Neutronenquelle - Neutron source
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Eine Neutronenquelle ist jedes Gerät, das Neutronen emittiert , unabhängig von dem Mechanismus, der zur Erzeugung der Neutronen verwendet wird. Neutronenquellen werden in Physik, Ingenieurwesen, Medizin, Nuklearwaffen, Erdölexploration, Biologie, Chemie und Kernkraft verwendet.
Zu den Variablen der Neutronenquelle gehören die Energie der von der Quelle emittierten Neutronen, die Rate der von der Quelle emittierten Neutronen, die Größe der Quelle, die Kosten für den Besitz und die Wartung der Quelle sowie staatliche Vorschriften in Bezug auf die Quelle.
Kleine Geräte
Radioisotope, die spontan spalten
Bestimmte Isotope unterliegen einer spontanen Spaltung unter Emission von Neutronen. Die am häufigsten verwendete Quelle für spontane Spaltungen ist das radioaktive Isotop Californium -252. 252 Cf und alle anderen spontanen Spaltungsneutronenquellen werden durch Bestrahlung von Uran oder einem anderen transuranischen Element in einem Kernreaktor erzeugt, in dem Neutronen im Ausgangsmaterial und seinen nachfolgenden Reaktionsprodukten absorbiert werden, wodurch das Ausgangsmaterial in das SF- Isotop umgewandelt wird. 252 Cf-Neutronenquellen haben typischerweise einen Durchmesser von 1/4 Zoll bis 1/2 Zoll und eine Länge von 1 Zoll bis 2 Zoll. Beim Neukauf emittiert eine typische 252- Cf-Neutronenquelle zwischen 1 × 10 7 bis 1 × 10 9 Neutronen pro Sekunde, aber mit einer Halbwertszeit von 2,6 Jahren sinkt diese Neutronenleistungsrate in 2,6 Jahren auf die Hälfte dieses ursprünglichen Wertes. Der Preis einer typischen 252- Cf-Neutronenquelle liegt zwischen 15.000 und 20.000 US-Dollar.
Radioisotope, die mit Alphateilchen zerfallen, die in einer Elementarmatrix mit niedrigem Z gepackt sind
Neutronen werden erzeugt, wenn Alphateilchen auf eines von mehreren Isotopen mit niedrigem Atomgewicht auftreffen, einschließlich Isotopen von Beryllium, Kohlenstoff und Sauerstoff. Diese Kernreaktion kann verwendet werden, um eine Neutronenquelle zu konstruieren, indem man ein Radioisotop, das Alphateilchen wie Radium , Polonium oder Americium emittiert , mit einem Isotop mit niedrigem Atomgewicht mischt , normalerweise durch Mischen von Pulvern der beiden Materialien. Typische Emissionsraten für Alpha-Reaktions-Neutronenquellen reichen von 1 × 10 6 bis 1 × 10 8 Neutronen pro Sekunde. Als Beispiel kann erwartet werden, dass eine repräsentative Alpha-Beryllium-Neutronenquelle ungefähr 30 Neutronen pro eine Million Alphateilchen erzeugt. Die Nutzungsdauer für diese Arten von Quellen ist sehr variabel, abhängig von der Halbwertszeit des Radioisotops, das die Alphateilchen emittiert. Die Größe und Kosten dieser Neutronenquellen sind mit Spontanspaltungsquellen vergleichbar. Übliche Kombinationen von Materialien sind Plutonium - Beryllium (pube), Americium -beryllium (AMBE) oder americium- Lithium (AMLI).
Radioisotope, die mit hochenergetischen Photonen zerfallen, die zusammen mit Beryllium oder Deuterium lokalisiert sind
Gammastrahlung mit einer Energie, die die Neutronenbindungsenergie eines Kerns übersteigt, kann ein Neutron (ein Photoneutron ) ausstoßen . Zwei Beispielreaktionen sind:
Neutronengeneratoren mit versiegelten Röhren
Einige Neutronengeneratoren auf Beschleunigerbasis induzieren eine Fusion zwischen Strahlen von Deuterium- und/oder Tritiumionen und Metallhydrid- Targets, die ebenfalls diese Isotope enthalten.
Mittelgroße Geräte
Plasma-Fokus- und Plasma-Pinch- Geräte
Die Neutronenquelle mit dichtem Plasmafokus erzeugt eine kontrollierte Kernfusion, indem sie ein dichtes Plasma erzeugt, in dem ionisiertes Deuterium- und/oder Tritiumgas auf Temperaturen erhitzt wird, die zum Erzeugen einer Fusion ausreichend sind.
Trägheitselektrostatischer Einschluss
Trägheitselektrostatische Einschlussvorrichtungen wie der Farnsworth-Hirsch- Fusor verwenden ein elektrisches Feld , um ein Plasma auf Fusionsbedingungen zu erhitzen und Neutronen zu erzeugen. Vor allem in den USA haben sich verschiedene Anwendungen von einer Hobbyszene bis hin zu kommerziellen Anwendungen entwickelt.
Beschleuniger für leichte Ionen
Herkömmliche Teilchenbeschleuniger mit Wasserstoff (H), Deuterium (D) oder Tritium (T)-Ionenquellen können verwendet werden, um Neutronen unter Verwendung von Targets aus Deuterium, Tritium, Lithium, Beryllium und anderen Materialien mit niedrigem Z zu erzeugen. Typischerweise arbeiten diese Beschleuniger mit Energien im Bereich > 1 MeV.
Hochenergetische Bremsstrahlungs - Photoneutronen- /Photospaltungssysteme
Neutronen werden erzeugt , wenn Photonen über der Kernbindungsenergie einer Substanz auf dieser Substanz auftreffen, so dass es zu unterziehen Dipolriesenresonanz wonach es entweder ein Neutron emittiert ( Photoneutronen ) oder erfährt Spaltung ( Photospaltung ). Die Anzahl der bei jedem Spaltungsereignis freigesetzten Neutronen ist stoffabhängig. Typischerweise beginnen Photonen bei der Wechselwirkung mit normaler Materie bei Energien von etwa 7 bis 40 MeV Neutronen zu erzeugen , was bedeutet, dass Strahlentherapieanlagen , die Megaspannungs-Röntgenstrahlen verwenden, auch Neutronen erzeugen, und einige erfordern eine Neutronenabschirmung. Darüber hinaus können Elektronen mit einer Energie von über etwa 50 MeV in Nukliden eine Riesendipolresonanz durch einen Mechanismus induzieren, der das Gegenteil der internen Umwandlung ist , und somit Neutronen durch einen ähnlichen Mechanismus wie Photoneutronen erzeugen.
Große Geräte
Kernspaltungsreaktoren
Kernspaltung, die in einem Reaktor stattfindet, erzeugt sehr große Mengen an Neutronen und kann für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden, einschließlich Stromerzeugung und Experimente. Forschungsreaktoren sind oft speziell dafür ausgelegt, Experimente in einer Umgebung mit hohem Neutronenfluss zu platzieren.
Kernfusionssysteme
Auch die Kernfusion , die Verbindung der schweren Isotope des Wasserstoffs, hat das Potenzial, große Mengen an Neutronen zu produzieren. Fusionssysteme im kleinen Maßstab existieren für (Plasma-)Forschungszwecke an vielen Universitäten und Laboratorien auf der ganzen Welt. Es gibt auch eine kleine Anzahl von groß angelegten Kernfusionsexperimenten, darunter die National Ignition Facility in den USA, JET in Großbritannien und demnächst das ITER- Experiment, das derzeit in Frankreich gebaut wird. Als Neutronenquellen werden noch keine verwendet.
Die Fusion mit Trägheitseinschluss hat das Potenzial, um Größenordnungen mehr Neutronen als Spallation zu erzeugen . Dies könnte für die Neutronenradiographie nützlich sein, die verwendet werden kann, um Wasserstoffatome in Strukturen zu lokalisieren, atomare thermische Bewegungen aufzulösen und kollektive Anregungen von Kernen effektiver als Röntgenstrahlen zu untersuchen .
Hochenergetische Teilchenbeschleuniger
Eine Spallationsquelle ist eine Hochflussquelle, bei der auf hohe Energien beschleunigte Protonen auf ein Targetmaterial treffen und Neutronen emittieren.
Neutronenfluss
Für die meisten Anwendungen ist ein höherer Neutronenfluss besser (da er die Zeit für die Durchführung des Experiments, die Aufnahme des Bildes usw. verkürzt). Amateurfusionsgeräte wie der fusor erzeugen nur etwa 300 000 Neutronen pro Sekunde. Kommerzielle Fusorvorrichtungen können in der Größenordnung von 10 9 Neutronen pro Sekunde erzeugen , was einem nutzbaren Fluss von weniger als 10 5 n/(cm² s) entspricht. Große Neutronenstrahllinien auf der ganzen Welt erreichen einen viel größeren Fluss. Reaktorbasierte Quellen erzeugen jetzt 10 15 n/(cm² s) und Spallationsquellen erzeugen mehr als 10 17 n/(cm² s).
Siehe auch
- Neutronenemission
- Neutronengenerator , kommerzielle Geräte
- Neutronentemperatur („schnell“ oder „langsam“)
- Inbetriebnahme Neutronenquelle
- Zetatron
Verweise
- ^ Riesendipolresonanz-Neutronenausbeuten, die von Elektronen als Funktion des Targetmaterials und der Dicke erzeugt werden
- ^ Taylor, Andrew; Dunne, M; Bennington, S.; Ansell, S; Gärtner, ich; Norreys, P; Broome, T; Findlay, D; Nelmes, R. (Februar 2007). "Ein Weg zur hellsten möglichen Neutronenquelle?". Wissenschaft . 315 (5815): 1092–1095. Bibcode : 2007Sc...315.1092T . doi : 10.1126/science.1127185 . PMID 17322053 .