CN104244560B - 小型高产额氘氘中子发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型高产额氘氘中子发生器。采用模块化分布式高频离子源，在端部为球面的陶瓷圆柱体外表面上均匀分布，输出分布均匀、流强大于1A、单原子比例超过80％氘离子束，在端部为球面的柱形的加速电场中加速，轰击位于高电位端的端部为球面的柱形金属或陶瓷自成靶，发生氘/氘反应，产生2.45MeV中子。模块化分布式高频离子源数量和自成靶的面积不受限制，氘氘反应的中子产额超过10¹¹n/s，且无任何放射性污染物排放。适合商业化应用，如：硼中子俘获治疗、中子照相、在线物料成分中子检测、中子辐照改性以及作为锎中子源替代产品等领域。

Description

小型高产额氘氘中子发生器

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氘氘中子发生器。

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，经过加速电场的加速，获得较高的能量，在靶上发生氘/氘或者氘/氚聚变反应，在4π方向上放出中子。

虽然氘/氚聚变反应截面更大，产额更高，但是氚是一种放射性物质，属于严格管控的核材料，国家对于其使用及排放都有极其严格的要求，因此氚的使用和排放处理成本很高。而采用氘/氘中子发生器则没有这些管控要求；氘的价格也非常便宜，只有氚的几万分之一。但是氘/氘聚变反应截面小，在小型氘氘中子发生器能量范围70～300keV之间，产额比氘/氚反应低2个量级。

提升中子产额的途径：增加注入离子束的能量和流强，另外一个就是提高离子束中单原子离子的比例，因为同样加速电压下，分子离子中的原子能量比原子离子的能量低一倍，相应的中子产额低5倍左右。

单纯地提升离子束能量，带来的问题比较多，绝缘结构复杂，可靠性低，成本高。在小型加速器中子源中，一般将加速电压控制在300kV范围内。因此，增加离子束的束流强度和提高离子束中单原子离子的比例是提升中子产额的有效途径。

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 够承受的热功率密度也必须控制在一个合理的范围。目前通常采用三种方式提升靶承受热功率的能力：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，缺少增加离子束强度的空间，在进一步需要提升中子产额时，离子源引出的离子束强度不足将成为制约产额提升的瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种小型高产额氘氘中子发生器，解决目前氘氘中子发生器产额低，体积大，结构复杂等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种小型高产额氘氘中子发生器，包括高频离子源、柱形陶瓷外壳、自成靶及靶屏蔽极；所述高频离子源包括若干小型天线模块和若干引出极，所述天线模块均匀分布安装在所述陶瓷外壳外部表面，所述引出极沿陶瓷外壳在壳体内部分布安装；

所述陶瓷外壳内为真空室，所述真空室通过氘气补充阀门及管道连接外部氘气补充装置；陶瓷外壳用于隔离真空系统和大气，并能让天线产生的高频电磁场顺利进入真空系统。

所述柱形自成靶及靶屏蔽极安装在所述陶瓷外壳内，所述靶屏蔽极罩在自 成靶上，所述靶屏蔽极上设有开孔；

所述引出极与自成靶之间存在引出、加速、聚焦的电场，所述高频离子源在陶瓷外壳内部真空一侧产生高密度氘等离子体，所述引出极引出氘离子束，通过电场加速后、穿过所述靶屏蔽极上的开孔，轰击所述柱形自成靶，所述柱形自成靶输出高产额能量为2.45MeV中子。引出离子束分布可调节，均匀性好，结构简单，可靠性高。

优选的，所述真空室的气压为0.1～1Pa。最优选的，所述真空室的气压为0.5Pa。

优选的，所述柱形自成靶及靶屏蔽极连接外部高压电源，所述柱形自成靶及靶屏蔽极通过高压绝缘支座安装在所述陶瓷外壳内；相对柱形自成靶及靶屏蔽极，所述引出极位于地电位。

更优选的，所述柱形自成靶包括自成靶本体和内部冷却油通道，所述内部冷却油通道位于所述自成靶本体内，所述内部冷却油通道分别与冷却油入口、冷却油出口管道相连接。

本发明所述小型高产额氘氘中子发生器还包括高电压转接装置，所述高电压转接装置内充满绝缘油，所述柱形自成靶通过高压电缆及高压插头连接所述外部高压电源，所述高压插头、冷却油入口、冷却油出口管道均浸没在所述绝缘油中。油循环冷却管路由绝缘材料制成，跨接高电位与地电位，管内外绝缘性能满足高电压绝缘的要求。

可选的，所述高电压转接装置内充满高压绝缘气体，所述柱形自成靶通过高压电缆及高压插头连接所述外部高压电源，所述高压插头、冷却油入口、冷却油出口管道均处于所述绝缘气体中。绝缘气体如N₂或者SF₆等。

所述小型高产额氘氘中子发生器还包括外部真空系统，所述外部真空系统包括真空泵，真空测量仪及真空管道，所述真空室通过真空管道连接所述真空泵。通过所述外部真空系统以及外部氘气补充装置，保持真空外壳内部真空度及氘气量在合适的范围内。

所述靶屏蔽极与所述柱形自成靶之间存在电位差，用于抑制靶上产生的二次电子进入加速段，降低电源负载，保护离子源免于反向电子束的轰击。

优选的，所述柱形自成靶为圆柱体或多面柱体结构。

优选的，所述柱形陶瓷外壳的端部为球面，且所述柱形自成靶的端部为球面。发生器内部空间不变的条件下，靶面积变大，有效提高空间利用率。如果采用普通的柱形结构，为降低表面电场强度，也需要将端部倒成大曲率半径的圆角，因而并不能减小发生器外部尺寸。

同样优选的，所述模块化分布式高频离子源的数量为任意多个，沿所述端部为球面的柱形陶瓷外壳外表面放置，只要面积足够大，数量不受限制，因此，输出氘离子束的强度不受限制；靶上对应位置为轰击区域，面积不受限制。

所述小型天线模块呈圆形或矩形绕制在柱形陶瓷外壳外表面上。

通过同步增加柱形陶瓷外壳和柱形自成靶的直径，或通过增加长度的方式，成正比地增加柱形陶瓷外壳及柱形自成靶的表面积，相应的中子产额大幅度增加。

根据需要改变所述高频离子源的位置，相应地改变氘离子束引出束流的分布，得到所需分布形状和密度的分布式氘离子束。

本发明的有益效果是：氘氘反应的中子产额超过10¹¹n/s，中子产额比普通氘氘中子发生器高出几千倍，且体积小，结构简单，在实际应用时，中子照射时间可以缩短几百倍。原来需要照射几十个小时的，现在只需要照射几分钟，比如：中子照相、中子治疗、中子辐照改性等。本发明的另外一个有益之处，就是整个系统没有放射性污染物排放，锎和氚都是放射源，采购、使用及管理都必须遵守极其严格的安全制度，原来受限于氘氘中子发生器产额不足，被迫用锎中子源或氘氚中子发生器的领域，现在可以用本发明的氘/氘中子发生器代替，在关断电源后无任何需要专门管理的放射源存在，大幅度降低使用及管理成本。本发明的再一个有益之处，就 是使用氘气作为原料，价格只有氚气的几万分之一，运行成本极低。

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为本发明平面结构示意图。

图中：1—小型模块化高频天线，2—陶瓷外壳，3—高频离子源引出极，4—冷却油顶部出口，5—靶屏蔽极，6—端部为球面的柱形自成靶，7—冷却油通道，8—高电压转接装置，9—陶瓷绝缘支座，10—冷却油入口，11—高压引入插座，12—冷却油出口。

具体实施方式

结合图1所示，本发明的氘氘中子发生器主要包括以下几个部分：小型模块化高频天线1，端部为球面的柱形陶瓷外壳2，高频离子源引出极3，靶内部冷却油顶部出口4，靶屏蔽极5，端部为球面的柱形自成靶6，冷却油通道7，高电压转接装置8，陶瓷绝缘支座9，冷却油入口10，高压引入插座11，冷却油出口12。

要实现高产额氘氘中子发生器，需要束流强、加速电压高、离子源的单原子离子比例高。但高产额氘氘中子发生器的加速电压过高会带来很多技术上的难题，一般小型的氘氘中子发生器电压都在300kV以内，本氘氘中子发生器加速电压为75～200kV。

本发明的高产额氘氘中子发生器采用RF离子源，RF离子源引出的离子束密度高(>10mA/cm²)，单原子离子比例高(>80％)，比潘宁源(10％左右)的单原子离子比例高出8倍以上，同样的中子产额，靶上功率减少50％以上。

高产额氘氘中子发生器的RF离子源放置在地电位端，避免在高电位端进行高频供电，提高了可靠性，降低制作难度和成本。另外在低压端将天线及 供电接线放置在真空系统外部，进一步简化了制作难度。与放置在高压端相比，还减少了一个主绝缘间距，主体将更为小巧。

高产额氘氘中子发生器的离子束流高达几个安培，靶上的功率沉积几百千瓦，散热设计极其重要。水的散热能力很强，但是不适合直接连通高电位端进行散热，一是在直流电压下，水会分解成氢气和氧气，非常危险；二是水的绝缘性能不好，即使是高纯度去离子水，在循环管道中，也很容易溶解杂质，造成绝缘性能下降。因此，采用强迫循环的绝缘油对靶进行冷却。油的粘滞系数大，散热能力也远低于水，带走高功率密度的能力较差，因此，必须增大靶的表面积，将沉积功率降低到一个合适的程度，保证在用纯钛靶时，表面温度低于150度，用陶瓷靶时表面温度低于500度。

高产额氘氘中子发生器的高电压转接装置放置在自成靶一端，内部充绝缘油绝缘。也根据需要也可以换成高压绝缘气体，如高压绝缘气体N₂或者SF₆等。外部高压电源通过高压电缆及高压插头，连接到浸没在绝缘油中的高压插座，与自成靶连通。油循环冷却管路由绝缘材料制成，跨接高电位与地电位，油管内外绝缘性能一致。

高产额氘氘中子发生器靶上的功率极高，必须让沉积功率的分布可控，因为严重不均匀的热量沉积，造成靶面局部高温，会烧毁自成靶。因此，将高频离子源制作成小型的标准化模块，均匀分布在陶瓷外壳上，产生基本均匀的离子束流分布。小型模块化天线绕制成圆形、矩形或多边形。离子源的数量，可以根据需要增减。尤其是需要大幅度提升氘离子束流时，只需简单地增加数量即可。简单可靠，成本低。相反，如果采用大型的，整体式高频离子源，产生的离子束流分布很难调节，生产和调试都比较复杂。

柱形自成靶为圆柱体或多面体结构。通过同步增加圆柱真空外壳和柱形自成靶的直径，从而增加真空外壳及靶的表面积，或通过增加长度的方式，成正比地增加外壳及靶的表面积，保证引出束流达到需要的强度，而沉积在靶上的功率密度在可以承受的范围，相应的中子产额大幅度增加。根据需要改 变所述高频离子源位置，相应地改变氘离子束引出束流的分布，得到所需分布形状和密度的分布式氘离子束。

本发明的基本发生过程是：小型高频天线1，产生的高频电磁场，透过陶瓷外壳2，在高频离子源引出极3与陶瓷外壳之间的区域产生高密度氘等离子体。系统装有真空泵，持续排除系统运行过程中产生的氦气，氘气同时也被排出，外部氘气通过控制阀随时补充到系统中，保持真空室内部真空度在0.1～1Pa。外部高压电源通过高压电缆引入到油浸高压转接装置8，与自成靶6连通，将所需的高电位和悬浮在高电位上-300V的电位分别施加在自成靶6和靶屏蔽极5上，靶屏蔽极与柱形自成靶之间存在电位差，用于抑制靶上产生的二次电子进入加速段，降低电源负载，保护离子源免于反向电子束的轰击。在高频离子源引出极3和靶屏蔽极5之间产生氘离子引出、加速、聚焦所需的电场。高频离子源引出极3上开有引出孔，在引出电场的吸引下，氘等离子体中的氘离子被引出到加速区域，由加速电场加速到额定能量，轰击自成靶6，产生2.45MeV的中子。同时产生的次级电子，由靶屏蔽极5抑制，不能进入加速区域，可以减轻电源的负荷。自成靶6上产生的热功率由循环冷却油带走，循环冷却油的热量由外部换热器带走。绝缘材料制成的循环冷却油管道跨接高电位与地电位，安装在高压转接装置8中，内外管壁都在绝缘油中，保证能够承受高电压。

实施例1

离子束能量100keV，流强100mA，功率10kW，靶直径150mm，圆柱体长150mm，靶面积约为1000cm²，热流密度10W/cm²，真空室内部真空度在1Pa。冷却油温升控制在5度以内，冷却油流量约1L/s，厚度2mm纯钛自成靶，靶面温升约80度，中子产额1.3×10¹⁰n/s。

换成厚度为10mm的95陶瓷自成靶，靶面温升约为110度，中子产额降低约一半，但是，同样的冷却条件，陶瓷自成靶的耐受轰击能力更强，可以承受更高的氘离子束轰击，寿命也更长，金属溅射产物更低。再提升 一倍氘离子束流强度(200mA)，产额可以与纯钛自成靶相当，靶的表面温升约为220度，对于陶瓷来说完全可以承受。

实施例2

实施例1中，将2mm厚纯钛自成靶换成厚度为10mm的陶瓷自成靶，，真空室内部真空度在0.5Pa，提升氘离子束流至400mA，靶面上沉积的功率密度增加4倍，中子产额增加一倍，约为2.6×10¹⁰n/s。靶表面温升440度，对于陶瓷来说依然可以长期可靠地工作。

实施例3

离子束能量200keV，流强1A，功率200kW，靶面直径500mm，圆柱部分长1000mm，靶面积约20000cm²，靶面热流密度约10W/cm²，真空室内部真空度在0.1Pa。冷却油温升控制在5度，冷却油流量为20L/s，厚度2mm的纯钛自成靶，靶面温升约为80度，中子产额约为5×10¹¹n/s。

换成厚度为10mm的95陶瓷自成靶，靶面温升约为110度,中子产额降低约一半，但是，同样的冷却条件，陶瓷自成靶的耐受轰击能力更强，可以承受更高的氘离子束轰击，寿命也更长，金属溅射产物更低。再提升一倍氘离子束流强度(2A)，产额可以与纯钛自成靶相当，靶的表面温升约为220度，对于陶瓷来说完全可以承受。

实施例4

实施例3中，将2mm厚纯钛自成靶换成厚度为10mm的95陶瓷自成靶，真空室内部真空度在0.5Pa，提升氘离子束流至4000mA，束流功率800kW，靶面上沉积的功率密度增加4倍，中子产额增加一倍，约为1×10¹²n/s。靶表面温升440度，对于陶瓷来说依然可以长期可靠地工作。

本领域技术人员当然能够理解，将靶和陶瓷外壳制作成单独的半球型，单独的圆柱形等具有相同的技术效果。

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)

1.一种小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，包括高频离子源、柱形陶瓷外壳、柱形自成靶及靶屏蔽极；所述柱形自成靶的柱形面为圆柱体或多面柱体结构；所述柱形自成靶包括自成靶本体和内部冷却油通道，所述内部冷却油通道位于所述自成靶本体内，所述内部冷却油通道分别与冷却油入口、冷却油出口管道相连接；

所述高频离子源包括若干小型天线模块和若干引出极，所述小型天线模块均匀分布安装在所述柱形陶瓷外壳外部表面，所述引出极沿所述柱形陶瓷外壳在壳体内部分布安装；

所述柱形陶瓷外壳内为真空室，所述真空室通过氘气补充阀门及管道连接外部氘气补充装置；

所述柱形自成靶及靶屏蔽极安装在所述柱形陶瓷外壳内，所述靶屏蔽极罩在所述柱形自成靶上，所述靶屏蔽极上设有开孔；

所述引出极与所述柱形自成靶之间存在引出、加速、聚焦的电场，所述高频离子源在所述柱形陶瓷外壳内部真空一侧产生高密度氘等离子体，所述引出极引出氘离子束通过电场加速后、穿过所述靶屏蔽极上的开孔，轰击所述柱形自成靶，所述柱形自成靶输出高产额能量为2.45MeV中子。

2.根据权利要求1所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，所述柱形自成靶及靶屏蔽极连接外部高压电源，所述柱形自成靶及靶屏蔽极通过高压绝缘支座安装在所述陶瓷外壳内；相对柱形自成靶及靶屏蔽极，所述引出极位于地电位。

3.根据权利要求2所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，所述靶屏蔽极与所述柱形自成靶之间存在电位差，用于抑制靶上产生的二次电子进入加速段，降低电源负载，保护离子源免于反向电子束的轰击。

4.根据权利要求3所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，还包括高电压转接装置，所述高电压转接装置内充满绝缘油，所述柱形自成靶通过高压电缆及高压插头连接所述外部高压电源，所述高压插头、冷却油入口、冷却油出口管道均浸没在所述绝缘油中。

5.根据权利要求3所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，还包括高电压转接装置，所述高电压转接装置内充满高压绝缘气体，所述柱形自成靶通过高压电缆及高压插头连接所述外部高压电源，所述高压插头、冷却油入口、冷却油出口管道均处于所述绝缘气体中。

6.根据权利要求1至5之一所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，还包括外部真空系统，所述外部真空系统包括真空泵，真空测量仪及真空管道，所述真空室通过真空管道连接所述真空泵。

7.根据权利要求6所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，所述柱形陶瓷外壳的端部为球面，且柱形自成靶的端部为球面。

8.根据权利要求7所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，所述高频离子源的数量为任意多个，沿所述端部为球面的柱形陶瓷外壳外表面放置，靶上对应位置为轰击区域。

9.根据权利要求1所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，所述小型天线模块呈圆形或矩形绕制在柱形陶瓷外壳外表面上。

10.根据权利要求1所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，所述真空室的气压为0.1～1Pa。

11.根据权利要求1所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，所述真空室的气压为0.5Pa。

12.根据权利要求1所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，通过同步增加柱形陶瓷外壳和柱形自成靶的直径，或通过增加长度的方式，成正比地增加外壳及靶的表面积，相应的中子产额大幅度增加。

13.根据权利要求1所述的小型高产额氘氘中子发生器，其特征在于，根据需要改变所述高频离子源的位置，相应地改变氘离子束引出束流的分布，得到所需分布形状和密度的氘离子束。