральноговыхода нейтронов. Они дают представление о масштабе возможного увеличения интенсивности генерации при увеличении Е( и Н, которое сдвигаеткривую (Г./Г ) вправо по оси абсцисси вверх по осй ординат.В устройстве (фиг. 1 и 2) в качестве источника релятивистских электронов могут исПользоваться линейныйили циклический ускоритель, накопитель электронов ГэВ-диапазона. Ма гниткая система с пространствен но-периодическим или однородным, постоянным во времени или импульснымполем может располагаться ка выведенном пучке электронов (фиг. 1) или Щ составлять часть орбиты электронов вциклическом ускорителе, накопителе(фиг. 2). В случае источника быстрыхнейтронов в качестве мишени можетприменяться любой изотоп. В случаеисточника, основанного на принципепрямой фотогенерации нейтронов низких энергий, мишень выполняется изматериала,. содержащего изотопы ссильно выраженным первым фотонейтронкым резонансом, либо с быстрым нарастанием сечения реакции ",иЯ. вблизипорога.Устройство работает следующимобразом (фиг. 1, 2). Модулированныйво времени пучок электронов, ускоренных до требуемой энергии в линейномускорителе, синхротроне или накопленных в накопительном кольце 1 сфокусированных системой 2 до апертуры5-10 мм и расходимости " 1/у, 4 О где T Ер/вс",проходит через магнитную систему 3 с пространственно-периодическим или однородным, постоянным во времени или импульсным полем,Энергия электронов может лежать впределах " 5-10 ГэВ. Ее конкретноезначение зависит от параметров сечения 3", И мишени, в частности от положения порога или гигантского резонанса реакции, от требуемой средней(граничной) энергии спектра рождения уи интенсивности генерации. Оно определяется также достижимой величинойнапряженности магнитного .поля. Проходя в магнитной системе, пучок элект. -ронов отклоняется и испытывает торможение, в результате чего формируется импульсное, направленное строговперед в узком интервале углов 1/у,магнитотормозное (синхронное, ондуляторное) излучение. Поток-квантов Я очищается от электронной компонентыв устройстве 4, фильтруется от неиспользуемой, мягкой части спектра ниже порога реакции ", и Е о фильтрами 5 из тяжелых металлов й направля. у 5 ется на мишень б. Под действием-квантов с энергией Е Ъ Е . из ядер мишени рождаются нейтроны.В случае источника быстрых нейтронов используется -кванты с энергией, близкой к энергии гигантского резонанса Е уи,причем оптимальными являются мишени, содержащие тяжелые ядра с максимальной величиной Е-и в резонансе (например, Та, Ч),Требуе,мые в этом случае энергия электронов Е и напряженность магнитного поля Н определяются значением Еи, требуемой средней энергией нейтронов и интенсивностью генерации. Для мишеней с отношением сечения , и к 3 рб (10- превышение интенсивности генерации над достигнутой в известных устройствах наступает при условиях Еь Н/Е5 и Р 8 ) 2 10., где Е( измеряется в ГэВ, Е,п а кэВ, Н в кэВ ив м. Например, если мишень выполнена из Ч 238 (Е= 206,14 МэВ), Еу/0.2 10 ). Эти условия удовлетворяются при Е(л20 ГэВ в полях Н75 кэВ длиной по траектории электронов 1 Ъ 2,5 м.В случае источника тепловых и д 5 резонансных нейтронов, основанного на принципе прямой фотогенерации нейтронов низкий энергий, используются кванты с энергией,. близкой к энергии порога Е , реакции )", л, причем оптимальнйми являются мишени, содержащие легкие ядра с аномально низкой энергией связи (Д , 4 Веф). Требуемые в этом сЛучае Ер и Р определяются значением, Ко,ръ требуемой граничной энергией нейтронов и интенсивностью генерации. Для мишени с отношением Яз.п О,10-превышение плотности потока над достигнутой в прототипе, содержащем замедлитель, наступает при условии Е Н/Ео ,1 и 4 Ь Н 610 , Так, если мишень выполнена из А Ве (Е .И = 1,665 МэВ), Бур /,О. =2 5 10 , требуемые зчачения Е р, Н и 1 порядка 5 ГэВ, 50 кэВ и 2 м и соответственно, Применение этих ядер 45 одновременно минимизирует радиационные потери в мишени.Возможны два геометрических варианта источника. В случае магнитной системы с одород ое, да горизонтальная расходимость-излучения определяется используемым углом поворота пучка электронов в несколько градусов, а вертикальная составляет 1/Я -10 рад, реализуется плоский источник нейтронов с эффективной толщиной области генерации ,Ь 1 см, а в случае накопителей0,1 см, которая много меньше горизонтальных размеров определяемых длиной пробега Я-квантов с ЕЗ.Ео Щ и горизонтальной расходимостью излучения. В случае магнитной системы с пространственно-периодическим нолем, когда горизонтальная расходимость 3-излучения определяется периодом 65 изменения поля, значение Е р и Н и может быть сделана близкой к вертикальной, реализуется аксиально-симметричный источник нейтронов с эффективным радиусом области генерации1 см, а в случае накопителей с радиусом0,1 см, много меньшим ее длины, определяемой длиной пробега -квантов с энергией Е ЕЧастота следования нейтронных импульсов составляет10 Гц в случае линейных ускорителей и синхротронов и ." 10Гц для накопительных колец. Для понижения чистоты в последнем случае магнитная система, работающая в импульсном режиме, располагается в специальном канале, куда сгусток электронов отводится с требуемой частотой, причем падение средней интенсивности компенсируется увеличением импульсной за счет увеличения напряженности поля.Длительность нейтронного импульса составляет 10-10 9 ек в случае накопителей п . 10 -10 сек в случае синхротронов и линейных ускорителей.Максимальная импульсная интенсивность достигается в случае источника на выведенном электронном пучке и импульсного магнитного поля, когда значительная часть энергии электронов преобразуется визлучение с оптимальным видом спектра. Максимальная средняя интенсивность и плотность потока реализуется в случае накопительного кольца, характеризуемого максимальным средним током при минимальных размерах пучка и длительности импульса -квантов.Формула изобретения1. Импульсный источник нейтронов, содержащий ускоритель электронов и внешнюю фотонейтронную мишень, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения интенсивности и уменьшения удельных энергетических потерь, на траектории электронов перед мишенью расположена магнитная система для генерации направленного магнитотормозного Я-излучения.2, Источник по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения пространственно-временной плотности потока тепловых и резонансйых нейтронов, мишень выполнена из материала, содержащего легкие ядра с аномально низкой энергией связи.3. Источник по пп.1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что магнитная система расположена на траектории электронов в циклическом ускорителе.4. ИстоЧник по пп.1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что магнитная,мР у- Е л.,кя Составитель В. Егороввлова ТехредМ, Рейвес Корректор С.Цома актор Заказ 3398/5 ал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 система снабжена блоком для разделенияи у-пучков. 5, Источник по пп,1, 2, 3 и 4, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что перед мишенью расположен фильтр у-излучения. Тираж 476 НИИПИ Государстве по делам изобре 35, Москва, Ж, Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Власов Н, А. Нейтроны. М., "Наука",1971.2. Певзнер М. И., Герасимов В. Ф. и др, Препринт ИАЭ. М 1971 (прототип). Подписноого комитета ССний и открытийаушская наб., д