Работа национальных лабораторий Сандии над генерацией нейтронов: переход от трубок к чипам.

Это был образный удар по голове, который заставил выдающегося технического сотрудника Sandia National Laboratories Хуана Элизондо-Деканини мыслить нестандартно - в его случае это был цилиндр.

Он разработал новую конфигурацию для генераторов нейтронов, перейдя от обычных цилиндрических труб к плоской геометрии компьютерных чипов. Для сравнения размеров, небольшие генераторы нейтронов, которые похожи на мини-ускорители, имеют диаметр от 1 до 2 дюймов, сказал он.

Наиболее практичным и наиболее вероятным в ближайшей перспективе был бы крошечный медицинский источник нейтронов, имплантируемый рядом с опухолью, который позволил бы больным раком получать низкую дозу нейтронов в течение длительного периода дома вместо того, чтобы лечиться в больнице, сказал он.

Технология готова к лицензированию для некоторых коммерческих применений, но для других, более сложных коммерческих применений, может потребоваться от пяти до 10 лет, сказал Элизондо-Деканини.

"Это действительно революционная технология", - сказал Стюарт Гриффитс, ушедший в отставку в декабре с поста старшего научного сотрудника и инженера Sandia. "Знания Хуана, его проницательность и творческий подход в этой области позволили совершить действительно большой скачок от сегодняшнего дня к тому, как мы могли бы создавать генераторы нейтронов в будущем".

Однако Гриффитс сказал, что влияние не будет известно в течение многих лет.

"Развитие технологии все еще необходимо, но если этот процесс будет успешным, это окажет огромное влияние", - сказал он.

Трехлетний проект лабораторных исследований и разработок (LDRD) под руководством Элизондо-Деканини продемонстрировал базовую технологию, необходимую для создания миниатюрного генератора нейтронов массового производства, который, по его словам, может быть адаптирован для медицинских и промышленных применений. Он сказал, что его команда ищет финансирование, чтобы убедиться, что это работает надежно и может быть масштабировано в соответствии с потребностями.

Элизондо-Деканини сказал, что все началось, когда ныне вышедший на пенсию старший менеджер Майк Сюлин сказал исследователям, что ему нужны нейтроны, и его не волнует, как они были произведены. До этого удара по голове Элизондо-Деканини сказал: "Мы были глубоко в пресловутом ящике, сосредоточившись на том, чтобы сделать цилиндр более цилиндрическим".

Традиционно нейтронные генераторы на основе ускорителей с мишенями из ионов дейтерия и трития работали на цилиндрах, что позволяет легко контролировать электрическое поле и форму ионного пучка, сказал он. Но эта геометрия также ограничивает размер, ток пучка и выход нейтронов.

Поэтому члены команды Элизондо-Деканини обратились к геометрии компьютерного чипа. Отметив, что в чипах по два транзистора на бит, они задались вопросом, могут ли они производить по одному нейтрону на транзистор - то, что один из коллег Элизондо-Деканини назвал "нейтристором".

"Как только вы это видите, это становится отчасти очевидным ... но до этого никто никогда не думал об этом ", - сказал Элизондо-Деканини.

По его словам, веселье началось с возникающих технологических проблем.

Первым шагом команды было выяснить, возможно ли создать генератор в форме плоского компьютерного чипа со всеми компонентами, нанесенными на поверхность - от источника ионов до мишени, сказал Элизондо-Деканини.

"Мы даже не знали правильного масштабирования для перехода от цилиндрической формы к плоской или от высоких рабочих напряжений к более низким рабочим напряжениям", - вспоминал он.

Однако, по его словам, схема поперечного сечения простейшей нейтронной трубки на основе диода воплотилась в идеальную топологию для поверхностного монтажа, и члены команды знали, что у них есть инструменты для ее проектирования.

Проект LDRD объединил людей со всей Сандии, включая дизайн, микроэлектронику, материалы, керамику, прецизионное изготовление, загрузку ионным газом, проектирование и калибровку детекторов. После семи месяцев работы над дизайном линзы с ионным пучком и еще шести месяцев необходимого моделирования команда сократила масштаб.

"Задачи переключились на создание устройства микронного, а затем наноразмерного размера, пока мы не смогли уменьшить его масштаб", - сказал Элизондо-Деканини. На сегодняшний день проект продемонстрировал масштабирование до миллиметровых и микронных размеров, при этом производство нейтронов продемонстрировано в миллиметровом размере, а источники ионов продемонстрированы в микронном размере, сказал он.

Команда перешла от миллиметрового корпуса, который выглядит как печатная плата, к корпусу micron, разработав концепцию установки корпуса на компьютерный чип. Конфигурация чипа позволяет изменять количество слоев в стопке. Это привело к идее вращения этих слоев для радиального разряда, чтобы увеличить выход - в некотором смысле, возврат в цилиндр.

Чтобы проиллюстрировать это, Элизондо-Деканини прижал один конец образца прямоугольной миллиметровой формы и повернул свободный конец по кругу, очень похоже на вращение транспортира.

"Внезапно у вас получается цилиндрическая полость, похожая на коробочку для таблеток", - сказал он. "Он все еще плоский, но теперь он выглядит как коробочка для таблеток, и я увеличил количество нейтронов на один или два порядка величины".

Если из каждого бита можно получить нейтрон, "это источник нейтронов, который можно использовать практически везде, в медицинских приложениях, в датчиках для контрабанды, для нераспространения", - сказал он.

Элизондо-Деканини представила доклад "Генераторы нейтронов, устанавливаемые на поверхности" на симпозиуме Национальной администрации ядерной безопасности по LDRD в Вашингтоне, округ Колумбия, в июле 2011 года в качестве одного из трех технических докладчиков, выбранных каждой лабораторией NNSA для демонстрации их ведущей исследовательской деятельности в области LDRD.

Был подан патент на гибрид миллиметрового размера - гибрид, потому что все твердотельное, кроме вакуумного зазора, - который будет использоваться для лечения рака с захватом нейтронов. Кроме того, проект вызвал полдюжины технических достижений, команда тестирует массивы источников нейтронов микронного размера, созданные с использованием средств Sandia MicroElectricoMechanical Systems, и инициировала работу по передаче коммерческой технологии.

Элизондо-Деканини представил свою работу в начале апреля на параде плакатов на саммите по потоковой передаче сделок Technology Ventures Corporation (TVC), который дает исследователям возможность пообщаться с возможными инвесторами. Некоммерческая организация TVC была основана и финансировалась Lockheed Martin, чтобы помочь коммерциализировать технологии национальных лабораторий.

Видение Элизондо-Деканини генератора нейтронов будущего - это генератор, в котором не используется тритий и вакуум, который выполнен в твердотельном корпусе и изготавливается в комплексе Sandia Microsystems and Engineering Sciences Applications (MESA).

"Это имеет очень серьезные технологические последствия и проблемы", - сказал он. "Но это то, что я говорю людям, это то, для чего созданы национальные лаборатории".