中性子源

一部の同位体は自発核分裂（SF）を起こし、中性子を放出します。最も一般的な自発核分裂源は、カリホルニウム252です。252Cf^および他のすべてのSF中性子源は、原子炉内でウランまたは超ウラン元素を照射することによって作られます。このとき、中性子は出発物質とその後の反応生成物に吸収され、出発物質がSF同位体に変換されます。252Cf中性子源は通常、直径が1/4インチから1/2インチ、長さが1インチから2インチです。典型的な^252Cf中性子源は、新品のときは毎秒10⁷～10⁹個の中性子を放出します^が、半減期が2.6年であるため^、中性子^出力は2.6年で半分になります。

アルファ粒子がベリリウム、炭素、酸素などの軽同位体に衝突すると、中性子が生成されます。そのため、ラジウム、ポロニウム、アメリシウムなどのアルファ放出核種と低原子量の同位体を混合することで、中性子源を作製できます。通常、この混合は2種類の物質の粉末を混ぜ合わせることで行われます。アルファ中性子源は、一般的に毎秒約10⁶ ^～ 10⁸^個の中性子を生成します。アルファベリリウム中性子源は、10⁶個の^アルファ粒子あたり約30個の中性子を生成する可能性があります。このような中性子源の有効寿命は、放射性同位体の半減期に依存します。これらの中性子源のサイズとコストは、自発核分裂中性子源と同程度です。通常の材料の組み合わせは、プルトニウム- ベリリウム (PuBe)、アメリシウム - ベリリウム (AmBe)、またはアメリシウム -リチウム(AmLi) です。

原子核の中性子結合エネルギーを超えるエネルギーを持つガンマ線は、中性子を放出する可能性があり、この過程は光崩壊として知られています。2つの反応例を以下に示します。

• ^9Be + >1.7 MeV光子 → 1中性子+ ^24He
• ² H (重水素) + >2.26 MeV 光子 → 1 中性子 + ¹ H

加速器を用いた中性子発生装置の中には、重水素イオンや三重水素イオンのビームと、これらの同位体を含む金属水素化物ターゲットとの間で核融合反応を誘発するものがある。

高密度プラズマ集束型中性子源は、高密度プラズマを生成し、その中で電離した重水素および／または三重水素ガスを核融合を起こすのに十分な温度まで加熱することにより、制御された核融合を実現する。

ファーンズワース・ハーシュ型核融合炉のような慣性静電閉じ込め装置は、電場を用いてプラズマを核融合状態まで加熱し、中性子を生成する。趣味の愛好家から商業用途まで、様々な応用例が開発されており、そのほとんどは米国で展開されている。

水素、重水素、または三重水素イオン源を用いた従来型の粒子加速器は、重水素、三重水素、リチウム、ベリリウム、およびその他の低原子番号物質を標的として中性子を生成するために使用される。これらの加速器は通常、1 MeVを超えるエネルギー範囲で動作する。

制動放射システムでは、物質の核結合エネルギーを超える光子がその物質に入射すると、巨大双極子共鳴が起こり、その後、中性子（光中性子）を放出するか、核分裂（光核分裂）を起こして中性子が生成されます。各核分裂イベントで放出される中性子の数は、物質によって異なります。通常、光子は、約 7 ～ 40 MeVのエネルギーで通常の物質と相互作用して中性子を生成し始めます。つまり、メガボルト X 線を使用する放射線治療施設も中性子を生成し、一部の施設では中性子遮蔽が必要です。さらに、約 50 MeV を超えるエネルギーの電子は、内部転換の逆のメカニズムによって核種に巨大双極子共鳴を誘起し、光中性子と同様のメカニズムで中性子を生成する可能性があります。^{[ 1 ]}

原子炉内での核分裂は大量の中性子を生成し、発電や実験など様々な用途に利用できる。研究用原子炉は、高中性子束環境に試料を設置できるように特別に設計されていることが多い。

水素の重同位体を融合させる核融合は、大量の中性子を生成する可能性を秘めている。世界中の多くの大学や研究所には、プラズマ研究を目的とした小型の核融合システムが存在する。また、米国国立点火施設（NIF）、英国ジェットエネルギー技術研究所（JET ）、そして現在フランスで建設中のITER実験など、少数の大型核融合実験も存在する。しかし、これらはいずれも中性子源としてはまだ利用されていない。

慣性閉じ込め核融合は、核破砕よりも桁違いに多くのニュートロンを生成する可能性がある。^{[ 2 ]}これは、構造内の水素原子の位置を特定したり、原子の熱運動を解明したり、 X線よりも効果的に原子核の集団励起を研究したりするために使用できるニュートロンラジオグラフィーに役立つ可能性がある。

核破砕中性子源は、高エネルギーまで加速された陽子が標的に衝突し、中性子の放出を促す高フラックス中性子源です。高フラックス核分裂炉は生成される中性子の上限があるため、世界で最も強力な中性子源は核破砕中性子源に基づくものが多いです。2022年現在、世界で最も強力な中性子源はテネシー州オークリッジの核破砕中性子源[ ^{3 ]}であり、スウェーデン^のルンドにある欧州核破砕中性子源は、世界最強の中時間パルス中性子源となるべく建設中です。

臨界未満核分裂炉は、核破砕中性子源を使用することが提案されており、核変換（例えば、医療用放射性核種の製造や貴金属の合成）と発電の両方に使用できます。これは、1つの核破砕中性子を生成するのに必要なエネルギー（現在の技術レベルでは約30 MeV）が、核分裂によって放出されるエネルギー（ほとんどの核分裂性アクチニドで約200 MeV）よりもほぼ1桁低いためです。

レーザー駆動型中性子源は、超高強度レーザーパルスを用いて二次核反応により中性子を生成する、もう一つの新興技術である。高出力レーザーが高密度ターゲットと相互作用すると、陽子や重陽子などの高エネルギー粒子が生成され、これらが二次物質と衝突することで中性子放出が誘発される。これらの中性子源は、従来の核破砕法や原子炉を用いた施設に比べて小型であり、超短中性子バーストや高輝度といった独自の機能を備えている。