CN103366853B

CN103366853B - 一种可控同位素中子体源产生装置

Info

Publication number: CN103366853B
Application number: CN201310295989.9A
Authority: CN
Inventors: 李雪松; 欧阳晓平; 姜文刚; 张佳媚; 倪建忠; 余功硕; 解峰
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2033-07-15
Also published as: CN103366853A

Abstract

本发明一种可控同位素中子体源产生装置，包括上密封筒、下密封筒、调节装置、密封装置、铍片群、α粒子发射核素镀片群；调节装置包括设置在上密封筒上端部且可自转的旋转主杆以及固定在旋转主杆顶端的旋转把手；密封装置包括波纹管和连接体；连接体包括底面以及设置在底面上方且开口向上的螺纹孔；上密封筒和下密封筒密封连接；波纹管设置在下密封筒内，其上端开口与上密封筒下端开口密封连接，其下端开口与连接体底面密封。本发明针对同位素中子源的不可控性带来的安全和机动性差等问题，提出了一种可控的同位素中子体源产生装置。该装置通过控制两种反应核素的贴近和拉远来实现中子的产生和消失，达到可控目的。

Description

一种可控同位素中子体源产生装置

技术领域

本发明涉及核技术领域中子源的设计制造技术。具体涉及同位素中子源的设计技术。

背景技术

中子源在军民两用领域应用广泛。常用的中子源有加速器中子源、裂变中子源、绸密等离子体焦点中子源(DPF)和同位素中子源。前三类中子源属于可控中子源，其中加速器中子源和裂变中子源中子通量较高，具有较高的安全性，但是其装置巨大，无法移动，仅适合固定位置使用。绸密等离子体焦点中子源(DPF)虽然可控，但是它属于脉冲式间歇工作方式，文献“脉冲中子源中子产额稳定性的评定”(核电子学与探测技术，2008，第28卷，第3期)中报道的该类中子源的稳定性较差，不确定度最好仅达到22％，因此此类中子源在精确测量领域的应用受到很大的局限。同位素中子源利用两种核素混合后发生(α,n)核反应产生中子或利用核素自身裂变产生中子，目前使用的有Am－Be源，Pu－Be源、Ra－Be源和Cf自发裂变中子源。此类中子源可以连续发射中子，但是由于将两类物质进行了混合，所以无法分开它们，从而不可控；由于自发裂变是Cf-252的固有特性，因此此类自发裂变同位素中子源也是不可控的。由于无法控制中子，因此必须在中子源的周围添加屏蔽附件，如此给移动性和移动过程中的安全性带来较大困难。文献“一起镅-铍中子源放射事故辐射损伤分析”(中国辐射卫生，1999，第8卷，第4期)中分析了一起遗忘镅-铍中子源对人员的损伤情况，结果十分严重；如果此中子源可控，安全性将大大提高。以往设计的同位素中子源为两种核素的粉末混合压制而成，一旦制成无法控制，维护起来非常繁琐。

美国1989年5月9日授权了一项名为“Swatchableradioactiveneutronsourcedevice(放射性开关中子源装置)”的专利。该专利技术利用两种核素的交叉重叠实现中子的产生与消失，达到可控的目的。但是由于在此设计中，两种核素处于同一个控制片上，以交替方式布放，如此存在严重的边界效应，这种边界效应导致中子产率降低约12%(D.L.Browers等，Aswatchableradioactiveneutronsource:proof-of-principle)，并且无法完全实现中子的消失(即关断)，因此存在安全上的隐患。另外，该装置未对腔体抽真空，这样会进一步降低中子的产率，并加速核素的老化。

发明内容

针对同位素中子源的不可控性带来的安全和机动性差等问题，本发明提出了一种可控的同位素中子体源产生装置。该装置通过控制两种反应核素的贴近和拉远来实现中子的产生和消失，达到可控目的。

本发明解决相关技术难题所采用的技术方案是：

一种可控同位素中子体源产生装置，包括上密封筒、下密封筒、调节装置、密封装置、铍片群、α粒子发射核素镀片群；

所述调节装置包括设置在上密封筒上端部且可自转的旋转主杆以及固定在旋转主杆顶端的旋转把手；

所述密封装置包括波纹管和连接体；所述连接体包括底面以及设置在底面上方且开口向上的螺纹孔；

所述上密封筒和下密封筒密封连接；

所述波纹管设置在下密封筒内，其上端开口与上密封筒下端开口密封连接，其下端开口与连接体底面密封；

所述旋转主杆的底端部与连接体的螺纹孔形成螺纹连接；

所述铍片群位于下密封筒内且固定于连接体底面下方；

所述α粒子发射核素镀片群固定于下密封筒内侧底面；

所述铍片群包括多个平行设置的上基片，所述上基片为铍金属片或镀有铍金属的金属片；

所述α粒子发射核素镀片群包括多个平行设置的下基片；所述下基片为镀有α粒子发射核素的金属片；

所述铍片群的片数比α粒子发射核素镀片群的片数多1片；

所述铍片群的多个上基片和α粒子发射核素镀片群的多个下基片交叉放置且互不接触，且最外层为上基片。

上述调节主杆为空心结构，所述调节装置还包括设置在调节主杆内的标尺，其下端固定在连接体上，其上端伸出调节主杆。

上述下密封筒上设置有用于抽真空的抽气管。

上述铍片群的单片长宽尺寸比α粒子发射核素镀片群的单片长宽尺寸大，所述α粒子发射核素镀面位于下基片的上部。

上述α粒子发射核素镀片群的下片基材料为不锈钢、铝或铜，α粒子发射核素镀层厚度小于5μm。

上述铍片群的上片基材料为不锈钢、铝或铜，铍镀层厚度大于10μm。

上述上密封筒和下密封筒的材料为不锈钢、铝、聚四氟乙烯、聚乙稀或有机玻璃。

上述铍片群和α粒子发射核素镀片群的位置可以互换。

本发明具有如下优点：

1、产生中子的两种核素分别镀在两个不同的片基上，可以控制重合与分离，从而达到可控的目的。

2、控制两个镀片群的重叠区域大小可以控制产生中子的通量。

3、装置本身较小，在不产生中子时，防护屏蔽设施简单，机动性能强。

4、中子产率高，边界效应小。

附图说明

图1是可控同位素中子体源产生装置示意图；

图2是铍片(或镀铍片)与α粒子发射核素镀片的相对位置示意图；

其中：1－旋转把手；2－旋转主杆；3－上密封筒；4－法兰固定螺杆；5－法兰固定螺母；6－垫片；7－波纹管；8－连接体；9－铍片群；10－α粒子发射核素镀片群；11－下密封筒；12－抽气管；13－α粒子发射核素镀片群固定螺母；14－铍片群固定螺母；15－旋转主杆定位片；16－定位片固定螺母；17－密封法兰；18－螺纹孔；19－定位环；20－准直孔；21－标尺；22－α粒子发射核素镀面。

具体实施方式

一种可控同位素中子体源产生装置，包括旋转把手1、旋转主杆2、上密封筒3、垫片6、波纹管7、连接体8、铍片群9、α粒子发射核素镀片群10、下密封筒11、抽气管12；旋转把手1位于旋转主杆2的上部，旋转主杆2穿过准直孔20与连接体8上部连接；波纹管7位于上密封筒3的下部，包围连接体8；铍片群)位于连接体8的下部，通过铍片群固定螺母14固定；α粒子发射核素镀片群10位于铍片群9的下部，通过α粒子发射核素镀片群固定螺母13固定于下密封筒11的底部；下密封筒11与上密封筒3以密封法兰17连接。

旋转主杆2通过准直孔20插入上密封筒3之后，以定位环19进行定位，旋转主杆定位片15在定位片固定螺母16的固定下进一步固定旋转主杆2，旋转主杆2底部的螺纹与连接体8上部螺纹孔18匹配连接，转动旋转把手1可带动旋转主杆2转动，连接体8随着旋转主杆2的转动方向不同而上下运动，标尺21随着连接体8的上下运动而指示不同的刻度，用于指示所产生的中子数。

波纹管7的上部与上密封筒3的底部焊接，波纹管7的下部与连接体8的下部边缘焊接；

下密封筒11与上密封筒3通过法兰17进行连接时，在法兰17上添加垫片6，通过法兰固定螺杆4和法兰固定螺母5进行加固和密封。

下密封筒11的侧面设置抽气管12用于抽真空。

上密封筒3和下密封筒11的材料为不锈钢、铝、聚四氟乙烯、聚乙稀、有机玻璃等。

波纹管7的材料为不锈钢和有机材料。

α粒子发射核素镀片群10的片基材料为不锈钢、铝、铜等金属材料，α粒子发射核素镀层厚度小于5μm。

铍片群9的片基材料为不锈钢、铝、铜等金属材料，铍镀层厚度大于10μm，也可为整片的铍金属。

铍片群9的片数比α粒子发射核素镀片群10的片数多1片，两种片群交叉放置，互不接触，最外层为铍片群9的镀片或金属铍片。

铍片群9的单片长宽尺寸比α粒子发射核素镀片群10的单片长宽尺寸大，α粒子发射核素镀面22位于载片的上部。

旋转把手1可以手动操作，也可以采用其它的机械传动进行操作。

铍片群9和α粒子发射核素镀片群10的位置可以互换。

安装时，首先将波纹管上下端分别焊接在上密封筒的底部和连接体的边沿；将旋转主杆通过准直孔插入上密封筒，并通过螺纹与连接体上部螺纹孔进行连接，以定位环定位旋转主杆；将铍片群固定于连接体的底部表面；将α粒子发射核素镀片群固定于下密封筒的内部底平面；在下密封筒侧面开孔焊接抽气管用于抽真空；下密封筒与上密封筒通过密封法兰进行密封连接。转动旋转把手可带动旋转主杆转动，连接体随着旋转主杆的转动方向不同而上下运动，从而带动Be镀片群上下运动，实现与α粒子发射核素镀片群的重叠与分离，当重合时可产生中子，当分离时不再产生中子。

采用Geant4粒子与物质相互作用理论模拟程序对以上设计模式的中子源和原有方式粉末压制同位素中子源进行了理论模拟。粉末压制同位素中子源采用²⁴¹Am₂O₃和Be粉，两者质量比为12:1(普遍采用值)，粉末粒径为2～12μm均匀分布。本设计中，α粒子发射核素选择²⁴¹Am，镀层厚2μm，载片为304不锈钢，Be金属片厚度为0.5mm，两片之间的间距为0.5mm，Be金属片长宽尺寸比镀层长宽尺寸均大6mm。模拟结果表明粉末压制同位素中子源的模拟结果与实际的测量结果吻合的很好，而本发明的中子产率高出粉末压制同位素中子源70%。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

1、制作铍片群。选择金属⁹Be或者在不锈钢片上镀⁹Be，制作成一定厚度的片材，将做好的片材集成为图1所示铍片群(9)。

2、制作α粒子发射核素镀片群。选择一种或多种α粒子发射核素，选择一定厚度的不锈钢片作为片基材料；将α粒子发射核素镀在不锈钢片上，镀层厚度小于5μm；将做好的α粒子发射核素镀片集成为图1所示α粒子发射核素镀片群(10)。

3、采用无氧铜制作垫片(6)，采用不锈钢制作图1所示其它部件中。

4、装置组装过程如下：

1)将波纹管两端分别焊接于上密封筒底部和连接体底部；

2)将旋转主杆从准直孔插入上密封筒，并与连接体上部的螺纹孔对接，之后用旋转主杆定位片卡住定位环，并以螺母固定定位片，对旋转主杆进行限位；

3)将铍片群上部的平面与连接体底面重合后，以螺母固定；

4)以螺母将α粒子发射核素镀片群固定于下密封筒的内部底面；

5)将下密封筒垂直放置，在密封法兰上放置无氧铜垫片，使上密封筒与下密封筒同轴心，并保证铍片群与镀²⁴¹Am片群的各片平面平行，用力转动旋转把手，将连接体往上调节到最高状态，最后以螺杆螺母紧固密封法兰。

5、在抽气管上连接抽气系统，对以上密封容器抽真空至10Pa以下。

6、用力拧旋转把手，逐渐将铍片群往下调节，当两种片群开始重叠时，α粒子与铍反应开始产生中子，随着重叠区域的增加，中子数增大；反之，中子逐渐减少直至消失。通过标尺刻度可以标定不同重叠位置产生的中子通量。

实施例

1、制作铍片群。选择金属铍制作成厚度为0.5mm的铍片，将做好的铍片集成为图1所示铍片群(9)。

2、制作α粒子发射核素镀片群。选择²⁴¹Am为α粒子发射核素，选择厚度为0.5mm的不锈钢作为片基材料；将²⁴¹Am镀在不锈钢片上，镀层厚度2μm；将做好的镀²⁴¹Am片集成为图1所示α粒子发射核素镀片群(10)。

3、选择无氧铜制作密封法兰垫片。

4、其余部件均选择不锈钢材料制作。

5、组装过程如下：

1)将波纹管两端分别焊接于上密封筒底部和连接体底部；

3)将铍片群上部的平面与连接体底面重合后，以螺母固定；

4)以螺母将镀²⁴¹Am片群固定于下密封筒的内部底面；

5)将下密封筒垂直放置，在密封法兰上放置无氧铜垫片，使上密封筒与下密封筒同轴心，并保证铍片群与镀²⁴¹Am片群的各片平面平行，用力转动旋转把手，将连接体往上调节到最高状态，以螺杆螺母紧固。

6、用力拧旋转把手，逐渐将铍片群往下调节，当两种片群开始重叠时开始产生中子，随着重叠区域的增加，中子数增大；反之，中子逐渐减少直至消失。通过标尺刻度可以标定不同重叠位置产生的中子通量。

Claims

1.一种可控同位素中子体源产生装置，包括上密封筒(3)、下密封筒(11)、调节装置、密封装置、铍片群(9)、α粒子发射核素镀片群(10)；

所述调节装置包括设置在上密封筒上端部且可自转的旋转主杆(2)以及固定在旋转主杆顶端的旋转把手(1)；

所述密封装置包括波纹管(7)和连接体(8)；所述连接体包括底面以及设置在底面上方且开口向上的螺纹孔(18)；

所述上密封筒(3)和下密封筒(11)密封连接；

所述波纹管(7)设置在下密封筒(11)内，其上端开口与上密封筒(3)下端开口密封连接，其下端开口与连接体(8)底面密封；

所述旋转主杆(2)的底端部与连接体(8)的螺纹孔(18)形成螺纹连接；

所述铍片群(9)位于下密封筒(11)内且固定于连接体(8)底面下方；

所述α粒子发射核素镀片群(10)固定于下密封筒(11)内侧底面；

所述铍片群(9)包括多个平行设置的上基片，所述上基片为铍金属片或镀有铍金属的金属片；

所述α粒子发射核素镀片群(10)包括多个平行设置的下基片；所述下基片为镀有α粒子发射核素的金属片；

所述铍片群(9)的片数比α粒子发射核素镀片群(10)的片数多1片；

所述铍片群(9)的多个上基片和α粒子发射核素镀片群(10)的多个下基片交叉放置且互不接触，且最外层为上基片；

所述调节主杆为空心结构，所述调节装置还包括设置在调节主杆内的标尺，其下端固定在连接体(8)上，其上端伸出调节主杆。

2.根据权利要求1所述的可控同位素中子体源产生装置，其特征在于：所述下密封筒(11)上设置有用于抽真空的抽气管(12)。

3.根据权利要求2所述的可控同位素中子体源产生装置，其特征在于：所述铍片群(9)的单片长宽尺寸比α粒子发射核素镀片群(10)的单片长宽尺寸大，所述α粒子发射核素镀面位于下基片的上部。

4.根据权利要求3所述的可控同位素中子体源产生装置，其特征在于：所述α粒子发射核素镀片群(10)的下片基材料为不锈钢、铝或铜，α粒子发射核素镀层厚度小于5μm。

5.根据权利要求4所述的可控同位素中子体源产生装置，其特征在于：所述铍片群(9)的上片基材料为不锈钢、铝或铜，铍镀层厚度大于10μm。

6.根据权利要求5所述的可控同位素中子体源产生装置，其特征在于：所述上密封筒(3)和下密封筒(11)的材料为不锈钢、铝、聚四氟乙烯、聚乙烯或有机玻璃。

7.根据权利要求6所述的可控同位素中子体源产生装置，其特征在于：所述铍片群(9)和α粒子发射核素镀片群(10)的位置可以互换。