השימוש בחומרים אורגניים כמו Neutron Moderators ביישומים מיוחדים

ניוטרון מתינות: A Primer

תנוחת נויטרון היא תהליך בסיסי במדעי הגרעין ובהנדסתה.זה כרוך בצמצום האנרגיה הקינטית של נויטרונים מהירים (בדרך כלל אלפי אלקטרונים או יותר) לאנרגיות תרמיות (בסביבות 0.025 eV בטמפרטורת החדר) זה מאט את הניוטונים כך שהם יכולים לגרום ביעילות רבה יותר לנפיחות גרעינית בכור או להשתתף בתגובות גרעיניות ספציפיות למחקר, או ניתוח.

המנופים היעילים ביותר הם חומרים עשירים בגרעין בהיר, במיוחד מימן, כי נויטרונים מעבירה חלק גדול מהאנרגיה שלה בהתנגשות ראש אחת עם גרעין של מסה דומה. בפיסיקה קלאסית, את השבריר האנרגטית המקסימלית להתנגשות בין נייטרון (מסים) -1) וגרעין של מסה-FLT:1 הוא LT=2=2=2=1) ל-0.

מדגמים מסורתיים - מים (H2O), מים כבדים (D2O), וגרף - שימשו במשך עשרות שנים בכור חשמל, כור מחקר, וניסויים בפיסיקה חלקיקים.כל אחד יש את החוזקות שלו: מים רגילים זול אבל סופג כמה נויטרונים; מים כבדים יש ספיגה נמוכה אבל הוא יקר; טיטאי הוא מוצק ויציב אך דורש טיהור זהיר כדי למנוע ממודולים אורגניים.

מה הם משתנים אורגניים?

חומרים אורגניים המשמשים למתינות נויטרונים הם תרכובות מבוססות פחמן המכילות אטומי מימן במבנה המולקולרי שלהם.תוכן מימן הוא המפתח: יותר אטומי מימן לנפח יחידה, כך ניתן יהיה לנדס את יכולת המיזוג. תרכובות אורגניות לצורות פיזיות רבות - מוצקות, נוזלים, ג'לים, או קצף - ומותאמים לסביבות קרינה ספציפיות.

המונח "אורגני" מתייחס לכימיה, לא לביולוגיה; אלה הם סינתטיים או טבעיים נגזר הידרופחמנים ופולימרים.רוב המנטרים האורגניים הנפוצים הם פולימרים או פחמימנים נוזליים. הנכס העיקרי שלהם הוא צפיפות מימן גבוהה, לעתים קרובות קרוב או מעל זה של מים, יחד עם קליטת ניטרון נמוך (בדרך כלל סביב 0.3-0.5 אטומי מימן, בהשוואה ל 0.3 קנבי מים).

יתרונות של חומרים אורגניים כמו ניוטרון Moderators

חומרים אורגניים מביאים מספר יתרונות ברורים ליישומים מיוחדים:

  • (FLT:0) צפיפות מימן גבוהה.FLT:1 הרבה פולימרים מוצקים, כגון פוליאתילן, יש צפיפות מימן של כ 0.8-0.9 × 1022 אטומים / ס"מ3, השוואה למים (0.67 × 1022) אבל גבוה יותר מאשר מים כבדים (0.33 × 1022).
  • (FLT:0)Low neutron ספיגת.FLT:1 מלבד מימן, פחמן ואלמנטים אחרים בתרכובות אורגניות יש הרבה מאוד קליטה נמוכה צלבי קליטה.זה מאפשר שבריר גדולה יותר של נויטרונים בינוניים לברוח או לשמש לתגובות, וזה קריטי עבור יישומים כמו רדיוגרוגרפיה נויטרון או טיפול לכידת סלקן (BNCT).
  • (FLT:0) מימכני ומעצב גמישות.FreaLT:1 , Polymers ניתן להטיל, extruded, או 3D מודפס לתוך גיאוגרפיה מורכבת, המאפשרת ניגודים מודול מותאם אישית עבור ציוד ניסיוני או מקורות נויטרונים קומפקטיים.
  • (FLT:0) Cost וזמינות (FLT:1 קומוטיפסטיק כמו פוליאתילן ופוליסטרון מיוצרים בכמויות עצומות בעלות נמוכה.
  • (FLT:0Chemical andקרינה יציבות.FLT:1 בעוד שלא בלתי ניתן להרס, פולימרים אורגניים רבים מראים התנגדות מקובלת לתנוטרונים נמוכים וגלומה פלוקס, במיוחד כאשר ייצובים מוסיפים.

אתגרים ושיקולים טכניים

למרות היתרונות האלה, ממריצים אורגניים אינם תחליף לחומרים קונבנציונליים בכל תרחיש. מהנדסים ופיזיקאים חייבים לשקול מספר חסרונות:

קרינה Degradation

פולימרים עשירים מימן רגישים לנזק קרינה: נויטרונים מהירים וקרני gamma לשבור C-H ו C-C אג"ח, שחרור גז מימן (H2) ויצירת רדיקלים חופשיים.לאורך זמן, זה מוביל לחיסול, נפיחות, אובדן כוח מכני, וצמצום יעילות מודראטית. בסביבות גל גבוה (למשל, בתוך כור כוח), שינויים אורגניים בטווח של ימים של ירידה נמוכה או קומפקטית, כגון שימוש בחומרים נמוכים, או קומפקטיים, תוך שימוש בצורות אורגניות לטווח ארוך, או קומפקטיות, תוך שימוש בצורות, תוך שימוש בטמפרטורות נימוסים, או קומפקטיות, או קומפקטיות לטווח ארוך טווח, כגון, או קומפקטיות, תוך שימוש בצורות נמוכות של שימוש בצורות נמוכות של שימוש בצורות אורגניות, או קומפקטיות, עם שימוש בצורות נמוכות של שימוש בטמפרטורות נמוכות של קומפקטיות, עם שימוש בצורות אורגניות, עם שימוש בטמפרטורות ניכות, עם קומפקטיות, עם שימוש בצורות נמוכות של שימוש בטמפרטורות נימולכות, או קומפקטיות, או קומפקטיות, או קומפקטיות, תוך שימוש בצורות נמוכות של שימוש בטמפרטורות נימוסממות, עם שימוש בצורות נמוכות של שימוש בצורות נמוכות של שימוש בצורות

גזים וזיהום

רדיוליזה מייצרת גז מימן, אשר חייב להיות מאולץ או להסיר כדי למנוע את הצטברות הלחץ.פחמימנים מסוימים עשויים גם לשחרר תרכובות אורגניות נדחות (VOCs) תחת חימום או אי-דיור, פוטנציאל לזיהום ציוד סביב או דגימות ניסיוניות.בסביבות ואקום (למשל, מאיץ חלקיקים), גזים הוא דאגה רצינית; בחירה זהירה של חומרים נמוכים או פולימרים (כמו תרכובות) כגון חומרים פולימרים (כמו פולימרים).

הגבלת טמפרטורה

רוב התרמופלסטים של הסחורות (למשל, פוליאתילן, PVC, פוליפרופילן) לרכך או להמיס מעל 100-200 מעלות צלזיוס. עבור יישומים הדורשים ניתוח עתיר, מהנדסים פונים לתרמוטסטים (למשל, epoxy-phenolic תערובות) או פולימרים בעלי ביצועים גבוהים (למשל, פוליצרון, PKEE) שיכול לסבול פחות מימן או יותר, או יותר חומרים של נפחים גבוהים.

המונחים: content Variability

בעוד תרכובות אורגניות רבות הן עשירות מימן, צפיפות האטום המדויקת תלויה במבנה מולקולרי, שלב גבישי ואפילו תנאי עיבוד.לדוגמה, פוליאתילן בעלות גבוהה (HDPE) יש צפיפות מימן על 8% גבוה יותר מאשר נמוך density פוליאתילן (LDPE) בגלל אריזות הדוקות יותר. מעצבי צריכה לקחת בחשבון עבור וריאציות אלה ולעתים קרובות לבצע סימולציות מונטה קרלו (למשל MC.

סוגים של חומרים אורגניים המשמשים לניטרוון Moderation

פוליאתילן (PE)

Polyethylene, נוסחה כימית (C2H4)n, הוא המנטר אורגני הנפוץ ביותר בשימוש נרחב. צפיפות מימן שלה הוא בערך 8.0 × 1022 אטומים / ס"מ3, ואת ה- מאקרוסקופי שלה מפוזר חצי-סעיף הוא בערך 3.6 ס"מ -1, כלומר נויטרון נסיעה דרך PE יש דרך PE יש דרך חינם של -3 מ"מ עבור פיזור זה זמין גבוה -PE-משקל (HD גבוה), אולטרה-משקל), אולטרה-משקל) ו-משקל (HD-משקל נמוך), אולטרה-H גבוה), אולטרה-חום (HD) (HD-H) (HD-H) נמוך (HD-H) נמוך (HD-H) (HD-H) (HD-H גבוה), אולטרה-אווירהנמוך) נמוך).

פוליאתילן משמש באופן נרחב במתקני הדמיה של נייטרונים, כחומר מתווך, וכמתווך עבור FLT:0compact neutron מקורות (למשל, D-D או D-T גנרטורים) ibphFLT:1 ניתן למכונה או 3D מודפס בלוקים, תחומים, או מותאמים אישית של הקרינה שלה הוא כשלון מתון - הוא סביב 10 - 000 פילטרים או פילטר על ידי ⁇ .

Polystyrene (PS)

Polystyrene, (C8H8)n, יש צפיפות מימן של כ 5.6 × 1022 אטומים / CM3, נמוך יותר פוליאתילן אבל עדיין גבוה. היתרון שלה הוא יציבות ממדית טובה יותר ותחת גזים מתחת לוואקום בהשוואה ל- PE. Polystyrene משמש לעתים קרובות במנילים מפלסטיק, אשר הם נויטרונים בינוניים לייצר דופקים קלים לאיתור מערכות חומר כפול יכול לשרת מטרות הגלאיות.

לדוגמה, בשדות Nutron-gamma מעורבים, מתווך מבוסס פוליסטרון יכול להיות יחד עם מזחלת ליתיום מוטען כדי ליצור ספקטרום נויטרונים הדוחה רקע gamma. PS הוא גם מריצה נפוצה להוספת dopants או אלמנטרי (למשל, 10B או 6Li) כדי להתאים תכונות neutron.

Poly(methyl methacrylate) - פליקסיגל

PMMA הוא תרמופלסט שקוף עם הנוסחה (C5O2H8)n. צפיפות המימן שלה הוא בערך 5.5 × 1022 אטומים / 3. ס"מMA משמש לעתים קרובות סלקטור ודמיה בשל הבהירות האופטית שלה ואת המיומנות שלה. inFLT:0 בטוח beamline יישומים FLT:1, חלונות PMMA או מועסקים איפה ברור של הדגימה, אבל צריך גם חומר ניקוי טהור של חומר ניקוי.

מימן נוזלי: Kerosene, Benzene, and Oils

ממריצים אורגניים נוזליים מציעים את היתרון של מחזור קל להסרת חום או התאמה לקומפוזיציה. Kerosene (תערובת של C10-C16 alkanes) יש צפיפות מימן סביב 6-7 × 1022 אטומים / ס"מ3 ונחקר בימים המוקדמים של עיצוב כור (למשל, FLT:0homogeneous aqueous acor / genic קונספט CHFFLT) ניתן לעתים קרובות להחלפה של שמן נוזלית, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, אשר עשוי להיות נוזל חום טבעי, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, 000).

אפריקס ריבינס ו-Comosites

שתי מערכות epoxy, שפעם ריפאו, יוצרות רשת מורכבת נוקשה.הם יכולים להיות עמוסים בממלאים (בורון קרבד, gadolinium oxide, סיבי פחמן) כדי לשפר את ההגנה או התכונות המבניות. אפיקסים יש קרינת מימן דומה PMMA ומשמשים בסיר רכיבים אלקטרוניים בסביבות עשירות נויטרונים (למשל, כלי גרעיני שלהם יכול להיות משופרים יותר קרינת gma) המכילה אגורה קשה (ganic) אשר מופעלת עמידות חזקה יותר.

Foams

קצף של שקיפות נמוכה עשוי פוליאורטן או פוליאתילן משמשים בניסויים מיוחדים הדורשים סביבות נמוכות מאוד, כגון רפיאומטריה נויטרונים או פיזור קטן.מכשף עם 90% פורוזיות יכול להיות צפיפות מימן נמוך כמו 0.5 × 1022 אטומים / 3 ס"מ, המאפשר נויטרונים לחלחל עמוק ללא התנגשויות רבות מדי (Fold) גם כן, כאשר הוא מצמצם את הטמפרטורות ננויות קרות (ktoncred) כאשר הם פחות מקודמות (המתות) כאשר הם פחות מכווץ יותר מלמטה יותר מלמטה יותר מלמטה יותר מלמטה יותר מלמטה יותר מ- 0.

תגיות: Organic Neutron Moderators

מקורות נויטרונים קומפקטיים ו Assemblies

מקורות נויטרונים מונעים על ידי Accelerator-deuteron או Deuteron-tritium לעתים קרובות להשתמש בלוק פוליאתילן מודולר כדי לתרמיא את הנוטים עבור יישומים בינוניים כגון FLT:0active חקירה של חומרים גרעיניים FLT:1, סריקה, או BNCT. הגודל הקטן והיציבות של מודולים אורגניים לעשות עבור גרפים / Flastic כגון: pbortirdustites for ampir / pbortials for acreicials for ampir / p.

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT)

ב BNCT, המטופל מנוהל תרכובת בורון 10 המצטברת בתאי הגידול.הגידול הוא אז מוקרן עם קרן של נויטרונים תרמיים.מתקני אורגני עשויים פוליאתילן או שילוב של PE ולהוביל משמשים בדלקת נויטרונים אפיתרמיים מסורתית כדי להאט את הניטריונים המהירים מכור או מאיץ למגוון האנרגיה האופטימלי (0.5-V) בהשוואה לחומרים צלולים מהירים יותר לשימוש צלול יותר.

רדיוגרפיה וטוםוגרפיה

מודולים אורגניים יכולים לפעול כמו פילטרים שטוחים של פלוקס או כמפעילים מראש עבור כלי הדמיה נייטרון.לדוגמה, מסנן פוליאתילן דו-חמצני ממוקם מול נמל beam כור יכול להוריד את האנרגיה הניטריונית הממוצעת כדי לשפר את הניגוד לדגימות מימן (למשל, פולימרים, חומרים המכילים מים).

חלל וסביבה קיצונית

בחלל החיצון, שבו משקל ונפח נמצאים בקרן, מדריכים אורגניים מציעים אלטרנטיבה קלה. Polyethylene במיוחד משמש גם מתווך וגם מגן נויטרונים / פרוטון על תחנת החלל הבינלאומית ובאלקטרוניקה לווינית.The FLT:0Radiation Assessment Detector (RAD)FLT:1 על מאדים roverLTF:2Curios: 3Firs, כולל שימוש בדלקת פלסטית / מהפך ל-Feration.

ביצועים השוואתיים: אורגני לעומת מחוקקים מסורתיים

השוואה הוגנת דורשת התחשבות ביחס הממתינות (מספר ההתנגשויות הדרושות כדי להאט את הניטרירון מ 2 MeV לתרמי, מחולק על ידי ההסתברות להתנגשות) למים יש יחס מתפתל של כ-62 בטמפרטורת החדר, מים כבדים -2,000 (קליטת נמוך יותר), גרפיט -200, ופוליאתילן - 70.זה אומר כי פוליאתילן הוא יעיל כמו מים במונחים של יתרון איטי, אך ניתן לספוג מעט יותר, אך ורק עם כוח.

ביישומים בעלי כוח נמוך (למשל, מקור מחקר 1-10 קילוואטון מחקר), הגבולות התרמיים והרדיוטיים של חומרים אורגניים מקובלים.המסחר המרכזי הוא בין פשטות / עלות נמוכה (אורגנית) לבין בטיחות / בטיחות (אורגניבה) עבור מעבדות מיוחדות רבות וסטארט-אפים נכנסים לתחום נויטרון, מודטורים אורגניים הם הבחירה הראשונה.

מחקרים וחדשנות

התקדמות בכימיה פולימרית ומודל הייצור הם מניעים אפשרויות חדשות.חוקרים פיתחו את הפוליאתילנין (למשל 5% על ידי משקל B4C) כדי ליצור מודולים משולבים / שידלים כי הן תרמיליזציה והן סופגים נויטרונים לא רצויים.

מחקר שנערך בשנת 2022 מ-FLT:0.Journal ofקרינה Physics and Chemistryib כימיה 1 חקר מתווך אורגני נוזלי המבוסס על טולולן דהויוטה.It הראה עלייה של ארבע פעמים ביעילות המתינות בהשוואה לטולנים רגילים עקב ספיגה מופחתת של תרכובות דה-טריום.

הדפסה תלת-ממדית מאפשרת ייצור של מערכי משתנה - לדוגמה, קוביית פוליאתילן עם ערוצים פנימיים שמשנים את צפיפות המימן באופן מרחבי כדי לייצר פרופיל מוטציות ניטרון מותאמים.

בטיחות ו Handling

מדגמים אורגניים מציגים שלושה חששות בטיחות עיקריים: אש, גזים, ובריחה תרמית. פוליאתילן נשרף בקלות, כך בסביבות עתירי טמפרטורה גבוהה או זריעה בסיכון, זה חייב להיות מוגן אש או מוחלף עם פיזור intrins פחות מטבוליים (למשל, פוליווין כליד (pgas) או פוליאתל אלומיניום (npeyulf) אשר מכיל חומרים irolrelix2 ליטרים מהירים (מסוגים) או מינרלים מהירים) אם כי הם כוללים חומרים צמחיים).

תחזית עתיד

ככל שהביקוש ליישומים קומפקטיים, ניידים, וחסכוניים של נויטרונים גדל - מונע על ידי יישומים רפואיים, אבטחה ותעשייתיים - ממריצים אורגניים צפויים להיות נפוצים יותר.מחקר לפולימרים מעודנים מקרינה (למשל, פולימיסטים, פולימבנזידים, פוליבמידאזולים) ופולימרים בעלי יכולת מיחזור מלאה של חומרים ביו-דרומיים (תאים, , עצלנים), עשויים גם לדחוף את היכולת המסחרית של 3 לנטרל חומרים אלה לכדי חומרים מדגמים מתקדמים יותר, או לכדי יכולת הדמיה משולבת, או לכדי חומרים מתואמים, לדוגמה, לדוגמה, או לכדי יכולת ה-D-D-D, כדי לכדי יכולת משולבת, כדי להתנגשות, כדי להתנגשות, כדי לכדי יכולת משולבת, להתנגשות, להתנגשות, כדי להתנגשות, להתנגשות, להתנגשות, להתנגשות, כדי להתנגשות, באופן ספציפי יותר, באופן מלא, כדי לכדי חומרים מטבולית, באופן ספציפי יותר, כדי לכדי חומרים מורכבים יותר, כדי להתנגשות, להתנגשות, לדוגמה, להתנגשות, להתנגשות, להתנגשות, כדי להתנגשות, כדי להתנגשות, כדי ל

בעוד חומרים אורגניים לעולם לא יחליפו מים או גרפיט בכורות גרעיניים בקנה מידה ג'יגהוואט, הנישה שלהם ביישומים מיוחדים, נמוכים לבינוניים בטוחה.המשך שיתוף פעולה בין חומרים, מהנדסים גרעיניים ופיזיקאים רפואיים ישלטו את החומרים האלה כדי להיות בטוחים, יציבים יותר ויעילים יותר.