Generador de neutrons
Els generadors de neutrons són dispositius utilisats com fonts de neutrons que contenen acceleradors llineals compactes i que produïxen neutrons fusionant isòtops d'hidrogen. Les reaccions de fusió tenen lloc en estos dispositius accelerant deuteri, triti o una mescla d'estos dos isòtops en un objectiu d'hidrur metàlic que també conté deuteri, triti o una mescla d'estos isòtops. La fusió d'àtoms de deuteri (D + D) dona com resultat la formació d'un ion heli-3 i un neutró en una energia cinètica d'aproximadament 2,5 MeV. La fusió d'un àtom de deuteri i triti (D + T) dona com resultat la formació d'un ion heli-4 i un neutró en una energia cinètica d'aproximadament 14,1 MeV. Els generadors de neutrons tenen aplicacions en medicina, seguritat i anàlisis de materials.[1]
El concepte bàsic va ser desenrollat per primera volta per l'equip d'Ernest Rutherford en els Laboratoris Cavendish a principis de la década de 1930. Utilisant un accelerador llineal impulsat per un generador de Cockcroft-Walton, Mark Oliphant va dirigir un experiment que va disparar ions de deuteri sobre una làmina metàlica en deuteri infundido i va observar que una chicoteta cantitat d'estes partícules emetien radiació alfa. Esta va ser la primera demostració de fusió nuclear, aixina com el primer descobriment de l'heli-3 i del triti, creats en estes reaccions. L'introducció de noves fonts d'energia ha reduït contínuament el tamany d'estes màquines, des de les de Oliphant, que ocupaven una secció del laboratori, fins a les màquines modernes que són altament portàtils. En les últimes cinc décades a cavall entre els sigles XX i XXI s'han construït mils d'estos sistemes menuts i relativament econòmics.
Si ben els generadors de neutrons produïxen reaccions de fusió, la cantitat de ions accelerats que causen estes reaccions és molt baixa. Es pot demostrar fàcilment que l'energia lliberada per estes reaccions és moltes voltes menor que l'energia necessària per a accelerar els ions, per lo que no hi ha possibilitat de que estes màquines s'utilisen per a produir energia de fusió neta. Un concepte relacionat, la fusió de fes en colisió, intenta abordar este problema utilisant dos acceleradors que es disparen entre sí.
Teoria i funcionament del generador de neutrons
[editar | editar còdic]Els menuts generadors de neutrons que utilisen reaccions de fusió de deuteri (D, hidrogen-2, 2H) i triti (T, hidrogen-3, 3H) són les fonts de neutrons basades en acceleradors més comuns (a diferència dels isòtops radiactius). En estos sistemes, els neutrons es produïxen creant ions de deuteri, triti o deuteri i triti i accelerant-los fins a transformar-los en dirigir-los cap a un objectiu d'hidrur carregat en deuteri, o deuteri i triti. La reacció DT s'utilisa més que la reacció DD perque el rendiment de la reacció DT és 50 a 100 voltes major que el de la reacció DD.
- D + T → n + 4He Plantilla:Pad In = 14,1 MeV
- D + D → n + 3He Plantilla:Pad In = 2,5 MeV
Els neutrons produïts per les reaccions DD i DT s'emeten en certa mida anisotrópicamente des de l'objectiu, llaugerament desviats sobre la direcció directa (la de l'eix del fes de ions). La anisotropía de l'emissió de neutrons de les reaccions DD i DT sorgix del fet de que les reaccions són isotrópicas en sistema de coordenades del centre de moment (COM), pero esta isotropía es pert en la transformació del sistema de coordenades COM al marc de referència del laboratori. En abdós marcs de referència, els núcleus d'He retrocedixen en direcció oposta al neutró emés, d'acort en la llei de la conservació del moment.
La pressió del gas en la regió de la font de ions dels tubos de neutrons generalment oscila entre 0,1 i 0,01 mm Hg. El camí lliure mig dels electrons deu ser més curt que l'espai de descàrrega per a conseguir l'ionisació (llímit inferior de pressió), mentres que la pressió deu mantindre's lo suficientment baixa per a evitar la formació de descàrregues en els alts voltages d'extracció aplicats entre els electrodos. No obstant, la pressió en la zona d'acceleració té que ser molt menor, ya que el camí lliure mig dels electrons deu ser més llarc per a evitar la formació d'una descàrrega entre els electrodos d'alt voltage.
L'accelerador de ions sol estar format per varis electrodos en simetria cilíndrica, que actuen com un lent de Einzel. D'esta manera, el fes de ions pot enfocar-se en un chicotet punt de l'objectiu. Els acceleradors solen requerir fonts d'alimentació de 100 a 500 kV. Solen tindre vàries etapes, en una tensió entre les etapes que no supera els 200 kV per a evitar emissió per efecte de camp.
En comparació a les fonts de neutrons de radionúclits, els tubos de neutrons poden produir fluix de neutrons molt més alts i es poden obtindre espectres d'energia de neutrons consistents (monocromàtics). També es pot controlar la taxa de producció de neutrons.
Tubos de neutrons sagellats
[editar | editar còdic]La part central d'un generador de neutrons és el propi accelerador de partícules, a voltes cridat tubo de neutrons. Els tubos de neutrons tenen varis components que inclouen una font de ions, elements òptics de ions i un objectiu del fes. Tots ells estan tancats dins d'un recint hermètic al buit. L'aïllament d'alt voltage entre els elements òptics iònics del tubo es proporciona per mig de aisladores de vidre i/o ceràmica. El tubo de neutrons, a la seua volta, està tancat en una carcassa metàlica, el cabezal de l'accelerador, que està ple d'un mig dielèctric per a aïllar els elements d'alt voltage del tubo de l'àrea d'operació. Els alts voltages de l'accelerador i de la font de ions són proporcionats per fonts d'alimentació externes. La consola de control permet a l'operador ajustar els paràmetros de funcionament del tubo de neutrons. Les fonts d'alimentació i l'equip de control normalment estan ubicats dins de Error de Lua: expandTemplate: template "es:formatnum" does not exist. del cabezal de l'accelerador en instruments de laboratori, pero poden estar a varis quilómetros de distància en instruments de perfilaje de pou.
En comparació als seus predecessors, els tubos de neutrons sagellats no requerixen bomba de buit ni fonts de gas per al seu funcionament. Per lo tant, són més mòvils i compactes, al mateix temps que duradors i fiables. Per eixemple, els tubos de neutrons sagellats han reemplaçat als iniciadores de neutrons modulats radiactius per a suministrar un pols de neutrons al núcleu en implosió de lss armes nuclears modernes.
Els eixemples d'idees de tubos de neutrons es remonten a la década de 1930, l'era prenuclear, desenrollats per científics alemans que varen presentar una palesa alemana en 1938 (març de 1938, palesa n.° 261.156) i varen obtindre una palesa nortamericana (juliol de 1941, USP n.° 2.251.190); eixemples de l'estat actual de la tècnica ho donen desenrolls com el neutristor,[2] un dispositiu principalment d'estat sòlit, semblat a un chip de computadora, inventat en el Laboratori Nacional de Sandia en Albuquerque, Nou Mèxic. Els dissenys sagellats típics s'utilisen en modo pulsat[3] i poden funcionar a diferents nivells d'eixida, depenent de la vida útil de la font de ions i dels objectius carregats.[4]
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Reijonen, J. “Compact Neutron Generators for Medical, Homeland Security, and Planetary Exploration”. Proceedings of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee: 49–53.
- ↑ “Novell Surface-Mounted Neutron Generator” (2012). IEEE Transactions on Plasma Science 40 (9): 2145–2150. doi:. Bibcode: 2012ITPS...40.2145E.
- ↑ “Development of a Compact Evacuated Pulsed Neutron Source” (1960). Review of Scientific Instruments 31 (3): 235–240. doi:. Bibcode: 1960RScI...31..235G.
- ↑ “A High Output Neutron Tube Using an Occluded Gas Ion Source” (1981). IEEE Transactions on Nuclear Science 28 (2): 1531–1534. doi:. Bibcode: 1981ITNS...28.1531W.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Generador de neutrones» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.