CN103971779A - 一种小型中子源及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小型中子源及其制备方法，特别是涉及采用场致离子发射产生中子的技术领域。为了解决传统中子源体积大、使用不便、成本高、应用受限等问题，本发明提供的中子源是利用碳纳米管等一维纳米结构材料的曲率半径小的特点，以碳纳米管等一维纳米结构材料作为场致离子发射电极。通过在栅极电极上施加电压，在CNTs等一维纳米结构的尖端附近形成巨大的负电场强，使氘气或氚气电离成离子，离子加速后高速轰击富含氘或者氚元素的靶材，从而复合并释放出中子。本发明提供的中子源结构简单、体积小、成本低、无辐射影响、使用方便等特点，可以在中子成像、元素分析、仪器校正、中子验证等方面广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型中子源及其制备方法，特别是涉及采用场致离子发射产生中子的技术领域。
背景技术
中子源是能够产生中子的装置，是中子核反应、中子衍射、中子成像等不可缺少的设备。自由中子很不稳定，很容易衰变成质子并放出电子和反电中微子，因此它的寿命平均只有15min，无法长期储存。因此以上应用中必须源源不断供应中子。目前产生中子主要有以下3种方法：1、放射性同位素中子源：体积小，设备简单，使用方便。如（α，n）中子源利用核反应9Be+α→12C +n+5.701兆电子伏特（MeV），将放射α射线的238Pu、226Ra或者241Am同金属铍粉按照一定比例均匀混合压制成小圆柱密封在金属壳中。（γ，n）中子源利用核反应发出的γ射线来产生中子，有24Na-Be源，124Sb-Be源等。2、加速器中子源：利用加速器加速带电粒子轰击适当的靶核，通过核反应产生中子，最常见的核反应是（d，n）、（p，n）等，其中子强度较大，可以在很宽的能区上获得单能中子。加速器采用脉冲调制后，可以成为脉冲中子源。3、反应堆中子源：利用原子裂变反应堆产生大量中子。在反应堆的壁上开孔，即可把中子引出。这种方法得到的中子能量是连续分布的，很接近麦克斯韦分布。
在所有中子源中，同位素中子源有着成本底高、半寿命短、反应出现辐射，后期处理困难等缺点；反应堆中子源则有着系统复杂、体积大、成本底高和反应出现辐射、后期处理困难等缺点。本发明所给出的中子源是一种加速器中子源。相比于本发明的加速中子源，其他加速中子源有着不同的缺点。如7Li(p,n)7Be反应加速器中子源，它还需要解决强流直线加速器技术问题、强流束条件下的Li靶技术问题、和中子产额、中子能谱、中子角分布的实验测量等问题；9Be（p，n）加速器中子源存在着能谱连续，单能性差的缺点；加速器白光中子源由于需要通过高能电子轰击高原子序数的厚金属靶，产生强的韧致辐射光子，然后光子和靶核反应产生中子。这使得加速器白光中子源的造价非常高昂。
本发明是基于CNTs离子源来制备中子的中子源。碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是1991 年才被发现的一种碳结构,它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状"纤维"，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100 倍。碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等。碳纳米碳管还具有特别的场发射性能，具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、不需要加热和高真空等优点。
现有技术中，有基于其他离子源（如潘宁源）来制备中子的中子源。但是利用潘宁源来制备的中子源也有着很多的缺点。潘宁源的离子引出效率不高，原子离子含量也不大，潘宁源的等离子体参数的诊断还不全面准确，尤其是在不同放电条件下的等离子体密度和电子温度等。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种小型中子源及其制备方法，是基于CNTs离子源来制备中子的中子源，制备而成的中子源结构简单、体积小、成本低、无辐射影响、使用方便等特点，可以在中子成像、元素分析、仪器校正、中子验证等方面广泛应用。本发明采用如下技术方案：
一种小型中子源，其特征在于，包括离子枪、阳极靶和绝缘套筒；
所述离子枪为产生离子束的部件，包括接地或者接正电压的CNTs场致离子发射电极、接负高压的栅极和绝缘基座，所述的CNTs场致离子发射电极和栅极封装在绝缘基座上，所述离子枪内充斥着待电离的气体；
所述的CNTs场致离子发射电极为将生长在基片上的碳纳米管阵列固定在场致离子发射电极上；
所述阳极靶为受离子束轰击并产生中子的阳极；
所述的离子枪和阳极靶封装在绝缘套筒的两端。
作为优选，所述的栅极由金属钼、铜、不锈钢、钨、碳等材料的一种或者合金制备的栅网组成；所述的待电离的气体为氘气或者氚气；所述的绝缘基座为陶瓷基座。
作为优选，所述的基片为导电材料；所述的场致离子发射电极由不锈钢、铜或者钼等导电材料制成。
此小型中子源的制备方法如下：
a、在基片上制备碳纳米管阵列，形成CNTs场致离子发射阵列；
b、将CNTs场致离子发射阵列固定在由金属材料制成的场致离子发射电极上，得到CNTs场致离子发射电极；
c、将接地或者接正电压的CNTs场致离子发射电极和接负高压的栅极封装在绝缘基座上，组成离子枪；
d、将离子枪和阳极靶封装在绝缘套筒两端。
其中，步骤a中所述的CNTs场致离子发射阵列是通过以下方式制得：采用化学气相沉积的方法、丝网印刷的方法或者电泳方法，将碳纳米管阵列制备在基片上。
此外，本发明提供的中子源还可以有多种变形，例如加上聚焦电极。将聚焦电极设置在离子枪和阳极靶之间，所述的聚焦电极为接聚焦压的金属材料制备的电极；所述的聚焦电极安装在绝缘套筒上。
作为优选，所述的聚焦电极的金属材料为不锈钢、钼、铜或纯铁。
所述的小型中子源包括聚焦电极，所述的聚焦电极设置在离子枪和阳极靶之间；所述的聚焦电极为接聚焦压的
本发明提供的含有聚焦电极的中子源，采用以下步骤制备而成：
a、在基片上制备碳纳米管阵列，形成CNTs场致离子发射阵列；
b、将CNTs场致离子发射阵列固定在由金属材料制成的场致离子发射电极上，得到CNTs场致离子发射电极；
c、将CNTs场致离子发射电极和栅极封装在绝缘基座上，组成离子枪；
d、将聚焦电极安装在绝缘套筒上，当离子束通过圆环时，离子束将会被聚焦；
e、将离子枪和阳极靶依次封装在绝缘套筒两端。
其中，步骤a中所述的CNTs场致离子发射阵列是通过以下方式制得：采用化学气相沉积的方法、丝网印刷的方法或者电泳的方法，将碳纳米管阵列制备在基片上。
本发明的有益效果如下：
1. 本发明的中子源的基本原理为：碳纳米管（CNTs）等一维纳米结构材料的尖端非常细小，将碳纳米管等一维纳米结构材料组成场致离子发射电极，栅极加相对于场致离子发射电极的负电压，使在CNTs的尖端附近形成巨大的负电场强。强电场能够电离氘气或者氚气产生氘或者氚离子，离子加速后高速轰击富含氘或者氚元素的靶材，从而复合并释放出中子。
2. 本发明提供的中子源是利用碳纳米管（CNTs）等一维纳米结构材料的尖端非常细小的特点，能够在CNTs的尖端附近形成巨大的场强，从而电离氘或者氚气产生氘或者氚离子。从原理中可以看出，本发明所给出的中子源结构简单、体积小、成本低、无辐射影响、使用方便等特点。这样的中子源可以在中子成像、元素分析、仪器校正、中子验证等方面有着广泛的应用。
附图说明
图1为离子枪的原理图，其中1为制备CNTs等一维纳米结构阵列的基片，2为CNTs等一维纳米结构阵列，3为栅极；
图2 为含有聚焦电极的中子源结构图，其中1为制备CNTs等一维纳米结构阵列的基片，2为CNTs等一维纳米结构阵列，3为栅极，4为聚焦电极，5为绝缘陶瓷套筒，6为阳极靶，7为中子出口，8为气体进气口，9为离子枪的陶瓷基座，10为离子枪；
图3 为不含有聚焦电极的中子源结构图，其中1为基片，2为CNTs等一维纳米结构阵列，3为栅极，5为绝缘陶瓷套筒，6为阳极靶，7为中子出口，8为气体进气口，9为离子枪的陶瓷基座，10为离子枪。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。以下仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
实施例1
一种小型的中子源器件，主要由以下四个部分组成：
离子枪：离子枪是用于产生氘离子束或者其他离子束的部件，由CNTs场致离子发射电极、栅网和陶瓷基座组成。场致离子发射电极接地或者正电压，栅网接负高压，离子枪中充斥着氘气或者氚气或者其他气体。所述的CNTs场致离子发射电极为将生长在基底上的碳纤维管阵列或其他一维纳米结构阵列固定在场致离子发射电极上。其原理图如附图1所示。
绝缘套筒：绝缘套筒主要由陶瓷或者其他绝缘材料构成，其两端分别为离子枪和阳极靶。靠近阳极靶的一端的壁上开有一个孔，用于中子束的引出（如图2中的7所示，为中子出口）。靠近离子枪的一段也开有一个小孔，用于气体的注入（如图2中的8所示，为气体进气口）。
聚焦电极：由不锈钢、纯铁、铜或者钼制成，聚焦电极接聚焦压。当离子束通过聚焦电极时，离子束将会被聚焦。
阳极靶：利用某些金属（如Ti、钯等）能够吸收氘或者氚的特性制成阳极靶，并且将其充分吸收氘或者氚。当离子束轰击在阳极靶上时，离子能够和氘或者氚反应生成中子。
如图2所示，将聚焦电极固定在绝缘套筒内的合适位置，将离子枪和阳极靶封装在绝缘套筒两端。
实施例2
作为实施例1的变形，此小型的中子源可以将聚焦电极去掉，直接由离子枪、绝缘套筒和阳极靶组成。
离子枪：离子枪是用于产生氘离子束或者其他离子束的部件，由CNTs场致离子发射电极、栅网和陶瓷基座组成。场致离子发射电极接地或者正电压，栅网接负高压，离子枪中充斥着氘气或者氚气或者其他气体。所述的CNTs场致离子发射电极为将生长在基底上的碳纤维管阵列或其他一维纳米结构阵列固定在场致离子发射电极上。其原理图如附图1。
绝缘套筒：绝缘套筒主要由陶瓷或者其他绝缘材料构成，其两端分别为离子枪和阳极靶。靠近阳极靶的一端的壁上开有一个孔，用于中子束的引出（如图2中的7所示，为中子出口）。靠近离子枪的一段也开有一个小孔，用于气体的注入（如图2中的8所示，为气体进气口）。
阳极靶：利用某些金属（如Ti、钯等）能够吸收氘或者氚的特性制成阳极靶，并且将其充分吸收氘或者氚。当离子束轰击在阳极靶上时，离子能够和氘或者氚反应生成中子。
如图3所示，将离子枪和阳极靶封装在绝缘套筒两端。
实施例3
实施例1中的中子源的制备方法如下：
1)将CNTs阵列或者其他类似的一维纳米结构的材料生长在硅片或者其他基片上，作为场致离子发射源。
2)将生长的CNTs阵列固定在由不锈钢或者其他金属材料制成的场致离子发射电极上，再将由金属钼或者其他材料制备的栅网组成的栅极和场致离子发射电极一起封装进陶瓷或者其他绝缘基座上，组成离子枪。
3)将聚焦电极固定在绝缘套筒内的合适位置。
4)将离子枪，阳极靶按图2所示封装在绝缘套筒两端。
实施例4
实施例2中的中子源的制备方法如下：
1)将CNTs阵列或者其他类似的一维纳米结构的材料生长在硅片或者其他基片上，作为场致离子发射源。
2)将生长的CNTs阵列固定在由不锈钢或者其他金属材料制成的场致离子发射电极上，再将由金属钼或者其他材料制备的栅网组成的栅极和场致离子发射电极一起封装进陶瓷或者其他绝缘基座上，组成离子枪。
3)将离子枪，阳极靶按图3所示封装在绝缘套筒两端。
实施例5
一种中子源的制备方法，包括以下内容：
1)使用微波等离子体化学气相沉积（MWCVD）或者其他方法制备出CNTs场致离子发射阵列。
2)将CNTs场致离子发射阵列固定在由不锈钢制成的阴极上，再将由金属钼或者其他材料制备的栅网组成的栅极和阴极一起封装进陶瓷基座上，组成离子枪。
3)将聚焦电极固定在绝缘套筒内的合适位置。
4)将离子枪，阳极靶按图2依次封装在绝缘套筒两端。
实施例6
一种中子源的制备方法，包括以下内容：
1)使用丝网印刷的方法将CNTs生长在金属基片上。
2)将生长有CNTs的硅片粘在由不锈钢制成的阴极上，再将由金属钼或者其他材料制备的栅网组成的栅极和阴极一起封装进陶瓷基座上，组成离子枪。
3)将聚焦电极固定在绝缘套筒内的合适位置。
4)将离子枪，阳极靶按图2依次封装在绝缘套筒两端。
实施例7
一种中子源的制备方法，包括以下内容：
1)用CVD（化学气相沉积）或者其他方法在硅片上生长一维纳米材料结构的材料。
2)将生长一维纳米材料的硅片粘在由不锈钢制成的阴极上，再将由金属钼制备的栅网组成的栅极和阴极一起封装进陶瓷基座上，组成离子枪。
3)将聚焦电极固定在绝缘套筒内的合适位置。
4)将离子枪，阳极靶按图2封装在绝缘套筒两端。
实施例8
一种中子源的制备方法，包括以下内容：
1)使用微波等离子体化学气相沉积（MWCVD）或者其他方法制备出CNTs场致离子发射阵列。
2)将CNTs场致离子发射阵列固定在由不锈钢制成的阴极上，再将由金属钼或者其他材料制备的栅网组成的栅极和阴极一起封装进陶瓷基座上，组成离子枪。
3)将离子枪，阳极靶按图3依次封装在绝缘套筒两端。
实施例9
一种中子源的制备方法，包括以下内容：
1)使用丝网印刷的方法将CNTs生长在金属基片上。
2)将生长有CNTs的基片固定在由不锈钢制成的阴极上，再将由栅网组成的阳极和阴极一起封装进陶瓷基座上，组成离子枪。
3)将离子枪，阳极靶按图3依次封装在绝缘套筒两端。
实施例10
一种中子源的制备方法，包括以下内容：
1)用CVD（化学气相沉积）或者其他方法在基片上生长一维纳米材料结构的材料。
2)将生长一维纳米材料的基片粘在由不锈钢制成的阴极上，再将由金属钼制备的栅网组成的栅极和阴极一起封装进陶瓷基座上，组成离子枪。
3)将离子枪，阳极靶按图3依次封装在绝缘套筒两端。
Claims (8)
1.一种小型中子源，其特征在于，包括离子枪、阳极靶和绝缘套筒；
所述离子枪为产生离子束的部件，包括接地或者接正电压的CNTs场致离子发射电极、接负高压的栅极和绝缘基座，所述的CNTs场致离子发射电极和栅极封装在绝缘基座上，所述离子枪内充斥着待电离的气体；
所述的CNTs场致离子发射电极为将生长在基片上的碳碳纳米管阵列固定在场致离子发射电极上；
所述阳极靶为受离子束轰击并产生中子的阳极；
所述的离子枪和阳极靶封装在绝缘套筒的两端。
2.根据权利要求1所述的小型中子源，其特征在于，所述的栅极由钼、铜、不锈钢、钨或石墨制备的栅网组成；所述的待电离的气体为氘气或者氚气；所述的绝缘基座为陶瓷基座。
3.根据权利要求1-2任一项所述的小型中子源，其特征在于，所述的小型中子源包括聚焦电极，所述的聚焦电极设置在离子枪和阳极靶之间；所述的聚焦电极为接聚焦压的金属材料制备的电极；所述的聚焦电极安装在绝缘套筒上。
4.根据权利要求3所述的小型中子源，其特征在于，所述的聚焦电极的金属材料为不锈钢、钼、铜或铁。
5.根据权利要求1-2任一项所述的小型中子源的制备方法，其特征在于包括以下内容：
a、在基片上制备碳纳米管阵列，形成CNTs场致离子发射阵列；
b、将CNTs场致离子发射阵列固定在由金属材料制成的电极上，得到CNTs场致场致离子发射场致离子发射电极；
c、将CNTs场致离子发射电极和栅极封装在绝缘基座上，组成场致发射离子枪；
d、将离子枪和阳极靶封装在绝缘套筒两端。
6.根据权利要求5所述的小型中子源的制备方法，其特征在于，步骤a中所述的CNTs场致离子发射阵列是通过以下3种方式制得：1）采用化学气相沉积的方法在基片上制备碳纳米管阵列；2）采用印刷方法在基片上制备碳纳米管阵列；3）采用电泳的方法在基片上制备碳纳米管阵列。
7.根据权利要求3所述的小型中子源的制备方法，其特征在于包括以下内容：
a、在基片上制备碳纳米管阵列，形成CNTs场致离子发射阵列；
b、将CNTs场致离子发射阵列固定在由金属材料制成的场致离子发射电极上，得到CNTs场致离子发射电极；
c、将接地或者接正电压的CNTs场致离子发射电极和接负高压的栅极封装在绝缘基座上，组成离子枪；
d、将聚焦电极的安装在绝缘套筒上；
e、将离子枪和阳极靶封装在绝缘套筒两端。
8.根据权利要求7所述的小型中子源的制备方法，其特征在于，步骤a中所述的CNTs场致离子发射阵列是通过以下方式制得：采用化学气相沉积的方法、丝网印刷的方法或者电泳方法，将碳纳米管阵列制备在基片上。
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