ОБРАЗОВАНИЕ НЕЙТРОНОВ И ПРИМЕНЕНИЕ

Согласно одному из вариантов применения изобретения установлено, что атомы изотопного водорода, такие как атомы дейтерия, когда они диффундируют в кристаллическую решетку, реализуется их уплотнение и подвижность в кристаллической решетке, которые достаточны для инициирования событий генерирования нейтронов. События генерирования нейтронов также характеризуются генерированием избыточного энтальпического тепла, т.е. количество тепла, генерируемое в кристаллической решетке, значительно больше, чем эквивалент джоулева тепла, используемого для загрузки кристаллической решетки до химического потенциала, при котором происходят события генерирования нейтронов. В разделе I, как сказано ранее, описываются материалы и условия, соответствующие достижению требуемых условий для осуществления событий генерирования нейтронов в кристаллической решетке металла.

Нейтроны, образованные в кристаллической решетке металла, коллимируются для образования пучка нейтронов, и этот пучок используется в разных способах применения нейтронного пучка для анализа материалов. В этом разделе описываются иллюстративные устройства, предназначенные для нейтроннолучевого анализа материалов мишени.

СОБЫТИЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ НЕЙТРОНОВ

Как сказано выше и в соответствии с условиями осуществления изобретения, установлено, что кристаллическая решетка металла, загруженная атомами изотопного водорода до химического потенциала по крайней мере около 0,5 эВ, содействует возникновению событий генерирования нейтронов, которые подтверждаются образованием нейтронов высокой энергии.

Одно объяснение в отношении генерирования нейтронов, образуемых в кристаллической решетке металла, наблюдаемое в загруженной кристаллической решетке, состоит в возможности протекания реакций между уплотненными ядрами в кристаллической решетке. Как сказано выше, изотопные ядра водорода, растворенные в кристаллической решетке металла на уровне химических потенциалов выше примерно 0,5 эВ, являются высоко уплотненными и подвижными. Несмотря на это высокое уплотнение D2 не образуется по причине низкого признака S-электрона электронных волновых функций. Однако низкий S-признак в сочетании с высоким уплотнением растворенных типов ядер указывает на возможность значительного количества взаимных коллизий между растворенными ядрами. Поэтому можно считать, что некоторые из этих коллизий вызывают реакции между ядрами. Две реакции, которые можно предполагать в кристаллической решетке, содержащей преимущественно ядра дейтерия, следующие

2D + 2D ---> 3Т (1,01 МэВ) + H (3,02 МэВ) (V)

2D + 2D ---> 3He (0,82 МэВ) + n (2,45 МэВ) (VI)


Эти реакции следует учитывать в отношении генерирования трития (3T) и нейтронов (n) в металле.

Для измерения генерирования нейтронов в загруженной кристаллической решетке металла поток нейтронов от стержнеобразного палладиевого катода с диаметром в один миллиметр и длиной 10 см измерялся путем использования монитора Харвелла для определения эквивалента нейтронной дозы (тип 95/0949-5). Эффективность счета этого типа прибора со сферой Боннера в отношении нейтронов 2,5 МэВ, предполагалась около 2,4·10-4. Далее, суммарная эффективность спектрометра в отношении геометрии используемой ячейки была очень слабая. Тем не менее, эти эксперименты по контролю уровней генерирования нейтронов в несколько раз выше превосходили фон на контрольном электроде.

Несколько основных экспериментов генерирования тепла было проведено для демонстрирования, что события генерирования нейтронов, происходящие в кристаллической решетке металла, также сопровождаются образованием избыточного энтальпического тепла, то есть тепла, превышающего энергию эквивалента джоулева тепла, используемой во время загрузки кристаллической решетки металла. Эксперименты были основаны на катодном восстановлении D2O из жидкой фазы при почти комнатной температуре, используя плотности тока примерно между 0,8 и 70 мА/см2. Атомы дейтерия уплотнялись в листообразном и стержнеобразном образцах палладиевого металла из растворов 0,1 (M) LiOD в 99,5% D2O + 0,5% H2O. Потенциалы электродов измерялись относительно Pd-D контрольного электрода, заряженного до равновесия фаз, как описано выше.

ПРИМЕНЕНИЯ

А. ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОННОГО ПУЧКА

На фиг. 11 схематично показан генератор 60 нейтронного пучка, выполненный согласно изобретению. Этот генератор включает в себя пакетный реактор 62, который генерирует нейтроны в соответствии с принципами изобретения, и коллиматор 64, который коллимирует нейтроны, полученные в реакторе для образования нейтронного пучка, обозначенного под позицией 61.

Когда источник изотопного водорода производит атомы и дейтерия, и трития, предполагается следующая реакция, протекающая в кристаллической решетке

2D + 3Т ---> 3Не (0,82 МэВ) + n(17,58 МэВ) (VII)

которая будет производить нейтроны с распределением энергии на уровне 17,5 МэВ.

Коллиматор, показанный на фиг. 12, является расширяющим коллиматором, предназначенным для формирования пучка нейтронов высокой энергии или тепловых нейтронов (если нейтроны термализованы для выхода из реактора или в самом коллиматоре).

Верхняя (по ходу потока нейтронов) секция 80 коллиматора образована из литого или механически обработанного алюминия и имеет отверстие 82 круглой формы, расположенное непосредственно у реактора. Заслонка 84 из (B4C) используется для управления экспозицией. Внутренняя часть оправы футерована для защиты от нейтронов обкладкой 86 из кадмия или бора, типичная толщина которой менее 1 мм. Для использования при генерировании тепловых нейтронов эффективный материал для термализации нейтронов, такой как блок полиэтилена (не показан), может быть установлен между реактором и коллиматором или заключен в коллиматор.

Нижняя (по ходу потока нейтронов) секция 88 коллиматора выполнена из алюминия или ему подобного материала и имеет обкладку 90 из бора или свинца для содействия в подавлении гамма-лучей. Между секциями 80 и 88 установлен защитный кожух 92 фильтра, содержащий съемный фильтр 94, такой как висмутовый монокристаллический фильтр, для фильтрации гамма-лучей из нейтронного пучка.

Коллиматор и реактор могут быть погружены в бассейн, цементная стенка которого обозначена под позицией 96. Бассейн действует как нейтронная защита.

Опубликованная литература (такая как Коллиматоры для радиографии тепловыми нейтронами, Д.Ридель Паб. Ко. Бостон, МА, 1987), содержит необходимые подробности о конструкции коллиматоров нейтронных пучков. Коллиматор в устройстве также именуется как средство для коллимации.

Из вышесказанного можно видеть, как генератор нейтронных пучков реализуется с помощью заявленного изобретения. Источник нейтронов в генераторе является простым и недорогим, требующим (в одном варианте реализации) только электролитической системы для медленной загрузки кристаллической решетки металла атомами изотопного водорода. В противоположность традиционным радиоизотопным источникам нейтронов, источник может легко перезагружаться без манипулирования изотопами. Далее, проблемы безопасности и охраны здоровья, связанные с расщепляющимися изотопами, такими как полоний и радий, устраняются.

Хотя система имеет ограниченный выход потока нейтронов по сравнению с ядерным реактором или ускорителем частиц, нейтронный выход может селективно увеличиваться, например, путем увеличения числа и/или толщины, и/или химического потенциала металлических пластин (электродов) в реакторе. Далее, распределение энергии у нейтронов в пучке селективно изменяется от уровня тепловых нейтронов низкой энергии (или даже холодных нейтронов), образуемых в результате термализации пучка в соответствии с традиционными способами, примерно до 3,5 МэВ для реактора, загруженного дейтерием, и до 17,5 МэВ для кристаллической решетки металла, загруженной смесью атомов дейтерия и трития.

В. НЕЙТРОННАЯ РАДИОГРАФИЯ

Радиография является способом, с помощью которого получают затененное изображение "внутренности" материала мишени путем подвергания материала облучению пучком. Важный, связанный с материалом параметр в радиографии - это поперечное сечение захвата материала, которое показывает вероятность, что атом будет взаимодействовать с облучающим пучком, проходящим через материал. В случае рентгенографии (облучения рентгеновскими лучами), поперечное сечение элементов увеличивается с увеличением атомного веса так, что атомы с высоким молекулярным весом, такие как свинец, образуют эффективную защиту от проникновения радиации.

Наоборот, в нейтронной радиографии поперечное сечение поглощения нейтронов совершенно не зависит от размера ядра и, в частности, является относительно высоким для таких атомов, как водород, литий, бор и золото; и относительно низким для таких элементов, как алюминий, сера, углерод и кислород (Чрин Р.Е. Захват излучаемых нейтронов, Пергамон пресс, Нью-Йорк, 1984). Нейтронная радиография таким образом составляет уникальный способ для детектирования наличия элементов высокого поперечного сечения, таких как бор, в материале низкого поперечного сечения, или наоборот, присутствие материала низкого поперечного сечения, такого как углерод, в материале более высокого поперечного сечения.

На фиг. 12 схематично показано устройство 100, предназначенное для нейтронной радиографии в соответствии с одним вариантом реализации изобретения. Устройство включает в себя реактор 102 с загруженным металлом для производства нейтронов высоких энергий, коллиматор 104 для коллимации нейтронов в нейтронный пучок, обозначенный под позицией 106, и камеру 108 детектора, где происходит радиография материала образца 110.

В реакторе и коллиматоре используются общие конструктивные признаки патентуемого изобретения, изложенные во втором разделе выше. В то время, как в обычном случае энергия нейтронного пучка находится в диапазоне энергии тепловых нейтронов, нейтроны могут быть термализованы в коллиматоре или до поступления в коллиматор с помощью обычного средства, например, при проходе через полиэтиленовый блок.

Камера для образца в устройстве включает в себя соответствующее опорное средство (не показано) для поддерживания образца или материала мишени в положении, при котором пучок направляется на образец. В камере также находится лист пленки 112, на котором регистрируется радиографическое изображение образца, и преобразователь 114, из которого воздействующие на пленку частицы, например бета-частицы, излучаются, когда поверхность преобразователя бомбардируется нейтронами. Преобразователь предпочтительно устанавливается в прямом контакте с пленкой и образован из тонкой гадолиниевой пленки или аналогичного материала, способного излучать воздействующие на пленку частицы в ответ на нейтронную бомбардировку. Пленка и преобразователь также именуются совместно как регистрирующее средство. Различные типы регистрирующих средств, используемых в нейтронной радиографии, описаны (например, Математика и физика нейтронной радиографии, Д.Рейдель Паблишинг Ко., Бостон, Масс. , 1986).

Устройство может использоваться в разнообразных радиографических применениях на базе нейтронов тепловых и высоких энергий, как описано в книге (Шофильд, Нейтрон и его применения, Института физики, Лондон, Англия, 1983), в частности, в отношении структурного анализа взрывных устройств, механических сборок и лопастей турбин самолетов.

С. ДИФРАКЦИЯ НЕЙТРОНОВ

Дифракция нейтронов дает информацию о положениях и движениях ядер в кристаллическом или поликристаллическом материале по рассеянию пучка нейтронов на ядрах материала образца. Способ отличается от дифракции рентгеновских лучей или способов кристаллографии, в которых центрами рассеяния пучка рентгеновских лучей являются электронные облака. Так как нейтронный пучок зависит от событий рассеяния, включающих в себя рассеяние на ядрах, может быть получена обширная информация, которую невозможно получить посредством дифракции рентгеновских лучей.

Во-первых, поскольку поперечное сечение рассеяния ядра не зависит от атомного номера определенным образом (см. выше), изображение плотности ядер, которое образуется при облучении образца дифракции, может обозначить расположение более легких атомов, например атомов водорода, которое не видно на изображении электронной плотности.

Во-вторых, данный способ способен различать и локализовать места изотопных атомов, потому что ядра разных изотопов одного и того же атома могут рассеивать нейтроны совершенно по разному. Таким образом, способ, в частности, полезен для кристаллографического анализа образцов, в которых произведены специфические изотопные замены. Например, анализ трехмерной структуры сложных макромолекуляров, таких как белки, может быть упрощен путем замены дейтерием или тритием в выбранных местах аминокислоты, чтобы определить положение этих мест в образце дифракции.

Наконец, дифракция нейтронного пучка имеет способность детектировать параметрические центры рассеяния благодаря дополнительному нейтронному рассеянию из-за взаимодействия магнитного момента атома с магнитным моментом нейтрона. Это дает возможность исследовать магнитные структуры, которые несут ответственность за интересные магнитные свойства образца, такие как ферромагнетизм, антиферромагнетизм и гелимагнетизм.

На фиг. 13 показано схематично устройство 120 для использования при анализе с помощью нейтронного пучка материала образца. В этом устройстве нейтроны, образованные нейтронным реактором 122, и коллимированные коллиматором 124, направляются на монокристаллический монохроматор 126. Кристалл монохроматора функционирует для отражения тех нейтронов, которые имеют конкретную длину волны и поэтому энергию, чтобы производить отраженный выходной пучок, имеющий выбранный диапазон нейтронных энергий. Конструкция реактора и коллиматора описана выше. Коллиматор предпочтительно предназначен производить узкий пучок с расширением, например, в пределах ±0,5o.

Монохроматизированный пучок направляется на материал образца 130, производя рассеянный пучок, интенсивность которого при разных углах рассеяния связана с кристаллической структурой и атомной композицией образца, как сказано выше. Распределение рассеянных нейтронов измеряется с помощью вращающегося детектора или детекторного средства 132, предназначенного измерять интенсивность нейтронного пучка в диапазоне большого угла рассеяния, как показано на фиг. 13. Нейтронный детектор предпочтительно является цилиндрическим счетчиком, наполненным газом BF3 в соответствии с обычной конструкцией нейтронного детектора (Бекон Г. Е. Физика нейтронов, Вайкхам Пабликейшнс, Лондон, 1989).

Устройство может использоваться в разнообразных областях, использующих нейтронное рассеяние, например, для определения атомной и молекулярной структуры органических и биоорганических молекул, для исследования статических и динамических аспектов молекулярного беспорядка и фазовых переходов в молекулярных системах.

D. ЗАХВАТ ИЗЛУЧАЕМЫХ НЕЙТРОНОВ

Захват излучаемых нейтронов включает в себя соударение нейтронов с ядрами мишени с образованием либо радиоактивного, либо очень краткосрочно существующего ядра соединения. Если нейтронное соударение образует радиоактивность, т. е. процессы эмиссии с измеряемым периодом полураспада, природа ядер, способных поглощать нейтроны, может определяться путем измерения эмиссии гамма-лучей и/или альфа- или бета-частиц и согласования их со спектрами и/или характеристиками эмиссии частиц известных образцов. Этот способ известен как анализ нейтронной активации и широко используется для определения элементов или соединений, присутствующих в материале образца.

Если во время жизни событий излучения нейтронов порядка от 10-16 до 10-18 или меньше, природа материала образца определяется из спектра гамма-лучей материала. Этот прием иногда именуется как анализ гамма-лучей быстрой эмиссии. Быстрый эмиссионный способ является дополнительным к анализу активации нейтронов в связи с тем, что многие элементы мишени не образуют стабильные радиоактивные изотопы в результате нейтронной бомбардировки. Быстрый эмиссионный способ также имеет преимущество в том, что он является мгновенным, неразрушающим и образует остаточную активность, величиной которой можно пренебречь (см. ссылку 1).

На фиг. 14 схематично показано устройство 140 для использования в анализе быстрого захвата излучаемых нейтронов материала образца. В этом устройстве нейтроны, образованные нейтронным реактором 142, и коллимированные коллиматором 144, направляются на материал образца 146 в камере 148 образца. Конструкция реактора и коллиматора была описана выше. Нейтроны, образованные реактором либо выше (по ходу потока нейтронов), либо в самом коллиматоре, могут быть термолизованы и/или монохроматизированы посредством способов, изложенных выше.

Гамма-спектр, произведенный в образце, измерялся обычным гамма-детектором или детектирующим средством 150, например, типа твердотельного германиевого детектора. Для способов захвата медленно излучаемых нейтронов устройство может быть модифицировано для детектирования радиоактивных частиц распада, например, путем добавления сцинтилляционных детекторов для детектирования альфа- и бета-частиц.

Устройство имеет широкий диапазон аналитических применений, включая анализ изотопного материала, музейных или археологических образцов, прецизионное детектирование загрязняющих веществ окружающей среды, обнаружение взрывчатых материалов для безопасности аэропорта, третейский анализ и медицинский диагноз.

Хотя эта часть изобретения описана со ссылкой на конкретные варианты реализации конструкции и применений, специалистам в этой области техники должно быть понятно, что разные изменения и модификации могут иметь место без отклонения от изобретения. В частности, очевидно, что генератор нейтронного пучка может иметь применения за пределами элементного и кристаллографического анализа, например, в медицине для лечения злокачественных опухолей с помощью пучка нейтронов высокой энергии.

Версия для печати
Дата публикации 02.10.2006гг


вверх