CN103813611B - 小型定向高通量中子发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在特定方向输出高通量中子的小型中子发生器。采用矩形结构潘宁离子源，引出有一定宽度的氘离子或氘氚混合离子，在同轴电场加速下，轰击长形定向靶，在靶轴线方向产生高通量的中子。由于矩形潘宁离子源和长形定向靶的长度不受限制，可以根据需要任意加长，因此离子源输出的离子束流强度、长形定向靶上承受的功率和相应的中子产额都可以大幅度提升。同时，长形定向靶在轴向投影面积很小，因此在此方向上中子通量比常规中子发生器的高出1～2个量级，适合应用于中子治疗、照相、爆炸物检测等有方向性要求的领域。

Description

小型定向高通量中子发生器

技术领域

本发明涉及核技术及应用领域，尤其涉及一种小型的加速器中子发生器。

背景技术

小型中子源一般分为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来产生中子，产额较低，寿命短。加速器中子源产额高，关断电源后没有中子产生，使用方便，可控性好，安全性较高。

加速器中子源是利用离子源产生的氘离子或氘氚混合离子，经过加速电场的加速，获得较高的能量，在靶上发生D/D或D/T聚变反应，在4π方向上放出中子。离子束轰击靶时产生很高的能量沉积，即使在通水冷却的条件下，靶上能够承受的功率密度也必须控制在一个合理的范围，保证靶的正常使用。

要进一步提升中子产额，必须增加离子束流强度或者离子束能量，都会在靶上产生更大的沉积功率。目前采用三种方式提升靶承受沉积功率的能力：一是加大离子束束斑直径，这种方法的优点是靶上可以承受更多的离子束注入，总的中子产额增加，这种方法的缺点是中子源的点源特性变差，准直比降低，这在很多应用领域都是不利的，比如：快中子照相、中子治疗、爆炸物检测等。二是中国专利CN203057673U（公开日为2013年1月27日）公开了一种采用旋转靶方式增加靶面积的方法，该方法的优点是可以在不增加束斑尺寸的条件下，提升靶承受沉积功率的能力，进而提升中子产额和通量，该方法的缺点是结构复杂，体积庞大，有运动机构，可靠性稍差，成本较高；三是中国专利CN201010238639.5（公开日为2010年7月28日）公开了一种采用气体靶的方法，该方法的优点是无固定靶，产额高，靶寿命长，该方法的缺点是技术难度高，真空系统体积庞大，能耗高，造价高。上述三种方法，缺少增加离子源强度的空间，在进一步需要提升中子通量时，离子源引出强度不足将成为制约中子产额提升的瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种小型中子发生器，在特定方向上产生高通量高准直比中子束，解决目前高产额中子发生器要么在特定方向上通量低，准直性能差，要么技术复杂，体积庞大，成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种小型定向高通量中子发生器，其特征在于，包括矩形潘宁离子源、同轴结构加速段、长形定向靶，所述矩形潘宁离子源、长形定向靶安装在所述同轴结构加速段内，所述矩形潘宁离子源沿所述长形定向靶的长度方向安装，所述长形定向靶的轴向为中子出射方向。所述同轴结构加速段提供同轴电场，所述矩形潘宁离子源引出的氘离子或氘氚混合离子，在同轴电场加速下，轰击对应的长形定向靶，产生高通量中子。采用长形定向靶后，长度的变化不影响其轴向投影面积，中子产额却大幅度增加，因此，在此方向上，单位立体角内中子通量大幅度增加，尤其适合高通量高准直比的应用场合。

所述同轴结构加速段包括圆筒形电极、靶屏蔽极，高压电源产生的高电位施加在圆筒形电极上，所述圆筒形电极与靶屏蔽极形成离子束引出、加速、聚焦所需的电场。

所述矩形潘宁离子源放置在所述圆筒形电极内，圆筒形电极放置在高电位端，所述长形定向靶放置在地电位端，所述矩形潘宁离子源阴极上开有引出孔或者长条形孔，用于引出宽离子束。

所述长形定向靶包括长形定向靶本体和内部冷却水通道，所述内部冷却水通道位于所述靶本体内，所述内部冷却水通道与外部的冷却水接入管道相连接。

所述小型定向高通量中子发生器，还包括真空外壳，所述矩形潘宁离子源、同轴结构加速段、长形定向靶分别安装在所述真空外壳内，所述真空外壳上设有薄壁区，作为中子定向出射区，所述长形定向靶的轴向对准该薄壁区；所述真空外壳内还安装吸气剂，所述吸气剂预先吸附了充足的D气或D/T混合气体，通过改变吸气剂中加热子的加热功率，控制D或D/T混合气体的释放与吸收，保持系统内部真空度在合适的范围。

所述圆筒形电极通过高压绝缘座安装在所述真空外壳内，所述靶屏蔽极通过陶瓷绝缘结构支撑安装在所述真空外壳内。

所述靶屏蔽极罩在长形定向靶上；靶屏蔽极与所述长形定向靶之间存在电位差，用于抑制靶上二次电子进入加速段，保护离子源免于反向电子束的轰击。

靶屏蔽极成圆柱形状，头部设置一个大尺寸的高压球壳。这样有效降低了表面场强，提升发生器的整体耐压性能。

优选的，所述长形定向靶为长条形、长圆柱体形或长多面体结构，其轴向的投影面积小，轴向输出中子的点源特性很好。

所述矩形离子源的数量为一个或多个，沿所述长形定向靶的圆周放置，成倍增加离子束的强度；靶上对应位置成为轰击区域，中子产额成倍增加。

更优化的方案是，所述长形定向靶在出射方向上倾斜一个微小的角度，具体倾斜角度由长形定向靶长度及需要的定向投影面积确定，以使靶表层内部产生的中子在出射方向顺利出射，而不会受到靶体的阻挡。

通过改变所述长形定向靶的轰击区域形状，进而改变出射方向的投影形状，调节出射方向输出的中子密度分布。

根据需要分别增加所述矩形潘宁离子源、同轴加速段、长形定向靶的长度，相应的中子产额基本成正比地增加。所述长形定向靶，其长度不受限制，可以任意增加，在承受离子束轰击密度一定的条件下，可以接受更多的离子束轰击。所述矩形离子源的引出长度不受限制，在引出密度相同的条件下，可以增加矩形离子源的长度来增加引出离子束的总强度。

根据需要改变所述矩形离子源的引出孔形状，也就相应地改变了引出束流的强度分布，得到所需分布形状和密度的宽离子束。

本发明的有益效果是，采用矩形离子源引出宽幅离子束，轰击长长形定向靶，既保证引出离子束流强不受限制，又保证靶上沉积功率不受限制，总的中子产额很高。更为有益的效果是在特定方向上可以输出高通量和高准直比中子束。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明实施例1的主视方向剖视图。

图2为本发明实施例1的右视图。

图3为本发明实施例2的主视方向剖视图。

图4为本发明实施例2的右视图。

图中：1--长形定向靶，2--矩形离子源，3--高压引入芯线，4--高压引入绝缘座，5--陶瓷绝缘支撑，6--储气材料，7--高压圆筒电极，8--靶屏蔽极，9--圆柱形真空外壳，10--冷却水管路的进、出水口，11--定向出射中子，12--被照射物。

具体实施方式

结合图1、图2所示，本发明的中子发生器包括以下几个部分长形定向靶1，矩形离子源2，高压引入芯线3，高压引入绝缘座4，陶瓷绝缘支撑5，储气材料6，高压圆筒电极7，靶屏蔽极8和圆柱形真空外壳9。

圆筒形电极7通过高压引入绝缘座4安装在真空外壳9内，靶屏蔽极8通过陶瓷绝缘结构支撑安装在真空外壳9内。高压引入芯线3将加在高压电源圆筒形电极上，在圆筒形电极之间形成离子束引出、加速、聚焦所需的电场。矩形潘宁离子源放置在圆筒形电极内电场高电位端，长形定向靶放置在地电位端，矩形潘宁离子源阴极上开一排引出孔或者长条形孔，用于引出宽离子束。内部冷却水通道嵌在靶本体内，内部冷却水通道通过冷却水管路的进、出水口10与外部的冷却水接入管道相连接。靶屏蔽极罩在长形定向靶上；靶屏蔽极与所述长形定向靶之间存在电位差，用于抑制靶上二次电子进入加速段，保护离子源免于反向电子束的轰击。靶屏蔽极成圆柱形状，头部设置一个大尺寸的高压球壳。这样有效降低了表面场强，提升发生器的整体耐压性能。

圆柱形真空外壳9内部真空保持在10^-2Pa。初始真空建立后，系统真空由储气材料6（吸气剂）维持。吸气剂预先吸附了充足的氘（D）气或氘氚（D/T）混合气体，通过改变吸气剂中加热子的加热功率，控制D或D/T混合气体的释放与吸收，保持系统内部真空度在合适的范围。真空外壳9上设有2mm壁厚度的圆形薄壁区，该薄壁区作为中子定向出射区，长形定向靶的轴向对准该薄壁区。定向出射区引出的定向出射中子射向被照射物12。

矩形离子源采用潘宁离子源结构，放置在高电位端。潘宁源的供电及控制简单，直流2kV电压，便于在100kV左右的高压端上供电及控制。离子源阴极上开一排引出孔或者长条形孔，引出宽离子束。调节孔径或开口尺寸，可以改变不同位置引出离子束的强度，在靶上产生需要的中子源密度分布。

靶屏蔽极，在离子源引出口和靶之间对应位置开一条尺寸略大于离子束的条形孔，形成离子束的入射通道。与靶之间施加-300V的直流电位，阻止靶上产生的二次电子溢出到加速电场中。

靶屏蔽极的尺寸比靶大，成圆柱形状，头部设置一个大尺寸的高压球壳，有效降低了表面场强，提升发生器的整体耐压性能。

长形定向靶放置在地电位，内部有水冷却结构，将离子束轰击产生的热量带走。长形定向靶面有小于5度的倾斜角度，其上产生的中子可以顺利地在规定方向出射。靶截面形状和尺寸则根据应用需要任意调整，在特定方向上获得所需的高通量、高准直比中子束。

实施例1

如图1和图2给出的长形定向靶为单面靶，在长度方向，靶面呈大于0度小于5度的倾斜角度，投影密度分布均匀，具体倾斜角度由长形定向靶长度及需要的定向投影面积确定。

离子束能量175keV，流强100mA，靶长度500mm，靶面积500mm×10mm，中子束引出方向的投影面积10×10mm，靶面承受的功率密度350W/cm²的热流密度。离子源的引出线密度为2mA/cm。

采用纯钛靶，靶厚度1mm，温升200度左右；采用铜基镀钛靶，温升10度左右；采用Al₂O₃陶瓷靶，温升170度左右，Al₂O₃陶瓷靶耐高温，抗轰击性能好，寿命长，可以承受更高密度的束流轰击。靶冷却水流量5L/min，温升50度左右。

D/T混合离子束轰击纯钛自成靶的中子产额约5×10¹¹n/s。D/T反应，垂直入射方向的产额比0度方向低5%左右。在距靶2米距离处，由于中子源的4π方向发射特性，中子通量比标准点源低80%左右，相当于靶面积为10mm×10mm，中子产额4×10¹¹n/s中子源在离子束入射方向产生的中子通量。

本领域的技术人员可以根据需要容易地增加矩形离子源的数量和靶的轰击面，得到更高产额的中子。

实施例2

如图3和图4给出的长形定向靶为圆柱形靶，改变圆柱形靶的轰击区域形状，使圆柱形靶受轰击的靶面向出射方向倾斜，形成锥形，则出射面的投影分布为圆环形，锥形锥面的倾斜角根据所需投影形状和大小设定。小于2在圆筒形电极的圆周上均匀放置10个矩形潘宁离子源。

离子束能量175keV，流强300mA，靶长度500mm，面积500mm×30mm，中子束引出方向的投影区域在直径10mm的圆环内，靶面承受的功率密度350W/cm²的热流密度。离子源的引出线密度为6mA/cm，每个离子源引出的线密度为0.6mA/cm。

采用纯钛靶，靶厚度1mm，温升200度左右。采用铜基镀钛靶，温升10度左右。采用Al₂O₃陶瓷靶，温升170度左右，Al₂O₃陶瓷耐高温，抗轰击性能好，寿命长，可以承受更高密度的束流轰击。靶冷却水流量15L/min，温升50度左右。

D/T混合离子束轰击纯钛自成靶的中子产额约1.5×10¹²n/s。D/T反应，垂直入射方向的产额比0度方向低5%左右。在距靶2米距离处，由于中子源的4π方向发射特性，中子通量比标准点源低80%左右。相当于靶直径10mm，中子产额1.2×10¹²n/s中子源在离子束入射方向产生的中子通量。

本领域的技术人员可以根据需要容易地增加矩形离子源的数量，降低单个离子源的引出密度，延长离子源的寿命，同时保证总中子产额不会降低。

作为具体实施方式，图1、图2给出的是单面长形定向靶，图3和图4给出的长形定向靶为带锥形变化的圆柱体靶。本领域技术人员当然能够理解，双面长形定向靶、以及属于长多面体的其他结构，如长圆柱体，长椭圆柱体，长三角体等等结构的靶同样适用作为本发明的长形定向靶，具有相同的技术效果。

由于矩形潘宁离子源和长形定向靶的长度不受限制，可以根据需要任意加长，因此离子源输出的离子束流强度、长形定向靶上承受的功率和相应的中子产额都可以大幅度提升。同时，长形定向靶在出射方向投影面积很小，因此在此方向上中子通量比常规中子发生器的高出1～2个量级，适合中子治疗、照相、爆炸物检测等有方向性要求的领域。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种小型定向高通量中子发生器，其特征在于，包括矩形潘宁离子源、同轴结构加速段、长形定向靶，所述矩形潘宁离子源、长形定向靶安装在所述同轴结构加速段内，所述矩形潘宁离子源沿所述长形定向靶的长度方向安装，所述长形定向靶的轴向为中子出射方向；所述同轴结构加速段提供同轴电场，所述矩形潘宁离子源引出的氘离子或氘氚混合离子，在同轴电场加速下，轰击对应的长形定向靶，产生高通量中子；所述长形定向靶在出射方向上倾斜一个微小的倾斜角度，所述倾斜角度由长形定向靶长度及需要的定向投影面积确定，以使靶表层内部产生的中子在出射方向顺利出射，而不会受到靶体的阻挡。

2.根据权利要求1所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，所述同轴结构加速段包括圆筒形电极、靶屏蔽极，高压电源产生的高电位施加在圆筒形电极上，所述圆筒形电极与靶屏蔽极形成离子束引出、加速、聚焦所需的电场。

3.根据权利要求2中所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，所述矩形潘宁离子源放置在所述圆筒形电极内，圆筒形电极放置在高电位端，所述长形定向靶放置在地电位端，所述矩形潘宁离子源阴极上开有引出孔或者长条形孔，用于引出宽离子束。

4.根据权利要求3所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，所述长形定向靶包括长形定向靶本体和内部冷却水通道，所述内部冷却水通道位于所述长形定向靶本体内，所述内部冷却水通道与外部的冷却水接入管道相连接。

5.根据权利要求4所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，还包括真空外壳，所述矩形潘宁离子源、同轴结构加速段、长形定向靶分别安装在所述真空外壳内，所述真空外壳上设有薄壁区，作为中子定向出射区，所述长形定向靶的轴向对准该薄壁区；所述真空外壳内还安装吸气剂，所述吸气剂预先吸附了充足的氘气或氘氚混合气体，通过改变吸气剂中加热子的加热功率，控制氘气或氘氚混合气体的释放与吸收，保持系统内部真空度在合适的范围。

6.根据权利要求5中所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，所述圆筒形电极通过高压绝缘座安装在所述真空外壳内，所述靶屏蔽极通过陶瓷绝缘结构支撑安装在所述真空外壳内。

7.根据权利要求1至6之一所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，所述靶屏蔽极罩在所述长形定向靶上；所述靶屏蔽极与所述长形定向靶之间存在电位差，用于抑制靶上二次电子进入加速段，保护离子源免于反向电子束的轰击。

8.根据权利要求7中所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，所述靶屏蔽极成圆柱形状，头部设置一个大尺寸的高压球壳。

9.根据权利要求1中所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，所述长形定向靶为长条形、长圆柱形或长多面体结构。

10.根据权利要求1所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，所述矩形潘宁离子源的数量为一个或多个，沿所述长形定向靶的圆周放置，成倍增加离子束的强度；靶上对应位置成为轰击区域，中子产额成倍增加。

11.根据权利要求1中所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，其特征在于，通过改变所述长形定向靶的轰击区域形状，进而改变出射方向的投影形状，调节出射方向输出的中子密度分布。

12.根据权利要求1中所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，根据需要分别增加所述矩形潘宁离子源、同轴加速段、长形定向靶的长度，则相应的中子产额基本成正比地增加。

13.根据权利要求3中所述的小型定向高通量中子发生器，其特征在于，根据需要改变所述矩形离子源的引出孔形状，相应地改变了引出束流的强度分布，得到所需分布形状和密度的宽离子束。