Generador de neutrones

Físico nuclear del Laboratorio Nacional de Idaho realizando un experimento utilizando un generador de neutrones electrónico

Los generadores de neutrones son dispositivos utilizados como fuentes de neutrones que contienen aceleradores lineales compactos y que producen neutrones fusionando isótopos de hidrógeno. Las reacciones de fusión tienen lugar en estos dispositivos acelerando deuterio, tritio o una mezcla de estos dos isótopos en un objetivo de hidruro metálico que también contiene deuterio, tritio o una mezcla de estos isótopos. La fusión de átomos de deuterio (D + D) da como resultado la formación de un ion helio-3 y un neutrón con una energía cinética de aproximadamente 2,5 MeV. La fusión de un átomo de deuterio y tritio (D + T) da como resultado la formación de un ion helio-4 y un neutrón con una energía cinética de aproximadamente 14,1 MeV. Los generadores de neutrones tienen aplicaciones en medicina, seguridad y análisis de materiales.​

El concepto básico fue desarrollado por primera vez por el equipo de Ernest Rutherford en los Laboratorios Cavendish a principios de la década de 1930. Utilizando un acelerador lineal impulsado por un generador de Cockcroft-Walton, Mark Oliphant dirigió un experimento que disparó iones de deuterio sobre una lámina metálica con deuterio infundido y observó que una pequeña cantidad de estas partículas emitían radiación alfa. Esta fue la primera demostración de fusión nuclear, así como el primer descubrimiento del helio-3 y del tritio, creados en estas reacciones. La introducción de nuevas fuentes de energía ha reducido continuamente el tamaño de estas máquinas, desde las de Oliphant, que ocupaban una sección del laboratorio, hasta las máquinas modernas que son altamente portátiles. En las últimas cinco décadas a caballo entre los siglos XX y XXI se han construido miles de estos sistemas pequeños y relativamente económicos.

Si bien los generadores de neutrones producen reacciones de fusión, la cantidad de iones acelerados que causan estas reacciones es muy baja. Se puede demostrar fácilmente que la energía liberada por estas reacciones es muchas veces menor que la energía necesaria para acelerar los iones, por lo que no hay posibilidad de que estas máquinas se utilicen para producir energía de fusión neta. Un concepto relacionado, la fusión de haz en colisión, intenta abordar este problema utilizando dos aceleradores que se disparan entre sí.

Neutristor en su forma más simple, según la demostración realizada por su inventor en los Laboratorios Nacionales Sandia

Teoría y funcionamiento del generador de neutrones

Los pequeños generadores de neutrones que utilizan reacciones de fusión de deuterio (D, hidrógeno-2, ²H) y tritio (T, hidrógeno-3, ³H) son las fuentes de neutrones basadas en aceleradores más comunes (a diferencia de los isótopos radiactivos). En estos sistemas, los neutrones se producen creando iones de deuterio, tritio o deuterio y tritio y acelerándolos hasta transformarlos al dirigirlos hacia un objetivo de hidruro cargado con deuterio, o deuterio y tritio. La reacción DT se utiliza más que la reacción DD porque el rendimiento de la reacción DT es 50 a 100 veces mayor que el de la reacción DD.

D + T → n + ⁴He   E_n = 14,1 MeV

D + D → n + ³He   E_n = 2,5 MeV

Los neutrones producidos por las reacciones DD y DT se emiten en cierta medida anisotrópicamente desde el objetivo, ligeramente desviados con respecto a la dirección directa (la del eje del haz de iones). La anisotropía de la emisión de neutrones de las reacciones DD y DT surge del hecho de que las reacciones son isotrópicas en sistema de coordenadas del centro de momento (COM), pero esta isotropía se pierde en la transformación del sistema de coordenadas COM al marco de referencia del laboratorio. En ambos marcos de referencia, los núcleos de He retroceden en dirección opuesta al neutrón emitido, de acuerdo con la ley de la conservación del momento.

La presión del gas en la región de la fuente de iones de los tubos de neutrones generalmente oscila entre 0,1 y 0,01 mm Hg. El camino libre medio de los electrones debe ser más corto que el espacio de descarga para lograr la ionización (límite inferior de presión), mientras que la presión debe mantenerse lo suficientemente baja para evitar la formación de descargas en los altos voltajes de extracción aplicados entre los electrodos. Sin embargo, la presión en la zona de aceleración tiene que ser mucho menor, ya que el camino libre medio de los electrones debe ser más largo para evitar la formación de una descarga entre los electrodos de alto voltaje.​

El acelerador de iones suele estar formado por varios electrodos con simetría cilíndrica, que actúan como un lente de Einzel. De este modo, el haz de iones puede enfocarse en un pequeño punto del objetivo. Los aceleradores suelen requerir fuentes de alimentación de 100 a 500 kV. Suelen tener varias etapas, con una tensión entre las etapas que no supera los 200 kV para evitar emisión por efecto de campo.​

En comparación con las fuentes de neutrones de radionúclidos, los tubos de neutrones pueden producir flujos de neutrones mucho más altos y se pueden obtener espectros de energía de neutrones consistentes (monocromáticos). También se puede controlar la tasa de producción de neutrones.​

Tubos de neutrones sellados

La parte central de un generador de neutrones es el propio acelerador de partículas, a veces llamado tubo de neutrones. Los tubos de neutrones tienen varios componentes que incluyen una fuente de iones, elementos ópticos de iones y un objetivo del haz. Todos ellos están encerrados dentro de un recinto hermético al vacío. El aislamiento de alto voltaje entre los elementos ópticos iónicos del tubo se proporciona mediante aisladores de vidrio y/o cerámica. El tubo de neutrones, a su vez, está encerrado en una carcasa metálica, el cabezal del acelerador, que está lleno de un medio dieléctrico para aislar los elementos de alto voltaje del tubo del área de operación. Los altos voltajes del acelerador y de la fuente de iones son proporcionados por fuentes de alimentación externas. La consola de control permite al operador ajustar los parámetros de funcionamiento del tubo de neutrones. Las fuentes de alimentación y el equipo de control normalmente están ubicados dentro de 3-10 metros (9,8-32,8 pies) del cabezal del acelerador en instrumentos de laboratorio, pero pueden estar a varios kilómetros de distancia en instrumentos de perfilaje de pozo.

En comparación con sus predecesores, los tubos de neutrones sellados no requieren bomba de vacío ni fuentes de gas para su funcionamiento. Por lo tanto, son más móviles y compactos, a la vez que duraderos y fiables. Por ejemplo, los tubos de neutrones sellados han reemplazado a los iniciadores de neutrones modulados radiactivos para suministrar un pulso de neutrones al núcleo en implosión de lss armas nucleares modernas.

Los ejemplos de ideas de tubos de neutrones se remontan a la década de 1930, la era prenuclear, desarrollados por científicos alemanes que presentaron una patente alemana en 1938 (marzo de 1938, patente n.° 261.156) y obtuvieron una patente estadounidense (julio de 1941, USP n.° 2.251.190); ejemplos del estado actual de la técnica lo dan desarrollos como el neutristor,​ un dispositivo principalmente de estado sólido, parecido a un chip de computadora, inventado en el Laboratorio Nacional de Sandia en Albuquerque, Nuevo México. Los diseños sellados típicos se utilizan en modo pulsado​ y pueden funcionar a diferentes niveles de salida, dependiendo de la vida útil de la fuente de iones y de los objetivos cargados.​

Neutristor en un económico paquete sellado al vacío listo para ser probado

Fuentes de iones

Una buena fuente de iones debería proporcionar un haz de iones fuerte sin consumir gran parte del gas. Para los isótopos de hidrógeno, la producción de iones atómicos se ve favorecida sobre la de iones moleculares, ya que los iones atómicos tienen un mayor rendimiento de neutrones en caso de colisión. Los iones generados en la fuente de iones son luego extraídos mediante un campo eléctrico hacia la región del acelerador y acelerados hacia el objetivo. El consumo de gas se debe principalmente a la diferencia de presión que debe mantenerse entre los espacios de generación de iones y de aceleración de iones. Se pueden conseguir corrientes iónicas de 10 mA con un consumo de gas de 40 cm³/hora.​

Para un tubo de neutrones sellado, la fuente de iones ideal debería utilizar baja presión de gas, proporcionar una alta corriente iónica con una gran proporción de iones atómicos, tener una baja limpieza de gas, utilizar poca energía, tener una alta confiabilidad y una larga vida útil; su construcción debe ser simple y robusto y sus requisitos de mantenimiento deben ser bajos.​

El gas se puede almacenar de manera eficiente en un reabastecedor, una bobina de alambre de circonio calentada eléctricamente. Su temperatura determina la tasa de absorción/desorción de hidrógeno por el metal, lo que regula la presión en el recinto.

Cátodo frío (Penning)

La fuente Penning es una fuente de iones basada en una lámpara fluorescente de cátodo frío de baja presión de gas que utiliza campos eléctricos y magnéticos cruzados. El ánodo de la fuente de iones tiene un potencial positivo, ya sea de coorrient continua o pulsado, con respecto al cátodo de la fuente. El voltaje de la fuente de iones normalmente está entre 2 y 7 kilovoltios. Un imán produce un campo magnético, orientado paralelamente al eje de la fuente. Se forma un plasma en el eje del ánodo que atrapa electrones que, a su vez, ionizan el gas en la fuente. Los iones se extraen a través del cátodo de salida. En funcionamiento normal, las especies de iones producidas por la fuente Penning son más del 90 % de iones moleculares. Sin embargo, esta desventaja se compensa con otras ventajas del sistema.

Uno de los cátodos es una copa hecha de hierro dulce, que encierra la mayor parte del espacio de descarga. El fondo de la copa tiene un orificio a través del cual la mayoría de los iones generados son expulsados por el campo magnético al espacio de aceleración. El hierro dulce protege el espacio de aceleración del campo magnético para evitar una avería.​

Los iones que emergen del cátodo de salida se aceleran gracias a la diferencia de potencial entre el cátodo de salida y el electrodo acelerador. El esquema indica que el cátodo de salida está en potencial de tierra y el objetivo está en potencial alto (negativo). Este es el caso de muchos generadores de neutrones de tubos sellados. Sin embargo, en los casos en que se desea entregar el flujo máximo a una muestra, es deseable operar el tubo de neutrones con el objetivo conectado a tierra y la fuente flotando a un potencial alto (positivo). La tensión del acelerador suele oscilar entre 80 y 180 kilovoltios.

El electrodo acelerador tiene la forma de un cilindro hueco largo. El haz de iones tiene un ángulo ligeramente divergente (aproximadamente 0,1 radianes). La forma del electrodo y la distancia al objetivo se pueden elegir de modo que toda la superficie del objetivo sea bombardeada con iones. Se pueden alcanzar tensiones de aceleración de hasta 200 kV.

Los iones pasan a través del electrodo acelerador y alcanzan el objetivo. Cuando los iones golpean el objetivo, se producen de 2 a 3 electrones por ion mediante emisión secundaria. Para evitar que estos electrones secundarios sean acelerados de regreso a la fuente de iones, el electrodo acelerador tiene una polarización negativa con respecto al objetivo. Este voltaje, llamado voltaje supresor, debe ser de al menos 500 voltios y puede llegar a unos pocos kilovoltios. La pérdida de voltaje del supresor provocará daños, posiblemente catastróficos, en el tubo de neutrones.

Algunos tubos de neutrones incorporan un electrodo intermedio, llamado electrodo de enfoque o extractor, para controlar el tamaño del punto del haz en el objetivo.

La presión del gas en la fuente se regula calentando o enfriando el elemento del depósito de gas.

Radiofrecuencia (RF)

Los iones pueden ser creados por electrones formados en un campo electromagnético de alta frecuencia. La descarga se forma en un tubo ubicado entre electrodos, o dentro de una bobina. Se puede lograr una proporción de iones atómicos superior al 90%.​

Objetivos

Los objetivos utilizados en los generadores de neutrones son láminas delgadas de metal como titanio, escandio o circonio que se depositan sobre un sustrato plata, cobre o molibdeno. El titanio, el escandio y el circonio forman compuestos químicos estables llamados hidruros cuando se combinan con hidrógeno o sus isótopos. Estos hidruros metálicos están formados por dos átomos de hidrógeno (deuterio o tritio) por átomo de metal y permiten que el objetivo tenga densidades de hidrógeno extremadamente altas. Esto es importante para maximizar el rendimiento del tubo de neutrones. El elemento de depósito de gas también utiliza hidruros metálicos, como por ejemplo hidruro de uranio, como material activo.

Se prefiere el titanio al circonio porque puede soportar temperaturas más altas (200 °C) y proporciona un mayor rendimiento de neutrones, ya que captura el deuterio mejor que el circonio. La temperatura máxima permitida para el objetivo, por encima de la cual los isótopos de hidrógeno sufren desorción y escapan del material, limita la corriente iónica por unidad de superficie del objetivo. Por lo tanto, se utilizan haces ligeramente divergentes. Un haz de iones de 1 microamperio acelerado a 200 kV hacia un objetivo de titanio-tritio puede generar hasta 10⁸ neutrones por segundo. El rendimiento de neutrones está determinado principalmente por el voltaje de aceleración y el nivel de corriente iónica.​

Un ejemplo de un objetivo de tritio en uso es un disco de plata de 0,2 mm de espesor con una capa de titanio de 1 micrómetro depositada en su superficie, que se satura con tritio.​

Los metales con una difusión de hidrógeno suficientemente baja pueden convertirse en objetivos de deuterio mediante bombardeo de deuterones hasta que el metal se sature. Los objetivos de oro en tales condiciones muestran una eficiencia cuatro veces mayor que los de titanio. Se pueden lograr resultados aún mejores con objetivos hechos de una película delgada de un metal de alta absorción y alta difusividad (por ejemplo, titanio) sobre un sustrato con baja difusividad del hidrógeno (por ejemplo, plata), ya que el hidrógeno se concentra en la capa superior y así no se difunde en la mayor parte del material. Utilizando una mezcla de gas deuterio y tritio, se pueden fabricar objetivos D-T que se reabastecen automáticamente. El rendimiento de neutrones de tales objetivos es menor que el de los objetivos saturados de tritio en haces de deuterones, pero su ventaja es una vida útil mucho más larga y un nivel constante de producción de neutrones. Los objetivos de autorreposición también son tolerantes a la alta temperatura de salida del horno de los tubos, ya que su saturación con isótopos de hidrógeno se realiza después de la cocción y el sellado de los tubos.​

Fuentes de alimentación de alto voltaje

Un método para generar los campos de alto voltaje necesarios para acelerar los iones en un tubo de neutrones es utilizar un sistema piroeléctrico. En abril de 2005, investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles demostraron el uso de un cristal piroeléctrico ciclado térmicamente para generar campos eléctricos elevados en una aplicación de generador de neutrones. En febrero de 2006, investigadores de Instituto Politécnico Rensselaer demostraron el uso de dos cristales con polos opuestos para esta aplicación. Usando estas fuentes de energía de baja tecnología es posible generar un gradiente de campo eléctrico suficientemente alto a través de una brecha de aceleración para lanzar los iones de deuterio hacia un objetivo deuterado para producir la reacción de fusión D+D. Estos dispositivos son similares en su principio de funcionamiento a los generadores de neutrones de tubo sellado convencionales que normalmente utilizan fuentes de alimentación de alto voltaje del tipo Cockcroft-Walton. La novedad de este enfoque está en la simplicidad de la fuente de alto voltaje. Desafortunadamente, la corriente de aceleración relativamente baja que pueden generar los cristales piroeléctricos, junto con las modestas frecuencias de pulsación que pueden alcanzarse (unos pocos ciclos por minuto) limitan su aplicación a corto plazo en comparación con los productos comerciales actuales (véase más abajo). Véase también fusión piroeléctrica.​

Otras tecnologías

Además del diseño del generador de neutrones convencional descrito anteriormente, existen varios otros enfoques para utilizar sistemas eléctricos para producir neutrones.

Confinamiento electrostático inercial/fusor

Otro tipo de generador de neutrones innovador es el dispositivo de fusión por confinamiento electrostático inercial. Este generador de neutrones evita el uso de un objetivo sólido que se erosionará provocando la metalización de las superficies aislantes. También se evita el agotamiento del gas reactivo dentro del objetivo sólido, con lo que se logra una vida útil mucho mayor. Originalmente llamado fusor, fue inventado por Philo Farnsworth, el inventor del televisor totalmente electrónico.

Aplicaciones

Los generadores de neutrones encuentran aplicación en la industria de producción de semiconductores. También tienen casos de uso en el enriquecimiento de uranio empobrecido, la aceleración de reactores reproductores y la activación y excitación de reactores de torio experimentales.

En el estudio de materiales, el análisis por activación neutrónica se utiliza para determinar la concentración de diferentes elementos en materiales mixtos, como minerales o menas.

Véase también

• Temperatura neutrónica
• Fisión nuclear
• Fusión nuclear
• Fuente de neutrones
• Moderador nuclear
• Radiactividad
• Temperatura neutrónica
• Zetatrón

Enlaces externos

• Chichester, D. L.; Simpson, J. D. (2003). «Compact Accelerator Neutron Generators». The Industrial Physicist 9 (6): 22-25. Archivado desde el original el 8 de septiembre de 2013. 
• 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. (2012). «Novel Surface-Mounted Neutron Generator». IEEE Transactions on Plasma Science 40 (9): 2145-2150. Bibcode:2012ITPS...40.2145E. S2CID 20593594. doi:10.1109/TPS.2012.2204278. 
• «Sandia National Laboratories». 

• Datos: Q3123150