CN101916607A - 一种采用无窗气体靶的小型中子源 - Google Patents

一种采用无窗气体靶的小型中子源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用无窗气体靶的小型中子源，属于核技术及应用领域。本发明采用ECR离子源产生氘离子，直接通过高压引出电极引出，轰击用等离子体密封的无窗气体靶，由于无窗氘气体靶是采用等离子体密封的，因此它允许承受很高的流强的束流，同时由于氘离子穿过等离子体窗时的能损很小，因此中子产额较高。与中子管相比，本发明提出的中子源允许的束流强度高，中子产额高。与加速器中子源相比，加速器中子源体积大，系统复杂，造价高，本发明提出的中子源体积小，系统简单，造价低。与离子源直接进行氘氚反应产生中子的中子源相比，该离子源系统简单，造价低，没有氚的放射性处理以及循环问题。本发明具有非常广阔的应用前景。

Description

一种采用无窗气体靶的小型中子源
技术领域
本发明属于核技术及应用领域，具体涉及一种小型中子源。
背景技术
小型中子源主要有两种，一种是放射源中子源，另一种是小型加速器中子源。放射源中子源的中子流强低，使用寿命有限，产生的是直流的中子束。而加速器中子源可以产生较高的中子流强，可以产生直流或脉冲的中子束，在不工作的时间没有中子产生，放射性污染少。现有的加速器中子源有中子管，中子管(中子管的研究进展及应用，乔亚华，核电子学与探测技术。2008第6期)是利用离子源产生的氘离子经过加速管加速，轰击钛吸附靶产生中子，由于钛吸附靶的氘气密度低，允许承受的束流密度也比较低，所以产生的中子产额会比较低。其他小型的加速器中子源采用固体靶或者薄窗气体靶(A neutron production target for Franz，D.Petrich，M.Heil，et.al.Nuclear instrument and methods in physics research A.Vol.596，2008；Development of high pressure deuterium gas targets for the generation of intense mono-energetic fast neutron beams，J.Guzek，K.Richardson，C.B.Franklyn，et.al.Nuclear instrument and methods in physics research B.Vol.152，1999)，利用离子源直接进行氘氚反应可以得到较高的中子产额，但氚的使用成本很高，它的放射性处理和循环也是个很复杂的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的小型强流中子源，用以解决现有中子源的靶无法承受强束流，产生的中子流强不够的问题。
本发明的中子源包括以下几个部分，如图1所示：
1.ECR源，这种离子源具有引出流强高(可达80-100mA)，体积小的特点，可产生氘离子。
2.低能束流传输线，它是由加速管及螺线管聚焦透镜组成的，可将ECR离子源引出的氘离子加速到100-200keV，并将束流会聚成一个小束斑注入到气体靶中。它具有结构紧凑，体积小的特点。
3.使用等离子体窗密封的无窗气体靶。这种气体靶采用等离子体密封高压氘气。等离子体密封窗具有能承受强流，离子穿过等离子体窗时的能损小的特点。
本发明利用100-200keV的强流氘离子束轰击等离子窗密封的无窗氘气体靶。可以产生单能强流中子流。
本发明采用ECR离子源产生氘离子，直接通过高压引出电极引出，轰击用等离子体密封的无窗气体靶，由于无窗氘气体靶是采用等离子体密封的，因此它允许承受很高的流强的束流，同时由于氘离子穿过等离子体窗时的能损很小，因此中子产额较高。与中子管相比，本发明提出的中子源允许的束流强度高，中子产额高。与加速器中子源相比，加速器中子源体积大，系统复杂，造价高，本发明提出的中子源体积小，系统简单，造价低。与离子源直接进行氘氚反应产生中子的中子源相比，该离子源系统简单，造价低，没有氚的放射性处理以及循环问题。
附图说明
图1：本发明中子源结构示意图；
图2：本发明的用等离子体密封的无窗气体靶结构图；其中：
1-氘气的进气口；2-安装阴极的阴极底座，带有水冷管道；3-用钨做的阴极；4-用铜做的阳极板；5-中间夹有绝缘层的带水冷的铜板；6-真空泵；7-真空阀门；8-加在等离子体通道上的磁铁；9-等离子体通道；10-真空泵。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，对本发明作进一步阐述。
无窗气体靶的中子源主要分为以下几个部分：
1.ECR离子源
2.低能束流传输线。
3.无窗气体靶
氘离子束流从ECR离子源中产生，经过低能束流传输线送至无窗气体靶，与靶发生反应产生中子。
氘离子ECR离子源是一种产生氘离子的装置，它使用微波馈送功率，使离子源的放电室里的氘气电离产生等离子体。在放电室的端部安装有引出电极系统，将等离子体中的氘离子引出。可采用北大重离子所研制的氘离子ECR离子源，该离子源产生的束流流强很高。具体的技术指标是：离子源的引出电压为50kV，微波功率是1.5kW，引出的束流强度为50mA-80mA可调。
低能束流传输线的作用是将ECR离子源中引出的束流进行加速和传输，保证束流在传输到无窗气体靶的过程中损失尽可能的小。低能传输线主要由一段碟形的静电加速管和一个螺线管聚焦透镜组成的，加速管负责把氘离子从50kV加速至200kV。螺线管聚焦透镜的作用是将无窗气体靶入口处的束流聚焦成所要求的小束斑。该段束流传输线的传输效率可以达到90％。
无窗气体靶是利用小孔中的等离子体两端有非常大压力差的特性来密封靶内的高压气体。无窗气体靶的结构如图2所示。它的工作原理为：由进气口1先送出少量的氘气，使等离子体通道9内的气压约为几帕。在阴极和阳极之间加上一个1kV左右的引弧高压，可使等离子体通道内发生放电，放电后，通道内的电阻降低，阴极和阳极之间维持一个100V左右的电压，通道中通过的电流从50-200A可调。通道内通过的电流越大，在等离子体通道两端产生的压力差越大。此时可以通过进气口1将氘气充入到气室中。此时气室中的氘气压强P1可以达到105Pa。加在等离子孔道外的磁铁8是用来约束孔道中的等离子体的，这样可以改善等离子体的密封性能，降低等离子体窗所需的功耗以及提高两端的压强差。通过真空泵6和真空泵10的真空泵口抽气，可使P2的压强保持在10-2-10-3Pa。P3处的压强保持在10-4Pa。符合氘离子束传输的真空度的要求。
氘离子束和气室中的氘气发生反应，产生中子，在束流强度50mA、能量为200kV、气室中气压为105Pa的情况下，中子产额可达1011个/秒的量级，这个产额比现有的国内中子管产品产额高1到2个量级。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种小型中子源，其特征在于，包括ECR离子源、低能束流传输线和无窗气体靶，从ECR离子源中产生的离子束流，经过低能束流传输线送至无窗气体靶，与靶内气体发生反应产生中子，其中，无窗气体靶采用等离子体密封。
2.如权利要求1所述的中子源，其特征在于，所述无窗气体靶包括：依次连接的进气装置、等离子体窗、气室和真空泵，其中，等离子体窗包括一等离子体通道，在等离子体通道两端分别设有阴极和阳极，在等离子体通道的外侧设有磁铁来约束等离子体。
3.如权利要求1所述的中子源，其特征在于，所述低能束流传输线包括一段碟形的静电加速管和一个螺线管聚焦透镜，加速管用于将离子束流加速，螺线管聚焦透镜用于将无窗气体靶入口处的束流聚焦成小束斑。
4.如权利要求1所述的中子源，其特征在于，ECR离子源产生氘离子。
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