Генератори нейтронів — це пристрої, які виступають джерелами нейтронів, що містять компактні лінійні прискорювачі частинок і виробляють нейтрони шляхом синтезу ізотопів водню. Реакції ядерного синтезу відбуваються в цих пристроях шляхом прискорення дейтерію, тритію або суміші цих двох ізотопів у мішені з гідриду металу, яка також містить дейтерій, тритій або суміш цих ізотопів. Синтез атомів дейтерію (D + D) призводить до утворення іона гелію-3 та нейтрона з кінетичною енергією приблизно 2,5 МеВ. Злиття атома дейтерію та тритію (D + T) призводить до утворення іона гелію-4 та нейтрона з кінетичною енергією приблизно 14,1. Нейтронні генератори з енергією 1 МеВ застосовуються в медицині, безпеці та аналізі матеріалів.
Базову концепцію вперше розробила команда Ернеста Резерфорда в Кавендішській лабораторії на початку 1930-х років. Використовуючи лінійний прискорювач, що керується генератором Кокрофта-Волтона, Марк Оліфант провів експеримент, в якому іони дейтерію вистрілювали в металеву фольгу, просочену дейтерієм, і помітив, що невелика кількість цих частинок виділяла альфа-частинки. Це була перша експериментальна демонстрація ядерного синтезу, а також перше відкриття ізотопів гелію-3 і тритію, що утворюються внаслідок цих реакцій. Подальший розвиток джерел енергії забезпечив поступове зменшення розмірів таких установок: від машини Оліфанта, яка займала значну частину лабораторії, до сучасних компактних і високопортативних систем. Починаючи з 1960-х років, було створено тисячі таких невеликих і відносно недорогих установок.
Хоча нейтронні генератори справді створюють реакції синтезу, кількість прискорених іонів, які викликають ці реакції, дуже мала. Можна легко продемонструвати, що енергія, що вивільняється в результаті цих реакцій, у багато разів нижча за енергію, необхідну для прискорення іонів, тому немає можливості використовувати ці машини для виробництва чистої енергії синтезу. Споріднена концепція, термоядерний синтез із зустрічними променями, намагається вирішити цю проблему за допомогою двох прискорювачів, що працюють один назустріч одному.
Теорія та робота нейтронного генератора Малі нейтронні генератори, що використовують реакції синтезу дейтерію (D, водень-2, 2H) та тритію (T, водень-3, 3H), є найпоширенішими джерелами нейтронів на основі прискорювачів (на відміну від радіоактивних ізотопів).
У цих системах нейтрони утворюються шляхом створення іонів дейтерію, тритію або дейтерію та тритію та їх прискорення в гідридну мішень, завантажену дейтерієм або дейтерієм та тритієм. Реакція DT використовується частіше, ніж реакція DD, оскільки вихід реакції DT у 50–100 разів вищий, ніж у реакції DD.
D + T → n + 4HeEn = 14,1 МеВ
D + D → n + 3HeEn = 2,5 МеВ
Нейтрони, що утворюються внаслідок реакцій DD та DT, випромінюються з мішені дещо анізотропно, злегка зміщені в напрямку вперед (уздовж осі іонного пучка). Анізотропія нейтронного випромінювання з реакцій DD та DT виникає через те, що реакції є ізотропними в системі центру імпульсу (COM), але ця ізотропія втрачається при переході від системи координат COM до лабораторної системи відліку. В обох системах відліку ядра гелію відштовхуються в протилежному напрямку до випромінюваного нейтрона, що відповідає закону збереження імпульсу.
Тиск газу в області джерела іонів нейтронних трубок зазвичай коливається в межах від 0,1 до 0,01 мм рт. ст.
Середній вільний пробіг електронів має бути меншим за довжину розрядного проміжку, щоб забезпечити ефективну іонізацію, що визначає нижню межу робочого тиску. Водночас тиск повинен залишатися достатньо низьким, щоб запобігти виникненню електричних розрядів за високих напруг екстракції, прикладених між електродами. У зоні прискорення тиск має бути ще нижчим, оскільки для запобігання пробою між високовольтними електродами середній вільний пробіг електронів повинен перевищувати довжину цієї області.
Іонний прискорювач зазвичай складається з кількох електродів з циліндричною симетрією, що діють як лінза Ейнзеля. Таким чином, іонний пучок може бути сфокусований у невелику точку на мішені. Прискорювачі зазвичай потребують джерел живлення 100—500 кВ. Зазвичай вони мають кілька каскадів, напруга між якими не перевищує 200 кВ для запобігання польовій емісії.
Порівняно з радіонуклідними джерелами нейтронів, нейтронні трубки можуть виробляти значно більші потоки нейтронів, і можна отримати стабільні (монохроматичні) енергетичні спектри нейтронів. Швидкість виробництва нейтронів також можна контролювати.
Герметичні нейтронні трубки Центральним елементом нейтронного генератора є прискорювач заряджених частинок, який часто називають нейтронною трубкою. Нейтронна трубка складається з кількох основних компонентів, зокрема джерела іонів, іонно-оптичної системи та мішені, на яку спрямовується пучок частинок. Усі ці елементи розміщені в герметичному вакуумному корпусі. Високовольтну ізоляцію між елементами іонно-оптичної системи забезпечують скляні та/або керамічні ізолятори. Сама нейтронна трубка розміщується в металевому корпусі, яким виступає прискорювальна головка, заповненим діелектричним середовищем, яке ізолює високовольтні компоненти трубки від навколишнього робочого простору. Висока напруга, необхідна для роботи прискорювача та джерела іонів, подається від зовнішніх джерел живлення.
Керування роботою нейтронної трубки здійснюється за допомогою консолі керування, яка дає змогу оператору налаштовувати її основні робочі параметри.
Джерела живлення та контрольне обладнання зазвичай розташовані в межах прискорювальної головки в лабораторних приладах, але може бути за кілька кілометрів у приладах для каротажу свердловин.
Порівняно з їхніми попередниками, герметичні нейтронні трубки не потребують вакуумних насосів та джерел газу для роботи. Тому вони є більш мобільними та компактними, а також довговічними та надійними. Наприклад, герметичні нейтронні трубки замінили радіоактивні модульовані нейтронні ініціатори, подаючи імпульс нейтронів до вибухаючої активної зони сучасної ядерної зброї.
Приклади ідей нейтронних трубок датуються ще 1930-ми роками, до появи ядерної зброї, завдяки німецьким вченим, які подали німецький патент (березень 1938 року, патент № 261,156) та отримавши патент Сполучених Штатів (липень 1941 року, патент США № 2,251,190).
Прикладами сучасного рівня техніки є такі розробки, як нейтристор, переважно твердотільний пристрій, що нагадує комп'ютерний чіп, винайдений у Національних лабораторіях Сандії в Альбукерке, штат Нью-Мексико. Типові герметичні конструкції використовуються в імпульсному режимі і можуть працювати на різних рівнях вихідної потужності, залежно від терміну служби джерела іонів та завантажених мішеней.
Джерела іонів Гарне джерело іонів повинно забезпечувати сильний іонний пучок, не споживаючи при цьому багато газу. Для ізотопів водню утворення атомарних іонів є кращим за молекулярні, оскільки атомарні іони мають вищий вихід нейтронів при зіткненні. Іони, що генеруються в джерелі іонів, потім витягуються електричним полем у область прискорювача та прискорюються до мішені. Витрата газу головним чином зумовлена різницею тиску між простором, що генерує іони, та простором, що прискорює іони, яку необхідно підтримувати. Іонні струми 10 мА при споживанні газу 40 см3/год є досяжними.
Для герметичної нейтронної трубки ідеальне джерело іонів повинно працювати за низького тиску газу, забезпечувати високий іонний струм із великою часткою атомарних іонів, мати низькі витрати на очищення газу, споживати мало енергії, характеризуватися високою надійністю та тривалим терміном експлуатації. Крім того, його конструкція має бути простою й механічно міцною, а потреба в технічному обслуговуванні своєю чергою мінімальною..
Газ можна ефективно зберігати в резервуарі: електрично нагрітій котушці з цирконієвого дроту. Його температура визначає швидкість поглинання/десорбції водню металом, що регулює тиск у корпусі.
Холодний катод (Пеннінг) Джерело Пеннінга — це джерело іонів з холодним катодом низького тиску газу, яке використовує схрещені електричні та магнітні поля. Анод джерела іонів має позитивний потенціал, постійний або імпульсний, відносно катода джерела. Напруга джерела іонів зазвичай становить від 2 до 7 кіловольт. Магнітне поле, орієнтоване паралельно осі джерела, створюється постійним магнітом. Уздовж осі анода формується плазма, яка захоплює електрони. Ці електрони, своєю чергою, іонізують газ усередині джерела. Іони витягуються через вихідний катод. За нормальних умов роботи понад 90 % іонів, що утворюються в джерелі Пеннінга, становлять молекулярні іони. Однак цей недолік компенсується іншими перевагами такої системи.
Один з катодів являє собою чашку, виготовлену з м'якого заліза, що охоплює більшу частину розрядного простору. Дно чашки має отвір, через який більшість утворених іонів викидається магнітним полем у простір прискорення. М'яке залізо екранує простір прискорення від магнітного поля, щоб запобігти пробою.
Іони, що виходять із вихідного катода, прискорюються під дією різниці потенціалів між вихідним катодом та прискорювальним електродом. На схемі показано конфігурацію, у якій вихідний катод має потенціал землі, а мішень перебуває під високим негативним потенціалом. Така схема характерна для багатьох герметичних нейтронних трубок.
Однак у випадках, коли необхідно забезпечити максимальний потік нейтронів на зразок, доцільніше використовувати нейтронну трубку із заземленою мішенню та джерелом іонів, що перебуває під високим позитивним потенціалом. Напруга прискорення зазвичай знаходиться в діапазоні 80–180 кВ.
Прискорювальний електрод має форму довгого порожнистого циліндра. Іонний промінь має незначний кут розбіжності (близько 0,1 радіан). Форму електрода та відстань від мішені можна вибрати таким чином, щоб вся поверхня мішені бомбардувалася іонами. Прискорювальна напруга до 200 кВ досяжні.
Іони проходять через прискорювальний електрод і потрапляють на мішень. Під час взаємодії іонів із мішенню внаслідок вторинної емісії утворюються 2–3 електрони на кожен іон. Щоб запобігти прискоренню цих вторинних електронів у напрямку джерела іонів, прискорювальний електрод зміщують до негативнішого потенціалу відносно мішені. Ця різниця потенціалів, відома як напруга пригнічення, повинна становити щонайменше 500 В і може досягати кількох кіловольт. Втрата напруги пригнічення може спричинити пошкодження нейтронної трубки, у тому числі її катастрофічний вихід із ладу.
Деякі нейтронні трубки містять проміжний електрод, який називається фокусуючим або екстракторним електродом, для контролю розміру плями променя на мішені. Тиск газу в джерелі регулюється нагріванням або охолодженням елемента газорозподільного резервуара.
Радіочастота (РЧ) Іони можуть бути створені електронами, що утворюються у високочастотному електромагнітному полі. Розряд утворюється в трубці, розташованій між електродами, або всередині котушки. Можна досягти понад 90 % частки атомних іонів.
Цілі Мішені, що використовуються в нейтронних генераторах, являють собою тонкі плівки металу, такі як титан, скандій або цирконій, які осаджуються на срібну, мідну або молібденову підкладку. Титан, скандій і цирконій утворюють стабільні хімічні сполуки, які називаються гідридами металів, у поєднанні з воднем або його ізотопами.
Ці гідриди металів складаються з двох атомів водню (дейтерію або тритію) на атом металу та дозволяють мішені мати надзвичайно високу щільність водню. Це важливо для максимізації виходу нейтронів нейтронної трубки. Газовий резервуарний елемент також використовує гідриди металів, наприклад, гідрид урану, як активний матеріал.