小型定向高通量中子發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在特定方向輸出高通量中子的小型中子發(fā)生器。采用矩形結(jié)構(gòu)潘寧離子源，引出有一定寬度的氘離子或氘氚混合離子，在同軸電場加速下，轟擊長形定向靶，在靶軸線方向產(chǎn)生高通量的中子。由于矩形潘寧離子源和長形定向靶的長度不受限制，可以根據(jù)需要任意加長，因此離子源輸出的離子束流強度、長形定向靶上承受的功率和相應(yīng)的中子產(chǎn)額都可以大幅度提升。同時，長形定向靶在軸向投影面積很小，因此在此方向上中子通量比常規(guī)中子發(fā)生器的高出1～2個量級，適合應(yīng)用于中子治療、照相、爆炸物檢測等有方向性要求的領(lǐng)域。
【專利說明】小型定向高通量中子發(fā)生器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及核技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種小型的加速器中子發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002]小型中子源一般分為放射源中子源和加速器中子源，放射源中子源是利用放射性核素來產(chǎn)生中子，產(chǎn)額較低，壽命短。加速器中子源產(chǎn)額高，關(guān)斷電源后沒有中子產(chǎn)生，使用方便，可控性好，安全性較高。
[0003]加速器中子源是利用離子源產(chǎn)生的氘離子或氘氚混合離子，經(jīng)過加速電場的加速，獲得較高的能量，在靶上發(fā)生D/D或D/T聚變反應(yīng)，在4 方向上放出中子。離子束轟擊靶時產(chǎn)生很高的能量沉積，即使在通水冷卻的條件下，靶上能夠承受的功率密度也必須控制在一個合理的范圍，保證靶的正常使用。
[0004]要進(jìn)一步提升中子產(chǎn)額，必須增加離子束流強度或者離子束能量，都會在靶上產(chǎn)生更大的沉積功率。目前采用三種方式提升靶承受沉積功率的能力:一是加大離子束束斑直徑，這種方法的優(yōu)點是靶上可以承受更多的離子束注入，總的中子產(chǎn)額增加，這種方法的缺點是中子源的點源特性變差，準(zhǔn)直比降低，這在很多應(yīng)用領(lǐng)域都是不利的，比如:快中子照相、中子治療、爆炸物檢測等。二是中國專利CN203057673U (
【公開日】為2013年I月27日)公開了一種采用旋轉(zhuǎn)靶方式增加靶面積的方法，該方法的優(yōu)點是可以在不增加束斑尺寸的條件下，提升靶承受沉積功率的能力，進(jìn)而提升中子產(chǎn)額和通量，該方法的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，有運動機構(gòu)，可靠性稍差，成本較高；三是中國專利CN201010238639.5 (
【公開日】為2010年7月28日)公開了一種采用氣體靶的方法，該方法的優(yōu)點是無固定靶，產(chǎn)額高，靶壽命長，該方法的缺點是技術(shù)難度高，真空系統(tǒng)體積龐大，能耗高，造價高。上述三種方法，缺少增加離子源強度的空間，在進(jìn)一步需要提升中子通量時，離子源引出強度不足將成為制約中子產(chǎn)額提升的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種小型中子發(fā)生器，在特定方向上產(chǎn)生高通量高準(zhǔn)直比中子束，解決目前高產(chǎn)額中子發(fā)生器要么在特定方向上通量低，準(zhǔn)直性能差，要么技術(shù)復(fù)雜，體積龐大，成本高的問題。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，包括矩形潘寧離子源、同軸結(jié)構(gòu)加速段、長形定向靶，所述矩形潘寧離子源、長形定向靶安裝在所述同軸結(jié)構(gòu)加速段內(nèi)，所述矩形潘寧離子源沿所述長形定向靶的長度方向安裝，所述長形定向靶的軸向為中子出射方向。所述同軸結(jié)構(gòu)加速段提供同軸電場，所述矩形潘寧離子源引出的氘離子或氘氚混合離子，在同軸電場加速下，轟擊對應(yīng)的長形定向靶，產(chǎn)生高通量中子。采用長形定向靶后，長度的變化不影響其軸向投影面積，中子產(chǎn)額卻大幅度增力口，因此，在此方向上，單位立體角內(nèi)中子通量大幅度增加，尤其適合高通量高準(zhǔn)直比的應(yīng)用場合。[0007]所述同軸結(jié)構(gòu)加速段包括圓筒形電極、靶屏蔽極，高壓電源產(chǎn)生的高電位施加在圓筒形電極上，所述圓筒形電極與靶屏蔽極形成離子束引出、加速、聚焦所需的電場。
[0008]所述矩形潘寧離子源放置在所述圓筒形電極內(nèi)，圓筒形電極放置在高電位端，所述長形定向靶放置在地電位端，所述矩形潘寧離子源陰極上開有引出孔或者長條形孔，用于引出寬離子束。
[0009]所述長形定向靶包括長形定向靶本體和內(nèi)部冷卻水通道，所述內(nèi)部冷卻水通道位于所述靶本體內(nèi)，所述內(nèi)部冷卻水通道與外部的冷卻水接入管道相連接。
[0010]所述小型定向高通量中子發(fā)生器，還包括真空外殼，所述矩形潘寧離子源、同軸結(jié)構(gòu)加速段、長形定向靶分別安裝在所述真空外殼內(nèi)，所述真空外殼上設(shè)有薄壁區(qū)，作為中子定向出射區(qū)，所述長形定向靶的軸向?qū)?zhǔn)該薄壁區(qū)；所述真空外殼內(nèi)還安裝吸氣劑，所述吸氣劑預(yù)先吸附了充足的D氣或D/T混合氣體，通過改變吸氣劑中加熱子的加熱功率，控制D或D/T混合氣體的釋放與吸收，保持系統(tǒng)內(nèi)部真空度在合適的范圍。
[0011 ] 所述圓筒形電極通過高壓絕緣座安裝在所述真空外殼內(nèi)，所述靶屏蔽極通過陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)支撐安裝在所述真空外殼內(nèi)。
[0012]所述靶屏蔽極罩在長形定向靶上；靶屏蔽極與所述長形定向靶之間存在電位差，用于抑制靶上二次電子進(jìn)入加速段，保護(hù)離子源免于反向電子束的轟擊。
[0013]靶屏蔽極成圓柱形狀，頭部設(shè)置一個大尺寸的高壓球殼。這樣有效降低了表面場強，提升發(fā)生器的整體耐壓性能。
[0014]優(yōu)選的，所述長形定向靶為長條形、長圓柱體形或長多面體結(jié)構(gòu)，其軸向的投影面積小，軸向輸出中子的點源特性很好。
[0015]所述矩形離子源的數(shù)量為一個或多個，沿所述長形定向靶的圓周放置，成倍增加離子束的強度；靶上對應(yīng)位置成為轟擊區(qū)域，中子產(chǎn)額成倍增加。
[0016]更優(yōu)化的方案是，所述長形定向靶在出射方向上傾斜一個微小的角度，具體傾斜角度由長形定向靶長度及需要的定向投影面積確定，以使靶表層內(nèi)部產(chǎn)生的中子在出射方向順利出射，而不會受到靶體的阻擋。
[0017]通過改變所述長形定向靶的轟擊區(qū)域形狀，進(jìn)而改變出射方向的投影形狀，調(diào)節(jié)出射方向輸出的中子密度分布。
[0018]根據(jù)需要分別增加所述矩形潘寧離子源、同軸加速段、長形定向靶的長度，相應(yīng)的中子產(chǎn)額基本成正比地增加。所述長形定向靶，其長度不受限制，可以任意增加，在承受離子束轟擊密度一定的條件下，可以接受更多的離子束轟擊。所述矩形離子源的引出長度不受限制，在引出密度相同的條件下，可以增加矩形離子源的長度來增加引出離子束的總強度。
[0019]根據(jù)需要改變所述矩形離子源的引出孔形狀，也就相應(yīng)地改變了引出束流的強度分布，得到所需分布形狀和密度的寬離子束。
[0020]本發(fā)明的有益效果是，采用矩形離子源引出寬幅離子束，轟擊長長形定向靶，既保證引出離子束流強不受限制，又保證靶上沉積功率不受限制，總的中子產(chǎn)額很高。更為有益的效果是在特定方向上可以輸出高通量和高準(zhǔn)直比中子束。
【專利附圖】

【附圖說明】[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。
[0022]圖1為本發(fā)明實施例1的主視方向剖視圖。
[0023]圖2為本發(fā)明實施例1的右視圖。
[0024]圖3為本發(fā)明實施例2的主視方向剖視圖。
[0025]圖4為本發(fā)明實施例2的右視圖。
[0026]圖中:1一長形定向靶，2—矩形離子源，3—高壓引入芯線，4一高壓引入絕緣座，5—陶瓷絕緣支撐，6—儲氣材料，7—高壓圓筒電極，8—靶屏蔽極，9—圓柱形真空外殼，10—冷卻水管路的進(jìn)、出水口，11—定向出射中子，12—被照射物。
【具體實施方式】
[0027]結(jié)合圖1、圖2所示，本發(fā)明的中子發(fā)生器包括以下幾個部分長形定向靶1，矩形離子源2，高壓引入芯線3，高壓引入絕緣座4，陶瓷絕緣支撐5，儲氣材料6，高壓圓筒電極7，革巴屏蔽極8和圓柱形真空外殼9。
[0028]圓筒形電極7通過高壓引入絕緣座4安裝在真空外殼9內(nèi)，靶屏蔽極8通過陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)支撐安裝在真空外殼9內(nèi)。高壓引入芯線3將加在高壓電源圓筒形電極上，在圓筒形電極之間形成離子束引出、加速、聚焦所需的電場。矩形潘寧離子源放置在圓筒形電極內(nèi)電場高電位端，長形定向靶放置在地電位端，矩形潘寧離子源陰極上開一排引出孔或者長條形孔，用于引出寬離子束。內(nèi)部冷卻水通道嵌在靶本體內(nèi)，內(nèi)部冷卻水通道通過冷卻水管路的進(jìn)、出水口 10與外部的冷卻水接入管道相連接。靶屏蔽極罩在長形定向靶上；靶屏蔽極與所述長形定向靶之間存在電位差，用于抑制靶上二次電子進(jìn)入加速段，保護(hù)離子源免于反向電子束的轟擊。靶屏蔽極成圓柱形狀，頭部設(shè)置一個大尺寸的高壓球殼。這樣有效降低了表面場強，提升發(fā)生器的整體耐壓性能。
[0029]圓柱形真空外殼9內(nèi)部真空保持在10_2Pa。初始真空建立后，系統(tǒng)真空由儲氣材料6 (吸氣劑)維持。吸氣劑預(yù)先吸附了充足的氘(D)氣或氘氚(D/T)混合氣體，通過改變吸氣劑中加熱子的加熱功率，控制D或D/T混合氣體的釋放與吸收，保持系統(tǒng)內(nèi)部真空度在合適的范圍。真空外殼9上設(shè)有2_壁厚度的圓形薄壁區(qū)，該薄壁區(qū)作為中子定向出射區(qū)，長形定向祀的軸向?qū)?zhǔn)該薄壁區(qū)。定向出射區(qū)引出的定向出射中子射向被照射物12。
[0030]矩形離子源采用潘寧離子源結(jié)構(gòu)，放置在高電位端。潘寧源的供電及控制簡單，直流2kV電壓，便于在IOOkV左右的高壓端上供電及控制。離子源陰極上開一排引出孔或者長條形孔，引出寬離子束。調(diào)節(jié)孔徑或開口尺寸，可以改變不同位置引出離子束的強度，在靶上產(chǎn)生需要的中子源密度分布。
[0031]靶屏蔽極，在離子源引出口和靶之間對應(yīng)位置開一條尺寸略大于離子束的條形孔，形成離子束的入射通道。與靶之間施加-300V的直流電位，阻止靶上產(chǎn)生的二次電子溢出到加速電場中。
[0032]靶屏蔽極的尺寸比靶大，成圓柱形狀，頭部設(shè)置一個大尺寸的高壓球殼，有效降低了表面場強，提升發(fā)生器的整體耐壓性能。
[0033]長形定向靶放置在地電位，內(nèi)部有水冷卻結(jié)構(gòu)，將離子束轟擊產(chǎn)生的熱量帶走。長形定向靶面有小于5度的傾斜角度，其上產(chǎn)生的中子可以順利地在規(guī)定方向出射。靶截面形狀和尺寸則根據(jù)應(yīng)用需要任意調(diào)整，在特定方向上獲得所需的高通量、高準(zhǔn)直比中子束。[0034]實施例1
[0035]如圖1和圖2給出的長形定向靶為單面靶，在長度方向，靶面呈大于O度小于5度的傾斜角度，投影密度分布均勻，具體傾斜角度由長形定向靶長度及需要的定向投影面積確定。
[0036]離子束能量175keV，流強100mA，靶長度500臟，靶面積500mmX 10mm，中子束引出方向的投影面積10\10臟，靶面承受的功率密度3501/(^2的熱流密度。離子源的引出線密度為 2mA/cm。
[0037]采用純鈦靶，靶厚度1mm，溫升200度左右；采用銅基鍍鈦靶，溫升10度左右；采用Al2O3陶瓷靶，溫升170度左右，Al2O3陶瓷靶耐高溫，抗轟擊性能好，壽命長，可以承受更高密度的束流轟擊。靶冷卻水流量5L/min，溫升50度左右。
[0038]D/T混合離子束轟擊純鈦自成靶的中子產(chǎn)額約5X 10nn/s。D/T反應(yīng)，垂直入射方向的產(chǎn)額比O度方向低5%左右。在距靶2米距離處，由于中子源的4 方向發(fā)射特性，中子通量比標(biāo)準(zhǔn)點源低80%左右,相當(dāng)于祀面積為10mmX 10mm,中子產(chǎn)額4X 10nn/s中子源在離子束入射方向產(chǎn)生的中子通量。
[0039]本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要容易地增加矩形離子源的數(shù)量和靶的轟擊面，得到更高產(chǎn)額的中子。
[0040]實施例2
[0041]如圖3和圖4給出的長形定向靶為圓柱形靶，改變圓柱形靶的轟擊區(qū)域形狀，使圓柱形靶受轟擊的靶面向出射方向傾斜，形成錐形，則出射面的投影分布為圓環(huán)形，錐形錐面的傾斜角根據(jù)所需投影形狀和大小設(shè)定。小于2在圓筒形電極的圓周上均勻放置10個矩形潘寧離子源。
[0042]離子束能量175keV,流強300mA,祀長度500mm,面積500mmX30mm,中子束引出方向的投影區(qū)域在直徑10mm的圓環(huán)內(nèi)，靶面承受的功率密度350W/cm2的熱流密度。離子源的引出線密度為6mA/cm，每個離子源引出的線密度為0.6mA/cm。
[0043]采用純鈦靶，靶厚度1mm，溫升200度左右。采用銅基鍍鈦靶，溫升10度左右。采用Al2O3陶瓷靶，溫升170度左右，Al2O3陶瓷耐高溫，抗轟擊性能好，壽命長，可以承受更高密度的束流轟擊。靶冷卻水流量15L/min，溫升50度左右。
[0044]D/T混合離子束轟擊純鈦自成靶的中子產(chǎn)額約1.5X IO1Vs0 D/T反應(yīng)，垂直入射方向的產(chǎn)額比0度方向低5%左右。在距靶2米距離處，由于中子源的4 方向發(fā)射特性，中子通量比標(biāo)準(zhǔn)點源低80%左右。相當(dāng)于靶直徑10mm，中子產(chǎn)額1.2X 1012n/s中子源在離子束入射方向產(chǎn)生的中子通量。
[0045]本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要容易地增加矩形離子源的數(shù)量，降低單個離子源的引出密度，延長離子源的壽命，同時保證總中子產(chǎn)額不會降低。
[0046]作為【具體實施方式】，圖1、圖2給出的是單面長形定向靶，圖3和圖4給出的長形定向靶為帶錐形變化的圓柱體靶。本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)然能夠理解，雙面長形定向靶、以及屬于長多面體的其他結(jié)構(gòu)，如長圓柱體，長橢圓柱體，長三角體等等結(jié)構(gòu)的靶同樣適用作為本發(fā)明的長形定向靶，具有相同的技術(shù)效果。
[0047]由于矩形潘寧離子源和長形定向靶的長度不受限制，可以根據(jù)需要任意加長，因此離子源輸出的離子束流強度、長形定向靶上承受的功率和相應(yīng)的中子產(chǎn)額都可以大幅度提升。同時，長形定向靶在出射方向投影面積很小，因此在此方向上中子通量比常規(guī)中子發(fā)生器的高出I?2個量級，適合中子治療、照相、爆炸物檢測等有方向性要求的領(lǐng)域。
[0048]最后所應(yīng)說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，包括矩形潘寧離子源、同軸結(jié)構(gòu)加速段、長形定向靶，所述矩形潘寧離子源、長形定向靶安裝在所述同軸結(jié)構(gòu)加速段內(nèi)，所述矩形潘寧離子源沿所述長形定向靶的長度方向安裝，所述長形定向靶的軸向為中子出射方向；所述同軸結(jié)構(gòu)加速段提供同軸電場，所述矩形潘寧離子源引出的氘離子或氘氚混合離子，在同軸電場加速下，轟擊對應(yīng)的長形定向靶，產(chǎn)生高通量中子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，所述同軸結(jié)構(gòu)加速段包括圓筒形電極、靶屏蔽極，高壓電源產(chǎn)生的高電位施加在圓筒形電極上，所述圓筒形電極與靶屏蔽極形成離子束引出、加速、聚焦所需的電場。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，所述矩形潘寧離子源放置在所述圓筒形電極內(nèi)，圓筒形電極放置在高電位端，所述長形定向靶放置在地電位端，所述矩形潘寧離子源陰極上開有引出孔或者長條形孔，用于引出寬離子束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，所述長形定向靶包括長形定向靶本體和內(nèi)部冷卻水通道，所述內(nèi)部冷卻水通道位于所述長形定向靶本體內(nèi)，所述內(nèi)部冷卻水通道與外部的冷卻水接入管道相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，還包括真空外殼，所述矩形潘寧離子源、同軸結(jié)構(gòu)加速段、長形定向靶分別安裝在所述真空外殼內(nèi)，所述真空外殼上設(shè)有薄壁區(qū)，作為中子定向出射區(qū)，所述長形定向靶的軸向?qū)?zhǔn)該薄壁區(qū)；所述真空外殼內(nèi)還安裝吸氣劑，所述吸氣劑預(yù)先吸附了充足的氘氣或氘氚混合氣體，通過改變吸氣劑中加熱子的加熱功率，控制氘氣或氘氚混合氣體的釋放與吸收，保持系統(tǒng)內(nèi)部真空度在合適的范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中 所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，所述圓筒形電極通過高壓絕緣座安裝在所述真空外殼內(nèi)，所述靶屏蔽極通過陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)支撐安裝在所述真空外殼內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，所述靶屏蔽極罩在所述長形定向靶上；所述靶屏蔽極與所述長形定向靶之間存在電位差，用于抑制靶上二次電子進(jìn)入加速段，保護(hù)離子源免于反向電子束的轟擊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7中所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，所述靶屏蔽極成圓柱形狀，頭部設(shè)置一個大尺寸的高壓球殼。
9.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，所述長形定向靶為長條形、長圓柱形或長多面體結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，所述矩形潘寧離子源的數(shù)量為一個或多個，沿所述長形定向靶的圓周放置，成倍增加離子束的強度；靶上對應(yīng)位置成為轟擊區(qū)域，中子產(chǎn)額成倍增加。
11.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，所述長形定向靶在出射方向上傾斜一個微小的傾斜角度，所述傾斜角度由長形定向靶長度及需要的定向投影面積確定，以使靶表層內(nèi)部產(chǎn)生的中子在出射方向順利出射，而不會受到靶體的阻擋。
12.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，其特征在于，通過改變所述長形定向靶的轟擊區(qū)域形狀，進(jìn)而改變出射方向的投影形狀，調(diào)節(jié)出射方向輸出的中子密度分布。
13.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，根據(jù)需要分別增加所述矩形潘寧離子源、同軸加速段、長形定向靶的長度，則相應(yīng)的中子產(chǎn)額基本成正比地增加。
14.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的小型定向高通量中子發(fā)生器，其特征在于，根據(jù)需要改變所述矩形離 子源的引出孔形狀，相應(yīng)地改變了引出束流的強度分布，得到所需分布形狀和密度的寬離子束。
【文檔編號】H05H3/06GK103813611SQ201410064404
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】何小海, 李彥, 張慧君, 婁本超, 唐君, 張欽龍, 劉百力, 劉灣, 黃瑾, 李艷 申請人:中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所