mini|Ein Kernphysiker am Idaho National Laboratory richtet ein Experiment mit einem elektronischen Neutronengenerator ein.
Ein Neutronengenerator ist eine technische Einrichtung zur kontrollierten Erzeugung freier Neutronen, also eine Neutronenquelle. Neutronengeneratoren haben sich von ihren historischen Ursprüngen als einfache Neutronenquellen zu hochmodernen Systemen entwickelt. Ihre Fähigkeit, Neutronenfluss und -energie präzise zu steuern und bei Bedarf abzuschalten, unterscheidet sie grundlegend von radioaktiven Quellen und Kernreaktoren, die kontinuierlich Neutronen emittieren.https://www.rapp-instruments.de/Beschleuniger/neugen/neugen.htm Diese inhärente Kontrollierbarkeit und die fortschreitende Miniaturisierung haben eine signifikante Erweiterung ihrer Anwendungsgebiete ermöglicht. Neutronengeneratoren enthalten kompakte lineare Teilchenbeschleuniger und erzeugen Neutronen etwa durch Fusion von Wasserstoffisotopen beispielsweise indem Deuterium, Tritium oder eine Mischung dieser beiden Isotope in eine MetallHydrid-Zielscheibe beschleunigt wird, die ebenfalls Deuterium, Tritium oder eine Mischung dieser Isotope enthält.
Neutronengeneratoren finden Anwendungen in Medizin, Materialanalyse, sowie auch in den Bereichen Sicherheithttps://veda.polac.cz/wp-content/uploads/2019/04/042017Neutron-based-methods-for-the-detection-of-explosives.pdf und radioaktiver Abfallwirtschaft.
Fusionsreaktionen Die zwei gebräuchlichsten Fusionsreaktionen sind: Die Fusion von Deuteriumatomen (D + D) führt zur Bildung eines Helium-3-Ions und eines Neutrons mit einer kinetischen Energie von etwa 2,5 MeV. Die Fusion eines Deuterium- mit einem Tritiumatom (D + T) führt zur Bildung eines Helium-4-Ions und eines Neutrons mit einer kinetischen Energie von etwa 14,1 MeV.
Anwendungsgebiete Medizin Bor-Neutroneneinfangtherapie: Eine Krebstherapie im Versuchsstadium, bei der Neutronen von Tumoren absorbiert werden, die vorher gezielt mit Bor markiert wurden. Ziel ist, mit der Neutronenreaktion gezielt die Krebszellen zu zerstören, während das umliegende gesunde Gewebe geschont wird. Herstellung von medizinischen Radioisotopen: Kompakte Neutronengeneratoren ermöglichen die lokale Produktion wichtiger Isotope (z. B. für diagnostische Bildgebung, Therapie) – eine denkbare Alternative zu kernreaktorbasierten Methoden.
Materialwissenschaft und Industrie In der Materialanalyse wird die Neutronenaktivierungsanalyse verwendet, um die Konzentration verschiedener Elemente in Materialgemischen wie Mineralien oder Erzen zu bestimmen.https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/P1535_web.pdf Online-Elementanalytik in der Industrie: Neutronengeneratoren werden für die Analyse des Kohlenstoffgehalts in Kraftwerken, bei der Überwachung von Schüttgütern und der Qualitätskontrolle eingesetzt. Nicht-zerstörende Prüfung (NDT): Anwendung in der Sicherheitsüberprüfung (z. B. Frachtcontainer), Detektion von Sprengstoffen, Pipelineüberwachung, Dichtemessungen in der Bauindustrie. Elektronikkomponenten-Test: Prüfung auf Strahlenresistenz bspw. für Raumfahrt und Hochsicherheitsanwendungen.
Nukleare Anwendungen Urananreicherung: Neutronenquellen können genutzt werden, um schwach angereichertes Uran anzureichern. Brutreaktoren und Thorium-Reaktorforschung: Denkbar ist die Unterstützung experimenteller Reaktorkonzepte durch gezielte Neutroneneinträge. Atomare Entsorgung: Transmutation von radioaktivem Material zur Reduktion von Strahlenbelastung und Endlagerzeit.
Grundlagenforschung Experimentelle Fusionsforschung: Neutronengeneratoren dienen als Simulationswerkzeuge für Umgebungen künftiger Fusionsreaktoren, z. B. für Simulationen von Tritiumbrutvorgängen. Universitäre Ausbildung/Forschung: Kompakte Generatoren werden als Lehr- und Demonstrationsgeräte in Laboren eingesetzt, um z. B. Quantenexperimente mit Neutronenspin durchzuführen.
Entwicklung der Technologie Das Grundkonzept wurde erstmals in den frühen 1930er Jahren von Ernest Rutherfords Team am Cavendish Laboratory entwickelt. Mit einem linearen Beschleuniger, betrieben von einem Cockcroft-Walton-Beschleuniger, leitete Mark Oliphant ein Experiment, bei dem Deuteriumionen in eine mit Deuterium durchdrungene Metallfolie geschossen wurden und entdeckte, dass eine kleine Anzahl dieser Teilchen Alpha-Teilchen aussandte. Dies war der erste Nachweis der Kernfusion sowie die erste Entdeckung von Helium-3 und Tritium, die in diesen Reaktionen entstanden. Mit der Einführung neuer Energiequellen wurde die Größe dieser Maschinen kontinuierlich verkleinert – von Oliphants Maschine, die eine Laborecke ausfüllte, zu modernen, hochmobilen Geräten. Seit den 1960er Jahren wurden Tausende solcher kleiner, relativ kostengünstiger Systeme gebaut.
Obwohl Neutronengeneratoren Fusionsreaktionen erzeugen, ist die Anzahl der beschleunigten Ionen, die diese Reaktionen verursachen, sehr gering. Es lässt sich leicht zeigen, dass die bei diesen Reaktionen freigesetzte Energie um ein Vielfaches geringer ist als die Energie, die für die Beschleunigung der Ionen benötigt wird. Daher können diese Maschinen nicht zur Nettogewinnung von Fusionsenergie verwendet werden. Ein verwandtes Konzept, die Colliding-beam-Fusion versucht dieses Problem durch zwei aufeinander zu feuende Beschleuniger zu lösen.Norman Rostoker, Michl Binderbauer, Hendrik Monkhorst, Colliding Beam Fusion Reactor, Science, Band 278, 1997, S. 1419–1422
mini|Der Neutristor in seiner einfachsten Form, getestet vom Erfinder bei den Sandia National Laboratories
Theorie und spezifische Funktionsweise Kleine Neutronengeneratoren, die die Deuterium (D, Wasserstoff-2, 2H) - Tritium (T, Wasserstoff-3, 3H) Fusionsreaktionen nutzen, sind die gängigsten neutrongestützten (im Gegensatz zu radioaktiven Isotopen) Neutronenquellen. In diesen Systemen werden Neutronen erzeugt, indem Ionen von Deuterium, Tritium oder deren Gemisch erzeugt und in ein Hydrid-Ziel, beladen mit Deuterium oder Deuterium-Tritium, beschleunigt werden. Die DT-Reaktion wird häufiger als die DD-Reaktion genutzt, da der Ertrag der DT-Reaktion 50- bis 100-mal höher ist.
D + T → n + 4He En = 14,1 MeV
D + D → n + 3He En = 2,5 MeV
Neutronen, die durch DD- und DT-Reaktionen erzeugt werden, werden etwas Anisotropie vom Ziel abgestrahlt, leicht bevorzugt in Vorwärtsrichtung (entlang der Achse des Ionenstrahls). Die Anisotropie der Neutronenemission entsteht dadurch, dass die Reaktionen im Schwerpunktkoordinatensystem isotrop sind, diese Isotropie aber bei der Transformation vom Schwerpunktkoordinatensystem in das Laborsystem verloren geht. In beiden Bezugssystemen bewegen sich die He-Kerne entgegengesetzt zum ausgestoßenen Neutron, gemäß dem Gesetz der Impulserhaltung. Der Gasdruck im Ionenquellenbereich der Neutronentuben liegt gewöhnlich zwischen 0,1 und 0,01 Torr. Der freie Weg der Elektronen muss kürzer sein als der Entladungsraum, um Ionisation zu erreichen (untere Druckgrenze), während der Druck niedrig genug gehalten werden muss, um Entladungen bei den hohen Abzugsspannungen zwischen den Elektroden zu vermeiden. Im Beschleunigungsbereich muss der Druck viel niedriger sein, da der freie Weg der Elektronen länger sein muss, um Entladungen zwischen den Hochspannungselektroden zu verhindern.Gas-Discharge Tubess, Philips Technical Library 16, VIIIc, Neutron Generators, s.281–295, Philips Technical Library, Eindhoven, Niederlande, 1964, http://www.coultersmithing.com/OldStuff/pdfs/Pch8.pdf
Der Ionenbeschleuniger besteht gewöhnlich aus mehreren zylindersymmetrischen Elektroden, die als Einzellinse wirken. So kann der Ionenstrahl auf einen kleinen Punkt am Ziel fokussiert werden. Die Beschleuniger benötigen üblicherweise eine Versorgungsspannung von 100–500 kV in mehreren Stufen, wobei die Spannung zwischen den Stufen nicht über 200 kV liegen darf, um Feldemissionen zu vermeiden. Im Vergleich zu Radionuklid-Neutronenquellen können Neutronenröhren viel höhere Neutronenflussdichten und konstante (monochromatische) Neutronenspektren erzeugen. Die Neutronenproduktionsrate kann zudem gesteuert werden.
Geschlossene Neutronenröhren Die zentrale Komponente eines Neutronengenerators ist der Teilchenbeschleuniger, auch Neutronenröhre genannt. Sie besteht aus einer Ionenquelle, ionenoptischen Elementen und der Zielscheibe; all diese Komponenten sind in einem vakuumdichten Gehäuse eingebaut. Die Hochspannungsisolation zwischen den ionenoptischen Elementen erfolgt durch Glas- und/oder Keramikisolatoren. Die Neutronenröhre ist in einem Metallgehäuse, dem Beschleunigerkopf, untergebracht, der mit einem dielektrischen Medium gefüllt ist, um die Hochspannungselemente des Rohrs vom Bedienbereich zu isolieren. Die Spannungsversorgung erfolgt extern, die Steuerkonsole erlaubt dem Bediener die Einstellung der Betriebsparameter. In Laborinstrumenten befindet sich die Versorgung meist in wenigen Metern Entfernung, bei Anwendungen wie Bohrlochmessungen kann sie mehrere Kilometer entfernt sein. Im Vergleich zu ihren Vorgängern benötigen geschlossene Neutronenröhren keine Vakuumpumpen und Gasquellen. Sie sind somit mobiler, kompakter, langlebig und zuverlässig. Ideen zu Neutronenröhren reichen zurück bis in die 1930er Jahre, mit deutschen Patenten aus 1938 (Patent Nr. 261,156) und US-Patenten von 1939 (Nr. 2,251,190). Moderne Entwicklungen wie der Neutristor stellen einen nahezu festkörperbasierten Neutronengenerator dar, der als Mikrochip aufgebaut ist und 2012 in den Sandia National Laboratories erfunden wurde.Elizondo-Decanini J. M., Schmale D., Cich, M., Martinez, M., Youngman K., Senkow M., Kiff S., Steele J., Goeke R., Wroblewski B., Desko J., Dragt A. J. „Novel Surface-Mounted Neutron Generator“, Transactions on Plasma Science 40/9, 2145–2150, 2012
Typische geschlossene Neutronenröhren arbeiten im gepulsten Modus und können je nach Lebensdauer der Ionenquelle und Beladung der Zielscheibe auf verschiedenen Ausgangspegeln betrieben werden. mini|Neutristor in einer kostengünstigen vakuumversiegelten Verpackung, bereit für Tests
Ionenquellen Eine gute Ionenquelle sollte einen starken Ionenstrahl liefern, dabei aber wenig Gas verbrauchen. Bei Wasserstoffisotopen wird die Erzeugung von atomaren Ionen gegenüber molekularen Ionen bevorzugt, da atomare Ionen bei Zusammenstößen eine höhere Neutronenausbeute haben. Die Ionen in der Ionenquelle werden durch ein elektrisches Feld in den Beschleunigerbereich extrahiert und zum Ziel beschleunigt. Der Gasverbrauch entsteht hauptsächlich durch den Druckunterschied zwischen Erzeugungs- und Beschleunigungsraum. Ionenströme von 10 mA bei einem Gasverbrauch von 40 cm3/h sind erreichbar. Für eine geschlossene Neutronenröhre sollte die ideale Ionenquelle mit geringem Gasdruck arbeiten, hohen Ionenstrom mit großem Anteil atomarer Ionen liefern, geringe Gasreinigung erfordern, wenig Leistung verbrauchen, hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer haben sowie einfach, robust und wartungsarm sein. Gas kann effizient in einem Reaktivatorium gespeichert werden, einer elektrisch geheizten Zirkoniumdrahtspule; dessen Temperatur bestimmt die Absorptions- und Desorptionsrate von Wasserstoff und reguliert so den Druck in der Kammer.
Kaltkathode (Penning) Die Penning-Quelle ist eine Niederdruck-Kaltkathoden-Ionenquelle, die gekreuzte elektrische und magnetische Felder nutzt. Die Anode der Ionenquelle ist gegenüber der Kathode positiv (Gleichspannung oder gepulst) aufgeladen. Ein Magnetfeld, parallel zur Achse, wird von einem Permanentmagnet erzeugt. Entlang der Anodenachse entsteht ein Plasma, das Elektronen einschließt, die das Gas ionisieren. Ionen werden durch die Austrittskathode extrahiert. In der Regel werden über 90 % molekulare Ionen erzeugt, was ein Nachteil ist, jedoch durch andere Vorteile kompensiert wird.