Ученые ТПУ выяснили, как улучшить литиевые мишени для импульсных ионных ускорителей

Ученые Томского политехнического университета проанализировали характеристики генерации нейтронов в импульсном ускорителе. Исследователи сравнили мишени из чистого лития, фторида лития и оксида лития и выявили оптимальную толщину, при которой достигается максимальный выход нейтронов. Полученные данные помогут при проектировании более экономичных и компактных источников нейтронов на основе импульсных ускорителей легких ионов.

Технологии с использованием нейтронных источников на основе импульсных ускорителей ионов открывают возможности для широкого спектра научных и медицинских применений. Среди них: исследования в области ядерной энергетики, химического анализа легких элементов, нейтронно-захватной терапии и многие другие.

Импульсные источники нейтронов на основе ускорителей вызывают все больший интерес для решения различных задач в области материаловедения, геофизики и неразрушающего анализа, поскольку позволяют генерировать нейтронные потоки с высокой импульсной мощностью, потенциально снижая стоимость и размеры нейтронных установок. Однако использование импульсных протонных пучков, характеризующихся широким энергетическим спектром и высокой импульсной тепловой нагрузкой, предъявляет значительно более жесткие требования к мишени, генерирующей нейтроны. Среди них основными факторами, ограничивающими нейтронный поток, становятся тепловая и эрозионная стойкость мишени.

«Металлический литий имеет относительно низкую температуру плавления, что затрудняет поддержание его твердого состояния для эффективного отвода тепла. Кроме того, литий легко окисляется и активно реагирует с водой, поэтому для обеспечения герметизации материала мишени необходимо наносить дополнительные защитные покрытия. Поэтому мы рассмотрели возможность использования соединений лития в качестве альтернативы чистым литиевым мишеням», — рассказал один из авторов исследования, инженер-исследователь научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий» ТПУ Сергей Павлов.

Для своей работы ученые выбрали однородные мишени на основе лития, фторида лития и оксида лития. Исследователи отмечают, что фторид и оксид лития стабильны при комнатной температуре и давлении, обладают более высокими температурами плавления, порогами плавления и испарения. Кроме того, хотя выход нейтронов у таких мишеней ниже по сравнению с чистым литием, их более высокая термостойкость позволяет использовать более мощный поток протонов. Также установлено, что энергетические характеристики нейтронов, генерируемых из мишеней из фторида и оксида лития, аналогичны характеристикам нейтронов, генерируемых из мишени из чистого лития. Такие мишени могут использоваться в импульсном ускорителе легких ионов.

«Мы исследовали характеристики импульсного источника нейтронов, оценили оптимальную толщину мишеней, проанализировали результирующие энергетические спектры нейтронов и угловые распределения для импульсных пучков протонов с энергией 2,3 МэВ и 2,5 МэВ. Дифференциальный выход нейтронов в реакции был рассчитан с использованием теоретической модели. Ключевое нововведение работы — это применение теоретической модели к импульсным протонным пучкам с энергетическими спектрами, характерными для разрабатываемых импульсных ускорителей легких ионов», — отметила первый автор статьи, инженер научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий» ТПУ Ли Шухуэй.



Исследователи установили, что для пучка протонов с энергией 2,5 МэВ выход нейтронов от мишени из чистого лития достигает своего максимума в пределах пороговых значений плавления и испарения при толщине 90–110 мкм. Оптимальные диапазоны толщины для фторида лития и оксида лития составили 18–24 мкм и 24–32 мкм соответственно. Кроме того, проведенный анализ выявил несколько важных различий между импульсными и моноэнергетическими пучками.

Полученные данные важны для проектирования более эффективных мишеней и сборок для формирования пучков в импульсных нейтронных источниках.

Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России и гранта РНФ.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации