Ученые Томского политехнического университета проанализировали характеристики генерации нейтронов в импульсном ускорителе на основе литиевых мишеней. 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.
Результаты опубликованы в журнале Radiation Physics and Chemistry (Q1, IF: 3.3). Проект поддержан грантом РНФ ( № 23-19-00614 ) и Минобрнауки РФ (проект FSWW-2025-0002).
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. Это достигается за счет высокого темпа ускорения заряженных частиц и снижения при этом требований к вакуумной системе.
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.
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. Несмотря на проделанную значительную работу, связанную с оптимизацией мишеней для непрерывных ускорителей, проделанную в Институте ядерной физики им. Будкера СО РАН под руководством профессора Сергея Юрьевича Таскаева, поведение 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.
«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 7 Li(p,n) 7 Be был рассчитан с использованием теоретической модели. Ключевое нововведение работы – это применение этой теоретической модели к импульсным протонным пучкам с энергетическими спектрами, характерными для разрабатываемых импульсных ускорителей легких ионов», — отмечает инженер Научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий» Ли Шухуэй .
Было установлено, 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).
