Нейтро́нный генера́тор, устройство, в котором в результате термоядерных реакций синтеза лёгких ядер, преимущественно слияния ядер дейтерия (d) и трития (t), а также дейтерия и дейтерия, образуются моноэнергетические быстрые нейтроны (n) с энергией 14,1 и 2,5 МэВ соответственно.

История создания

В 1934 г. Э. Резерфорд и его коллеги М. Олифант и П. Хартек опубликовали работу, в которой сообщили о получении нейтронов с энергией 2,5 МэВ путём синтеза ядер дейтерия $\text{(d + d → n + }^3\text{He)}$ в стационарном ускорительном устройстве. Для реализации этого способа получения нейтронов в переносном устройстве голландские физики Ф. М. Пеннинг и Дж. Моубис в 1937 г. разработали первую запаянную нейтронную трубку. Однако настоящий бум в области разработок нейтронных генераторов произошёл в начале 50-х гг. 20 в. после сообщения сотрудников Лос-Аламосской национальной лаборатории о реализации более эффективной ядерной реакции для применения в нейтронных генераторах – реакции синтеза ядер дейтерия и трития $\text{(d + t → n + }^4\text{He)}$. Большой интерес к таким генераторам был связан прежде всего с их использованием в военной технике, а также в ядерно-физических исследованиях.

В СССР первая нейтронная трубка была создана в 1951 г. группой учёных из Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики под руководством В. А. Цукермана и А. А. Бриша для её применения в ядерном оружии. В 1956 г. их коллега Г. Н. Флёров предложил использовать нейтронный генератор на основе подобной трубки для геофизического исследования скважин (каротажа), что определило ключевую роль нейтронного генератора в данной области народного хозяйства на многие десятилетия.

Типы нейтронных генераторов

В зависимости от способа получения нейтронов нейтронные генераторы разделяют на два типа: 1) генераторы откачного типа, представляющие собой стационарные устройства, обеспечивающие потоки 10¹¹ нейтронов в секунду и более; 2) генераторы на запаянных нейтронных трубках. Генераторы второго типа отличаются от генераторов первого типа портативностью и, главное, большей радиационной безопасностью, что обеспечивает их широкое применение во многих областях науки и техники.

Генераторы на нейтронных трубках представляют собой миниатюрные линейные ускорители прямого действия, в которых базовым элементом является нейтронная трубка. В ней в едином электровакуумном приборе совмещены функции получения ионов дейтерия или смеси ионов дейтерия и трития, их ускорения к мишени и реализации реакций синтеза в твердотельной мишени. В качестве мишени используется тонкий слой (толщиной 1–2 мкм) гидрида металла (обычно титана), который наносится на теплопроводящую подложку из металла.

В зависимости от способа получения ионов выделяют два типа нейтронных трубок: вакуумные (ВНТ) и газонаполненные (ГНТ). В ВНТ ионы дейтерия образуются в трёхэлектродном ионном источнике в результате сильноточного дугового разряда между анодом и катодом, которые изготовлены из металла, насыщенного дейтерием. Под действием высокой температуры разряда происходит десорбция дейтерия из электродов и его ионизация. В ГНТ ионы образуются в газовом разряде под действием электронов, которые вылетают с горячего или холодного катода. Как правило, в таких трубках используется т. н. источник Пеннинга, в котором электроны движутся по спиральным траекториям в скрещённых электрических и магнитных полях.

В обоих типах трубок ускорение ионов происходит в системе высоковольтных электродов с помощью статического или импульсного напряжения. Величина его, в зависимости от параметров требуемого нейтронного потока, варьируется от 80 до 300 кВ. Нижняя граница диапазона соответствует наиболее миниатюрным трубкам диаметром 20–30 мм, максимальный поток нейтронов которых обычно не превышает 10⁸ нейтронов в секунду. Верхний уровень напряжения соответствует трубкам с потоком, превышающим 10¹¹ нейтронов в секунду, которые предназначены для создания генераторов большой мощности.

Особое место среди генераторов на нейтронных трубках занимает генератор с двухкоординатным альфа-детектором, встроенным внутрь трубки, который позволяет определять направление вылета конкретного нейтрона по сопутствующей ему альфа-частице. Такой генератор даёт возможность реализовать т. н. метод меченых нейтронов, с помощью которого можно получить трёхмерное «изображение» объекта контроля (в виде гамма-спектров) и при этом многократно улучшить отношение полезного сигнала и гамма-фона.

Наряду с генераторами на нейтронных трубках во многих странах более полувека проводятся интенсивные исследования по созданию генераторов на иных физических принципах и способах получения быстрых нейтронов. Создавались нейтронные генераторы на основе инерциального электростатического удержания плазмы (в них ядра дейтерия и трития многократно проходят ускоряющий зазор в газовой смеси дейтерия и трития, который одновременно служит виртуальной мишенью); генераторы на камерах типа «плазменный фокус» (в камере особой геометрии путём мощного разряда создаётся движущаяся горячая плазма, в конечной стадии она сжимается в локальный сгусток высокотемпературной плазмы, в которой создаются условия для протекания термоядерной реакции и возникает импульс быстрых нейтронов микросекундного диапазона); генераторы с лазерным источником ионов (в них ионы дейтерия образуются путём импульсного нагрева поверхности анода трубки с помощью сфокусированного луча лазера через оптическое окно); генераторы на трубках типа «орбитрон» (в них для получения ионов используется эффект полого катода, а ускоряющая система выполнена коаксиальной) и др. Однако эти генераторы существенно уступают генераторам на нейтронных трубках по основному параметру – нейтронному потоку, вследствие чего их использование ограничивается в основном лабораторными исследованиями.

Применение нейтронных генераторов

Наиболее широко нейтронные генераторы используют в геологии для разведки и разработки нефтегазовых и рудных месторождений. Аналитические комплексы на их основе в виде скважинной геофизической аппаратуры позволяют оценить запасы ископаемых, оптимизировать траекторию бурящейся скважины и достичь максимального извлечения запасов. Другая традиционная область применения нейтронных генераторов – поиск и идентификация опасных веществ, в первую очередь взрывчатых веществ и ядерных материалов. Создание генераторов с альфа-детектором привело к совершенствованию аппаратуры такого назначения.

Подобные комплексы для анализа состава вещества востребованы также в металлургической и горнодобывающей промышленности, при производстве цемента и обогащении руд; для исследования вещественного состава планет и других небесных тел; в экспериментах по созданию ядерных энергетических установок и термоядерных реакторов. Достигнутая интенсивность потока (более 10¹¹ нейтронов в секунду) современных мощных нейтронных генераторов на запаянных трубках открыла перспективу их применения в онкологии для нейтронной лучевой терапии.

Основными производителями нейтронных генераторов на нейтронных трубках являются компании и институты РФ, США и Франции, а также Китая, который производит их для внутреннего рынка. При этом ассортимент генераторов, выпускаемых западными компаниями, ограничен нейтронными генераторами на газонаполненных трубках, что сужает спектр задач, решаемых с их помощью. Производимый в ГК «Росатом» базовый ряд портативных нейтронных генераторов, включающий в себя генераторы нейтронов на вакуумных и газонаполненных нейтронных трубках, а также камерах «плазменного фокуса», представляет пользователям дополнительные возможности при решении научных и производственных задач.