CN103176202B - 一种氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置及其测量方法。在氘氚中子管抽真空或密封前，在靶位置安装一适当厚度的铝膜，根据氘离子与金属离子在铝膜中的射程不同，在铝膜的厚度适当的情况下，重离子能够被完全阻止在铝膜内，氘离子则能够穿过铝膜。将穿过铝膜的氘离子束流除以总的离子束流（穿过的离子束流与阻止在铝膜中的离子束流之和），即可获得氘离子束流的成份。本发明的测量装置结构简单，操作容易，能够在中子管靶附近原位有效的测量氘离子束流成份，离子束不发散，测量方法准确性较高。本发明的设备材料简便，容易制备和购置，同时可以抑制二次电子对测量的影响。

Description

一种氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于加速器领域，具体涉及一种氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置及其测量方法，尤其是指能够对氘氚中子管中打到氚靶上的氘离子束流成份进行测量的装置和方法。
背景技术
氘氚聚变中子管在无损检测和石油测井领域中有着广泛的应用，氘氚中子管是由离子源、加速电极、氚靶和气压调节系统等组成。其工作原理是由离子源放电产生氘离子，经加速电极加速后打到氚靶上，形成氘氚聚变反应产生14MeV中子。离子源在放电过程中既产生氘离子，也产生氘分子离子和金属离子。对产生中子有用的是氘离子，而其他离子束流不仅对氚靶有损伤，而且会降低氘氚中子管的耐压性能。因此氘离子束流成份越高，意味着中子管中离子源的性能越好。在氘氚中子管中，不同类型的离子源会有不同的氘离子束流成份，即使同一类型的离子源，随着结构和材料的差别，其氘离子束流成份也会有所不同。因此，为了选择品质优良的离子源，或者改善离子源的性能，必须测量打到氚靶上的氘离子束流的成份。但是，到目前为止，还没有一种能够有效测量打到氚靶上氘离子束流的方法。这是因为氘氚中子管体积很小，离子源引出口到达氚靶的距离很短，大部分不超过5cm，这么短的距离要放置氘离子束流成份测量设备几乎不可能。所以只有把离子源输出的离子束流引出后，用质谱法或者飞行时间法进行分析测量，才能获得氘离子束流成份，例如，1996年发表在“真空放电和绝缘国际讨论会文集”中的名称为“脉冲含氢钛电极火花离子源的离子发射”的文章采用了飞行时间法测量氘离子束流成份，其离子源引出口与粒子收集距离达到1m多。2010年，发表在国内刊物“强激光与粒子束”第五期的名称为“含氢电极脉冲放电等离子体特性诊断”的文章，介绍了用飞行时间法测量离子源的氢离子束流成份，离子源出口与测量靶距离为几十厘米，引出(加速)电压只有不到1kV，这些方法都不能用于原位测量到达中子管靶上的氘离子束流成份。
发明内容
本发明的目的是提供一种氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置，本发明的另一个目的是提供一种氘氚中子管氘离子束流成份的测量方法。本发明的原理是：在氘氚中子管抽真空或密封前，在靶位置安装一适当厚度的铝膜，因为氘离子与金属离子在铝膜中的射程不同，在铝膜的厚度适当的情况下，重离子能够被完全阻止在铝膜内，氘离子则能够穿过铝膜。将穿过铝膜的氘离子束流除以总的离子束流（穿过的离子束流与阻止在铝膜中的离子束流之和），即可获得氘离子束流成份。
本发明的氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置，其特点是，所述的装置包括铝膜、铝片、第一永磁铁、第一电阻、示波器、第二永磁铁和第二电阻；其连接关系是，在氚靶位置设置一个面积等于氚靶面积的铝膜，铝膜的厚度可根据srim程序计算，与氚靶面积相同的铝片置于铝膜后部，为了抑制二次电子，设置第一永磁铁、第二永磁铁环绕设置于铝膜的四周，磁铁的磁感应强度可以根据入射离子的能量推算，铝膜、铝片分别与第一电阻、第二电阻的一端连接；第一电阻、第二电阻的另一端分别连接到电源的地线上，第一电阻、第二电阻的另一端还分别与示波器的电压探针连接。
所述的第一永磁铁、第二永磁铁形状均为1/4圆环形，第一永磁铁、第二永磁铁磁场的方向与离子束流入射方向垂直设置。铝膜厚度需要根据入射离子的能量进行更换。
所述的铝膜与铝片平行设置。
所述的铝膜与铝片之间的距离为1~5mm。
本发明的氘氚中子管氘离子束流成份的测量方法，依次包括以下步骤：
a)在氚靶位置设置一面积等于氚靶面积的铝膜；
b)将铝膜附着在铜环上，在铝膜后设置一个面积与氚靶面积相同的铝片；
c)在铝膜和铝片的四周环绕设置一对永磁铁，永磁铁的磁场方向与离子束流入射方向垂直；
d)在铝膜和铝片边缘分别引出一根导线，导线通过电阻接地；
e)对于直流型中子管束流成份的测量，直接用数字万用表测量电阻上两端的电压，分别测量铝片上的电压和铝膜上的电压，根据式（1），测得的氘离子束流比例R1
……………………………（1）
式中，表示铝片上的电压，表示铝膜上的电压。
所述的步骤e）中对于脉冲型中子管束流成份的测量，采用示波器测量电阻两端的脉冲电压峰值,分别测量铝片上的电压峰值和铝膜上的电压峰值，根据式（2），得到的氘离子束流成份比例R2
……………………………（2）
式中，代表铝片上测到的离子束流峰值，代表铝膜上测到的束流峰值。
本发明的氘氚中子管氘离子束流成份的测量方法能够在中子管靶附近原位有效的测量氘离子束流成份，离子束不发散，测量准确性较高，不仅可以测量直流型氘氚聚变中子管，也可以测量脉冲型氘氚聚变中子管。本发明的测量装置结构简单，操作容易。
本发明不受中子管能量和流强的限制，并且使用的设备材料简便，容易制备和购置，同时可以抑制二次电子对测量的影响。
附图说明
图1为本发明的氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置结构示意图;
图中:1.铝膜    2.铝片     3.第一永磁铁     4.第一电阻     5.示波器     6.第二永磁铁     7.第二电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1
图1为发明的氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置的结构示意图，在图1中，本发明的氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置包括铝膜1、铝片2、第一永磁铁3、第一电阻4、示波器5、第二永磁铁6和第二电阻7；其连接关系是，在氚靶位置设置一个面积等于氚靶面积的铝膜1，与氚靶面积相同的铝片2置于铝膜1后部，第一永磁铁3、第二永磁铁6环绕设置于铝膜1的外围。铝膜1与第一电阻4的一端连接，铝片2与第二电阻7的一端连接，第一电阻4、第二电阻7的另一端分别连接到电源的地线上，第一电阻4、第二电阻7的另一端还分别与示波器5的电压探针连接。
本实施例中，离子源引出口与铝膜1间距为3cm，铝膜1直径为40mm，购置铝膜1的面积为40mm，铝膜的厚度为300nm，中子管的加速电压为68~73kV，铝膜1附着在外径为40mm，内径为36mm的铜环上，铜环的厚度为1mm，在铜环上焊接一根导线，导线通过接头连接到中子管外，与第一电阻4相连接。在距离铝膜1的2mm处平行设置一个铝片2，铝片2上焊接一根导线，导线通过接头连接到中子管外，与第二电阻7相连接。在铝膜1和铝片2的四周设置一对永磁铁，永磁体的磁场方向与离子束流入射方向垂直。永磁铁为两个1/4圆环形的镍钴型永磁铁环，即第一永磁铁3和第二永磁铁6，永磁铁环中心的磁感应强度为0.03特斯拉，用于抑制二次电子。
在测量时，第一电阻4和第二电阻7均选取50Ω精密电阻，示波器采用DPO3000系列存储示波器。使用示波器分别对铝膜和铝片上的束流进行测量。根据式（2），得到的氘离子束流成份比例R2
……………………………（2）
式中，代表铝片上测到的离子束流峰值，代表铝膜上测到的束流峰值。
实施例2
本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是铝膜厚度为700nm，铝膜与铝片之间的距离为3mm，中子管的加速电压为110kV~120kV。
对于直流型中子管束流成份的测量，则直接用数字万用表测量电阻上两端的电压，分别测量铝片上的电压和铝膜上的电压，根据式（1），测得的氘离子束流比例R1为：
……………………………（1）
式中，表示铝片上的电压，表示铝膜上的电压。

Claims (6)

1.一种氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置，其特征在于，所述的测量装置包括铝膜（1）、铝片（2）、第一永磁铁（3）、第一电阻（4）、示波器（5）、第二永磁铁（6）和第二电阻（7）；其连接关系是，在氚靶位置设置一个与氚靶面积相同的铝膜（1），与氚靶面积相同的铝片（2）置于铝膜（1）后部，第一永磁铁（3）、第二永磁铁（6）环绕设置于铝膜（1）的外围；铝膜（1）、铝片（2）分别与第一电阻（4）、第二电阻（7）的一端连接，第一电阻（4）、第二电阻（7）的另一端分别连接到电源的地线上，第一电阻（4）、第二电阻（7）的另一端还分别与示波器（5）的电压探针连接。
2.根据权利要求1所述的氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置，其特征在于，所述的第一永磁铁（3）、第二永磁铁（6）的形状均为1/4圆环形，第一永磁铁（3）、第二永磁铁（6）的磁场方向与离子束流入射方向垂直设置。
3.根据权利要求1所述的氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置，其特征在于，所述的铝膜（1）与铝片（2）平行设置。
4.根据权利要求1所述的氘氚中子管氘离子束流成份的测量装置，其特征在于，所述的铝膜（1）与铝片（2）之间的距离为1~5mm。
5.一种氘氚中子管氘离子束流成份的测量方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
a)在氚靶位置设置一面积等于氚靶面积的铝膜；
b)将铝膜附着在铜环上，在铝膜后设置一个面积与氚靶面积相同的铝片；
c)在铝膜和铝片的四周环绕设置一对永磁铁，永磁铁的磁场方向与离子束流方向垂直；
d)在铝膜和铝片边缘分别引出一根导线，导线通过电阻接地；
e)对于直流型中子管束流成份的测量，直接用数字万用表测量电阻上两端的电压，分别测量铝片上的电压和铝膜上的电压，根据式（1），测得的氘离子束流比例R1
……………………………（1）
式中，表示铝片上的电压，表示铝膜上的电压。
6.根据权利要求5所述的氘氚中子管氘离子束流成份的测量方法，所述的步骤e）采用下列内容替代：对于脉冲型中子管束流成份的测量，采用示波器测量电阻两端的脉冲电压峰值,分别测量铝片上的电压峰值和铝膜上的电压峰值，根据式（2），得到的氘离子束流成份比例R2
……………………………（2）
式中，代表铝片上测到的离子束流峰值，代表铝膜上测到的束流峰值。
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