Источники нейтронов используются в широком спектре фундаментальных и прикладных исследований. Для практического применения разработанных технологий и методик с использованием нейтронов требуются компактные и безопасные (нерадиоактивные) системы. Таким требованиям на сегодняшний день отвечают только D-D нейтронные генераторы – системы, производящие нейтроны в результате реакции между двумя ядрами дейтерия, протекающей при бомбардировке насыщенной дейтерием мишени ускоренными пучками дейтронов. Схема такого нейтронного источника показана на рис.1. Остальные виды источников либо используют радиоактивные элементы для своей работы, либо имеют слишком большие габариты и стоимость, как ускорители и реакторы. Однако основным недостатком существующих компактных систем является низкая плотность генерируемого нейтронного потока. Нейтронный выход с плотностью свыше 109 с-1см-2 могут обеспечить лишь ускорители и ядерные реакторы. Тем временем, компактные источники с такой производительностью наиболее востребованы.
Рис. 1. Принципиальная схема D-D нейтронного генератора.
Одним из важных применений нейтронных генераторов является использование в медицине, а именно для бор-нейтронозахватной терапии онкологических заболеваний (БНЗТ). БНЗТ – метод лучевой терапии злокачественных новообразований, характеризующийся чрезвычайно высокой биологической эффективностью за счет направленного ионизирующего действия непосредственно на уровне опухолевых клеток. Принцип бор-нейтронозахватной терапии основан на взаимодействии атомов бора-10 с тепловыми нейтронами. Принципиальным отличием нейтронной терапии от других видов излучения является наличие радиобиологических преимуществ, позволяющих с успехом использовать ее в тех клинических ситуациях, когда фотоны, электроны или протоны малоэффективны. В настоящее время исследования в данной области проводятся в основном на реакторах, имеющих очень высокую стоимость изготовления и эксплуатации. Также ядерные реакторы не могут быть размещены в клиниках, поэтому новые мощные, компактные и менее дорогие источники нейтронов позволят ученым существенно продвинуться в разработке методик нейтронной терапии.
В последние несколько лет в Институте прикладной физики РАН Лабораторией ионных источников проводятся работы по разработке нейтронных генераторов нового поколения. Данные исследования стали возможны благодаря предшествующей разработке нового типа сильноточных ионных источников на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) разряда с квазигазодинамическим режимом удержания. Такие системы основаны на использовании плотной плазмы, поддерживаемой СВЧ излучением мощных гиротронов с частотой до 100 ГГц в условиях ЭЦР в открытой магнитной ловушке. За счет высокой частоты используемого СВЧ излучения в магнитной ловушке источника создается плазма с уникальными параметрами (плотностью свыше 1014 см-3, температура электронов на уровне нескольких десятков эВ). На разработанном источнике экспериментально продемонстрирована возможность формирования пучков ионов дейтерия с плотностью тока до 800 мА/см2 при полном токе до 500 мА, что позволяет, используя его в схеме D-D генератора с ускоряющим напряжением 100 кВ, получать потоки нейтронов с рекордной для компактных систем плотностью на уровне 1011 с-1см-2.
Фотографии импульсного прототипа нейтронного генератора приведены на рис.2. Такой источник представляется перспективным для создания и внедрения многих важных для современного общества разработок в областях безопасности, медицины и нанотехнологий.
Рис.2. Импульсный прототип нейтронного генератора на основе сильноточного ЭЦР ионного источника SMIS 37.
