Томские ученые нашли способ улучшить литиевые мишени для импульсных ионных ускорителей

Томские ученые нашли оптимальную толщину мишеней, при которой достигается максимальный выход нейтронов в импульсном ускорителей ионов. Полученные данные помогут при проектировании более экономичных и компактных источников частиц, которые используются в ядерной энергетике, химанализе, нейтринно-захватной терапии и других областях.

Импульсные источники нейтронов на основе ускорителей используются 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. Основными факторами, ограничивающими нейтронный поток, становятся тепловая и эрозионная стойкость мишени.

В ядерной реакции 7Li (p, n) 7Be для генерации нейтронов, при которой мишень из лития-7 бомбардируется протонами, мишень представляет собой многослойную структуру. По словам ученых, наиболее уязвимым ее компонентом является тонкий слой лития. Его толщина — критически важный параметр: ее увеличение за пределы диапазона протонов не повышает выход нейтронов, а лишь способствует нежелательному выделению тепла и гамма-излучения за счет потерь на ионизацию. Поэтому оптимизация толщины является крайне важной для максимизации выхода нейтронов при обеспечении работоспособности 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. Пооведение литийсодержащих мишеней под воздействием импульсных протонных пучков с реалистичными энергетическими спектрами изучено недостаточно. Поэтому мы рассмотрели возможность использования соединений лития в качестве альтернативы чистым литиевым мишеням, — говорит инженер-исследователь Научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий» Сергей Павлов.

В своей работе ученые выбрали однородные мишени на основе лития, фторида лития (LiF) и оксида лития (Li₂O). Исследователи отмечают, что LiF и Li₂O 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.

Ученые выяснили, 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 (Li₂O) 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.

В исследовании участвовали сотрудники Научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий» Инженерной школы новых производственных технологий, Национальных лабораторий Фраскати (Италия) и Института прикладных проблем физики НАН (Армения).

Подписывайтесь на наш телеграм-канал «Томский Обзор».