DE68923476T2 - Hochflussneutronengenerator mit langlebigem Target. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Hochflußneutronengenerator mit einem Target, das ein Wasserisotopen-Ionenbündel trifft, wobei das Target aus einer Struktur besteht, die mit einer metallischen Schicht mit höherem Absorptionskoeffizienten in bezug auf Wasserstoff versehen ist, die auf einer Trägerschicht angebracht ist, die aus einem Metall mit großem Leitfähigkeitskoeffizienten und mit einem schwachen Verdunstungsgrad verwirklicht wird.
• Derartige Generatoren nach der Beschreibung in der Patentschrift FR-A 2 438 953 werden beispielsweise in den Materieuntersuchungstechniken mit thermischen, epithermischen oder kalten schnellen Neutronen verwendet.
• Die Neutronen werden durch die Reaktionen zwischen schweren Wasserstoffisotopkernen - Deuterium und Tritium - ausgelöst. Diese Reaktionen entstehen dadurch, daß ein Deuterium und Tritium enthaltendes Target einen Beschuß mit einem Bündel beschleunigter Deuteriumionen und Tritiumionen bei einem höheren Potentialunterschied erfährt. Die Deuteriumionen und die Tritiumionen werden in einer Ionenquelle gebildet, in der eine Gasmischung von Deuterium und Tritium ionisiert wird. Der Zusammenprall eines Deuteriumkerns mit einem Tritiumkern erzeugt ein energiereiches Neutron von 14 MeV sowie ein energiereiches-α-Teilchen von 3,6 MeV.
• Zum Erhalten des höchsten Reaktionsergebnisses eignet sich insbesondere die möglichst hohen Targetkerndichte. Ein normalerweise benutztes Mittel zum Verwirklichen derartiger Targets mit den Wasserstoffatomen besteht aus dem Festsetzen der Kerne im kristallinen Netz mittels eines hydridbildenden Werkstoffs.
• Unter diesen Werkstoffen wird Titan häufig wegen seiner schwächeren Haftfähigkeit verwendet, was eine bessere Neutronenausbeute ergibt. Dagegen haben diese Werkstoffe den Nachteil eines ungenügenden mechanischen Verhaltens, sobald die Wasserstoffkonzentration höher und der Werkstoff in einer dicken Schicht vorhanden ist (Zerfallsphänomen, wodurch die Dispersion metallischer Teilchen ausgelöst wird, was für das Spannungsverhalten der Beschleunigungsanordnungen des ionischen Bündels nachteilig ist).
• Hierdurch müssen diese Werkstoffe in dünnen Schichten auf einem Träger oder auf einem Substrat verwendet werden, der bzw. das einen schwachen Absorptions- und Diffusionskoeffizienten in bezug auf den Wasserstoff, eine gute Wärmeleitfähigkeit zum Ableiten der verbrauchten Energie und eine gute Korrosionsfestigkeit in bezug auf die Kühlflüssigkeit haben muß. Beispielsweise beantwortet ein Kupferträger zum Teil diese Kriterien, besitzt aber einen höheren Pulversierkoeffizienten. Ein Target mit guten mechanischen Eigenschaften ist mit diesem Träger dadurch schwer verwirklichbar, daß der lineare Verdunstungskoeffizient des Titans stark abweicht von dem des Kupfers. Außerdem wird bei einem ungleichmäßigen Energiedichtebündel die Lebensdauer des Targets bedeutend eingeschränkt, indem nach Erosion der Titamschicht an den Stellen des Ionenbündels mit hoher Dichte das Kupfer des Trägers an der umgebenden Titanoberfläche eine schnelle Pulverisierung aufweist und die Ionenenergie und damit die Neutronenausbeute wesentlich verzögert. Es wird dabei gleichzeitig die Durchbohrung der Trägerschicht verursacht.
• Ein Mittel zumn Vermeiden dieses Phänomens besteht in der Herstellung einer Zwischenschicht zwischen der Trägerschicht und der den Wasserstoff absorbierenden metallischen Oberflächenschicht, wobei die Zwischenschicht aus einem Werkstoff wie z.B. dem gegen die Ionenerosion besser widerstandsfähigen Molybdän besteht, das weniger Wasserstoff und seine Isotopen durchläßt. Auf diese Weise wird die Konzentration an Wasserstoffionen in der Oberflächenschicht bis zum Einstellen eines Gleichgewichtszustands schnell größer, in dem die in die Oberflächenschicht eindringende Wasserstoffmenge gleich der durch Diffusion ausgelösten Menge ist. Es wird damit die höchste Konzentration von Tritiumatomen in der dünnen Titanschicht erhalten, und demgemäß ist die Neutronenausbeute am höchsten.
• In der bereits erwähnten französischen Patentschrift Nr. 2 438 953 ermöglicht die Herstellung einer zweiten Zwischenschicht aus einem Werkstoff wie dem Vanadium, dessen linearer Verdunstungskoeffizient zwischen denen der Trägerschicht und der ersten Zwischenschicht liegt, eine bessere Haftung der Kontaktflächen.
• Die bei der Herstellung des Targets aufeinanderfolgenden Verbesserungen in den vorgenannten Ausführungsbeispielen bezwecken die Verlängerung der Lebensdauer durch Verlangsamung des Erosionsprozesses des Substrats unter der Einwirkung des Ionenbeschusses, wobei außerdem davon ausgegangen wird, daß das Bündel aus einer gleichmolekularen Deuterium-Tritiummischung derart besteht, daß die aus der Quelle bezogenenen nach der Beschleunigung in das Target implantierten Ionen nicht zu einer Verarmung der Targetkerne zugunsten der Bündelkerne führen.
• In dieser Phase erfolgt die Ionenimplantation des Bündels in die Trägermaterialschichten, deren Haftfähigkeit, die besser ist als in der aktiven Schicht, die Neutronenemission stark abnehmen läßt und damit das Ende des Betriebslebens der Röhre herbeiführt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neutronengenerator mit einem Target zu schaffen, das ein Wasserstoffionenbündel trifft, wobei die Lebensdauer dieses Targets unter der Einwirkung eines Beschusses mit einem Ionenbündel hoher Intensität viel länger ist als die Lebensdauer der Targets bekannter Neutronengeneratoren.
• Erfindungsgemäß ist der Neutronengenerator eingangs erwähnter Art dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht mit hohem Absorptionskoeffizienten aus einer Stapelung von 2 bis 5 gleichen metallischen durch eine Diffusionsbarriere voneinander getrennten Schichten besteht, wobei die Dicke dieser Schichten mit hohem Absorptionskoeffizienten beispielsweise gleich der Eindringtiefe der Deuteriumionen ist, die das Target treffen.
• Auf diese Weise erfolgt die Hydridbildung der tiefen Schichten nur in Schritten je nach der Durchbohrung der Diffusionsbarrieren unter Einwirkung der Erosion durch den Beschuß. Die Lebensdauer des bekannten Targets mit einer einfachen Schicht als aktiver Schicht kann so durch die Anzahl im erfindungsgemäßen Target überlagerter metallischer Schichten vervielfacht werden.
• Außerdem ermöglicht es die Begrenzung der Tritiumdiffusion durch die Dicke einer Schicht, die Konzentration der Targetkerne jenseits der Durchbohrungszone des Bündels zu reduzieren, was den doppelten Vorteil hat, daß die Imprägnierung des Targets beschleunigt und die Neutronenausbeute verbessert wird.
• Ein weiterer Vorteil besteht in der Reduktion der Gesamtmenge der erforderlichen Deuterium-Tritiummenge zum Betreiben der Röhre mit dem weiteren Merkmal der Tritiummenge, von der bekannt ist, daß sie progressiv nach He3 zerfällt, wodurch der Restdruck in der Röhre korrelativ erhöht wird.
• Das Metall der für Wasserstoff besonders durchdringbaren Schichten gehören zur Gruppe mit Titan, Zirkon, Scandium, Yttrium und den Lanthaniden, während das Metall der Trägerschicht zur Gruppe mit Molybdän, Wolfram, Tantal, Chrom und Niob gehört.
• Die Diffusionsbarrieren können mit chemischen Mitteln wie z.B. Nitrierung in reaktivem Plasma, Abscheidung einer passivierten Schicht durch Oxydation oder mit physikalischen Mitteln wie z.B. Abscheidungen einer geeigneten metallischen Schicht, Ionenimplantation, usw. hergestellt werden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1a einen schematischen Längsschnitt durch einen Neutronengenerator mit dem erfindungsgemäßen Target,
• Fig. 1b einen Teil des Targets des Generators nach Fig. 1a in der Vergrößerung.
• In Fig. 1a ist ein Neutronengenerator mit einem Kolben 1 dargestellt, der eine Gasmischung aus gleichen Mengen von Deuterium und Tritium unter einem Druck in der Größenordnung von einigen zehn Pascals (tausendstel Millimeter an Quecksilber) enthält. Diese Gasmischung wird mittels eines Druckreglers 2 zugeführt. Den Gasdruck regelt ein Ionisiermanometer 3. Die Deuterium- und Tritiummischung wird in der Ionenquelle 4 ionisiert, und daraus wird durch die mit dem Kolben 1 verbundene Beschleunigungselektrode 5 ein Ionenbündel abgeleitet und mit einer Wasserströmung in 6 abgekühlt. In bezug auf diese Elektrode 5 führt die Anode 7 ein positives Hochspannungspotential (+THT).
• Die Ionenquelle 4 vom Penning-Typ enthält außerdem zwei Kathoden 8 und 9 mit einem selben negativen Potential in der Größenordnung von 5 kV in bezug auf die Anode 7 sowie einen Dauermagneten 10, der ein axiales Magnetfeld erzeugt und dessen Magnetschaltung von der Ferromagnethülle 11 geschlossen wird, die die Ionenquelle 4 umgibt. Die positive Hochspannung +THT gelangt an die Quelle über das Kabel 12, dessen Ende von den Muffen 13 und 14 umgeben ist.
• Das Ionenbündel durchquert die Unterdrückungselektrode 15 und trifft auf das bei 17 durch eine Wasserströmung abgekühlte Target 16. Ein Teil dieses Targets ist in der Vergrößerung in Fig. 1 b dargestellt.
• Das Target 16 besteht aus einem Substrat 18 von Molybdän, das die Trägerschicht bildet, auf der eine Titanschicht 19 angebracht ist. Erfindungsgemäß werden aufeinanderfolgend eine erste Diffusionsbarriere 20 aus Wasserstoff, gefolgt von einer Titanschicht 21, danach auf dieselbe Weise die Diffusionsbarrieren 22, 24, 26 abwechselnd mit de Titamschichten 23, 25 bzw. 27 hergestellt, die die gleiche Dicke haben.
• Die Wahl der Dicke dieser Schichten steht im Zusammenhang mit der Eindringtiefe der Deuteriumionen, die auf das Titantarget treffen, um hier durch Zusammenprall mit den implantierten Tritiumionen eine Neutronenemission von 14 MeV zu erzeugen. Auf diese Weise wird die Verarmung der Oberflächenkonzentration des Targets aus Tritiumkernen vermieden, die durch ihre Diffusion nach dem Inneren einer dickeren Schicht entstehen würde. Die Regeneration der Tritium-Targetkerne ist einfach gewährleistet, wenn die Deuterium-Tritiummenge im Inneren der Neutronenröhre nach Fig. 1a in gleichen Mengen vorhanden ist.
• Wegen der ungleichmäßigen Dichteverteilung des mit 28 bezeichneten Ionenbündels erfolgt eine Tritiumimplantation mit einer viel größeren Menge in der vom mittleren Bundel getroffenen Targetzone und korrelativ eine immer mehr von der ersten Titanschicht 27 betonte Erosion, je nachdem man diesen mit 29 bezeichneten zentralen Teil nähert. Die Durchbohrung der Schicht 27 entsteht also in diesem zentralen Teil und ihr folgt die Erosion und anschließend die Durchbohrung der Diffusionsbarriere 26. Die Titanschicht 25, die bereits teilweise mit den Ionen imprägniert ist, die die erodierten Zonen der Schicht 27 und der Barriere 26 überschritten hat, wird also zunächst vom Bündel direkt imprägniert, während die Barriere 24 ihre Schutzrolle zum Begrenzen der Diffusion der Wasserstoffionen erfüllt und mithin ihre Konzentration im wesentlichen auf demselben Niveau hält, das sie in der direkt darüber liegenden Schicht hatte.
• Also wird allmählich nach jeder Durchbohrung einer Diffusionsbarriere die darunterliegende Titanschicht imprägniert, während die folgende Barriere gleichzeitig die Durchbohrung durch Diffusion der Tritiumionen nach den unteren Schichten verhindert. Dies ergibt, daß das Konzentrationsverhäitnis der Wasserstoffionen in den aufeinanderfolgenden Titanschichten und daher das Niveau der Neutronenemission je nach der Erosion dieser aufeinanderfolgenden Schichten im wesentlichen konstantgehalten wird.
• Die Verwirklichung wird mit einem Target mit fünf aktiven Schichten begrenzt, wodurch ein ungefähr fünffacher Gewinn in der Lebensdauer ermöglicht wird, wobei die Vervielfachung einer größeren Anzahl von Schichten als oben erwähnt die Gefahr komplizierter zu beherrschen der Probleme in sich schließt.
• Das erfindungsgemäße Target ist mit einem kathodischen Pulverisierungsverfahren mit folgenden Schritten verwirklichbar:
• 1 - Auf einem Molybdänsubstrat wird eine Titanschicht abgeschieden, wodurch die Anode der Pulverisiereinrichtung entsteht, deren Kathode ein Titantarget ist. Dieses Target wird mit Ionen eines neutralen und schweren Gases, wie z.B. Argon mit höherem Pulverisierkoeffizienten, beschossen. Die ionisierten Argonatome werden danach bis zum Erreichen der gewünschten Dicke auf das Substrat gerichtet.
• 2 - Das Argon wird abgepumpt und durch Stickstoff, ein weniger schweres und nicht neutrales Gas ersetzt, mit dem eine Titannitratschicht abgeschieden wird, die die Diffusionsbarriere über der vorangebildeten Titanschicht bildet.
• 3 - Der Stickstoff wird durch Argon ersetzt, um eine weitere Titanschicht abzulagern.
• 4 - Die Schritte 2 und 3 werden so oft, wie man sich wünscht, durch abwechselndes Einführen des Argons und des Stickstoffs in den Pulversierkörper erneuert, ohne dabei den Abscheidungsprozeß unterbechen zu müssen.
• Dieses Verfahren zum Herstellen der Diffusionsbarrieren durch Nitrierung in reaktivem Plasma ist nicht einschränkend. Es schließt offensichtlich nicht die Verwendung nicht die Verwendung von Barrieren aus, die in einem anderen chemischen Prozeß hergestellt sind, wie z.B. in einem Oxydationsprozeß oder in einem physikalischen Prozeß, wie z.B. die Ablagerung metallischer Zwischenschichten oder von durch Ionenimplantation verwirklichten Barrieren.

Claims (4)

1. Neutronengenerator mit einem Target, das ein Wasserisotopen-Ionenbündel trifft, wobei das Target aus einer Struktur mit einer aktiven Schicht aus einer metallischen Schicht mit höherem Absorptionskoeffizienten in bezug auf Wasserstoff besteht, die auf einer Trägerschicht angebracht ist, die aus einem Metall mit großem Leitfähigkeitskoeffizienten und mit einem schwachen Verdunstungsgrad verwirklicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht mit höherem Absorptionskoeffizienten in bezug auf Wasserstoff aus einer Stapelung von 2 bis 5 gleichen Schichten besteht, die durch eine Diffusionsbarriere voneinander isoliert sind.

2. Neutronengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall dieser Schicht mit höherem Absorptionskoeffizienten in bezug auf Wasserstoff zur Gruppe mit Titan, Zircon, Scandium, Yttrium und den Lanthaniden gehört, während das die Trägerschicht bildende Metall zur Gruppe mit Molybdän, Wolfram, Tantal, Chrom und Niob gehört.

3. Neutronengenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarrieren aus Titannitridschichten bestehen.

4. Target für einen Neutronengenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche.