CN104918403A - 一种脉冲中子发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉冲中子发生器。在一个高真空的高压陶瓷管内，在真空弧离子源触发极与阴极间加一个触发脉冲时，氘原子被电离，初始等离子体扩散，使离子源阳极和阴极之间导通，形成弧电流，产生高密度等离子体。在加速高压的作用下，氘离子束与氚钛靶相互作用，发生氘氚反应，产生能量为14MeV的脉冲中子。在真空弧离子源的引出极，设置一个环形磁场，对氘离子形成聚焦，增加作用到靶上的氘离子束流，提高脉冲中子产额；采用干泵、分子泵、离子泵和吸气泵的组合，提高系统的真空度，减少氘离子束在传输过程中的损失；在氚钛靶的表面镀一层400nm厚的铝膜，阻挡重离子到达氚靶，减少靶损伤。

Description

一种脉冲中子发生器

技术领域

本发明属于加速器领域，具体涉及一种脉冲中子发生器，尤其是一种加速电压可调、脉冲重复频率可调、脉冲宽度可调、氘氚反应脉冲中子产额大于或等于1×10⁸n/pulse的脉冲中子发生器。

背景技术

脉冲中子发生器在中子物理学参数测量、特殊核材料探测、探测器性能试验研究、中子照相、放射性医学等方向有着重要的应用。在核系统瞬发中子衰减常数研究中，激励脉冲中子源方法是最直接的实验方法，其要求激励中子发生器脉冲产额高达10⁸n/pulse，且要求中子发生器体积小，稳定性好，工作寿命长；在探测器性能试验研究中，需要高产额的单能脉冲中子发生器对探测器进行标定；在中子照相研究中，脉冲中子发生器可以移动到现场对金属壳层中的物体进行成像。脉冲中子发生器在脉冲中子测井领域中也有着很重要的应用。

脉冲中子发生器是由真空弧离子源、加速电极、氚靶和气压调节系统等组成。其工作原理是由真空弧离子源放电产生氘离子，氘离子经加速入射到氚靶上，形成氘氚聚变反应产生14MeV脉冲中子。

目前，脉冲中子发生器主要形成方式为对直流离子束进行扫描、聚束或对直流放电进行调制，但这类脉冲中子发生器的中子产额偏低。周长庚等在“核技术”杂志2014年第6期上发表了题为“中子发生器纳秒脉冲聚束系统”文章，文章介绍：典型的加速器型中子发生器的脉冲中子产额为10³ n/pulse。郭清生等在“地球物理测井”杂志1990年第4期上发表了题为“一种新型脉冲中子发生器”的文章，文章中介绍其研制的小型脉冲中子发生器脉冲中子产额约8×10⁴n/pulse。美国人P.R.Schwoebel在“Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A”杂志2112年第7期上发表了题为“A hydrocarbon fluid-based deuteron ion source for neutron generators”的文章，文章介绍他们研制的小型实验装置产生的脉冲中子产额约为10⁷n/pulse。

等离子浓密焦点装置体积小，其脉冲中子产额最高可达10¹¹n/pulse以上，但在产生中子的同时也会产生大量的X射线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种脉冲中子发生器，尤其是体积小、高脉冲中子产额、工作寿命长、产生单能脉冲中子的脉冲中子发生器。

本发明的脉冲中子发生器，其特点是，包括上法兰，陶瓷真空管，氚钛靶，离子源阳极，离子源触发极，离子源阴极，陶瓷绝缘环，环形钐钴永磁铁，陶瓷绝缘柱，导电金属柱，下法兰，外接三电极，真空室，放气阀，闸板阀A，吸气剂泵，闸板阀B，分子泵，离子泵，干泵，远控高压加速电源，远控离子源脉冲电源，平台车。

所述的上法兰与陶瓷真空管顶部连接；上法兰朝上的一面通过螺钉与远控高压加速电源的输出电极P连接；上法兰朝下的一面通过金属杆与氚钛靶连接；真空弧离子源由离子源阳极、离子源触发极、离子源阴极、陶瓷绝缘环、环形钐钴永磁铁、陶瓷绝缘柱、导电金属柱组成。其中，离子源阳极通过外接三电极的a端与远控高压加速电源的接地端G以及远控离子源脉冲电源的阳极输出端A连接；离子源触发极通过外接三电极的t端与远控离子源脉冲电源的触发输出端T连接；离子源阴极通过外接三电极的c端与远控离子源脉冲电源的阴极输出端C连接；离子源阳极与离子源阴极之间用一个陶瓷绝缘环进行绝缘；离子源阴极外套着一个环状的离子源触发极，两者之间有真空放电间隙；环形钐钴永磁铁套在离子源阳极、离子源触发极和陶瓷绝缘环的外部；环形钐钴永磁铁距离子源阳极和离子源触发极之间有绝缘间隙；离子源阳极与氚钛靶之间的距离可调；下法兰朝下的一面与真空室连接；下法兰向上的一面固定真空弧离子源；真空室通过真空管道与分子泵连接，中间设一个闸板阀A；真空室与放气阀连接；真空室中部与吸气剂泵连接；真空室下部与离子泵连接，真空室与离子泵之间设一个闸板阀B；离子泵支撑真空室和陶瓷真空管；分子泵通过波纹管与干泵连接；干泵、分子泵、离子泵、远控高压脉冲电源和远控高压加速电源通过螺钉固定在平台车上。

本发明的脉冲中子发生器以氚钛靶为主，发生氘氚反应，得到脉冲中子产额最大值为1×10⁸n/pulse，中子能量为14MeV。本发明脉冲中子发生器不限于氚钛靶，也可以采用氘钛靶，发生氘氘反应，得到脉冲中子产额最大值为1×10⁶n/pulse，中子能量为2.5MeV；

与其它离子源相比，真空弧离子源具有体积小、结构简单、产生脉冲氘离子的比例高等特点；

本发明在真空弧离子源的引出极，加了一个环形永磁铁，使作用到靶上的氘离子束流增加,因此增大了脉冲中子产额。

本发明采用干泵、分子泵、离子泵和吸气泵的组合，使真空度达到5×10⁶Pa以上，因此减少了氘离子在传输过程的损失，进一步增大了脉冲中子产额。

本发明在氚钛靶的表面镀一层400nm厚的铝膜，阻挡了钛离子等重离子，使其不能到达氚钛靶，而氘离子能够穿透铝膜，因此可以减少对氚钛靶的损伤，提高氚钛靶的使用寿命。

为了减少中子发生器的体积和重量，实现小型化，本发明采用两电极加速方式，即真空弧离子源阳极作为一个电极，氚钛靶作为另一个电极，因此氘离子传输到氚靶上的路程很短，两电极既是加速电极，又是聚焦电极，结构很紧凑。

从真空弧离子源引出的不仅有氘离子，还有以钛离子为主的其他离子，只有氘离子对产生脉冲中子产额有贡献，其他离子不仅对产生脉冲中子产额无作用，而且增加了对氚靶的损伤。为了减少对氚钛靶的损伤，从而提高中子发生器工作寿命，本发明在氚钛靶的表面镀一层400nm厚的铝膜，铝膜氘离子无影响，但阻挡了钛离子等重离子直接轰击氚靶，减少了氚靶的损伤，另一方面，由于有铝膜覆盖，减少了氚靶的漏氚率。

本发明使用的设备材料简便，容易制备和购置。

附图说明

图1为本发明的脉冲中子发生器的结构示意图；

图1中， 1.上法兰    2.陶瓷真空管     3.氚钛靶     4.离子源阳极     5.离子源触发极     6.离子源阴极     7. 陶瓷绝缘环     8. 环形钐钴永磁铁     9.陶瓷绝缘柱     10.导电金属柱     11.下法兰     12.外接三电极     13.真空室     14.放气阀     15.闸板阀A      16.吸气剂泵     17.闸板阀B    18.分子泵     19.离子泵     20.干泵     21.远控高压加速电源     22.远控离子源脉冲电源     23.平台车。

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为本发明的脉冲中子发生器的结构示意图，在图1中，脉冲中子发生器包括上法兰1，陶瓷真空管2，氚钛靶3，离子源阳极4，离子源触发极5，离子源阴极6，陶瓷绝缘环7，环形钐钴永磁铁8，陶瓷绝缘柱9，导电金属柱10，下法兰11，外接三电极12，真空室13，放气阀14，闸板阀A15，吸气剂泵16，闸板阀B17,分子泵18，离子泵19，干泵20，远控高压加速电源21，远控离子源脉冲电源22，平台车23；其连接关系是，上法兰1与陶瓷真空管2顶部连接；上法兰1朝上的一面通过螺钉与远控高压加速电源22的输出电极P连接；上法兰1朝下的一面通过金属杆与氚钛靶3 连接；真空弧离子源由离子源阳极4、离子源触发极5、离子源阴极6、陶瓷绝缘环7、环形钐钴永磁铁8、陶瓷绝缘柱9、导电金属柱10组成；其中，离子源阳极4通过外接三电极12的a端与远控高压加速电源21的接地端G以及远控离子源脉冲电源22的阳极输出端A连接；离子源触发极5通过外接三电极12的t端与远控离子源脉冲电源22的触发输出端T连接；离子源阴极6通过外接三电极12的c端与远控离子源脉冲电源22的阴极输出端C连接；离子源阳极4与离子源阴极6之间用一个陶瓷绝缘环7进行绝缘；离子源阴极6外套着一个环状的离子源触发极5，两者之间有真空放电间隙；环形钐钴永磁铁8套在离子源阳极4、离子源触发极5和陶瓷绝缘环7的外部；环形钐钴永磁铁8距离子源阳极4和离子源触发极5有一定的绝缘间隙；离子源阳极4与氚钛靶3之间的距离可调；下法兰11朝下的一面与真空室13连接；下法兰11向上的一面固定真空弧离子源；真空室13通过真空管道与分子泵18连接，中间设一个闸板阀A15；真空室13与放气阀14连接；真空室13中部与吸气剂泵16连接；真空室13下部与离子泵19连接，真空室13与离子泵19之间设一个闸板阀B17；离子泵19支撑真空室13和陶瓷真空管2；分子泵18通过波纹管与干泵14连接；干泵14、分子泵18、离子泵19、远控高压脉冲电源22和远控高压加速电源21通过螺钉固定在平台车23上。

本发明的实施过程为：

a) 开通闸板阀A15和闸板阀B17,启动干泵20，对整个中子发生器进行低真空抽气；

b) 当真空室(13)的真空度低于0Pa时，启动分子泵18；当真空室13的真空度达到1×10^-4 Pa时，启动离子泵19和吸气剂泵16，关闭闸板阀A15,关闭分子泵(18)和干泵20；

c) 当真空室13的真空度达到5×10⁶Pa时，开通远控离子源脉冲电源22和远控高压加速电源21，启动远控离子源脉冲电源22中的触发器，远控离子源脉冲电源22和远控高压加速电源21的输出脉冲同步产生；在离子源触发极5与离子源阴极6之间先形成触发脉冲，在阴极斑附近的氘原子等被电离，产生初始等离子体，初始等离子体扩散，使得离子源阳极4与离子源阴极6之间导通，在两极之间加载主弧电压，产生弧放电电流，形成高密度等离子体；在加速高压的作用下，氘离子束靶向运动，与氚钛靶3相互作用，发生氘氚反应，产生能量为14MeV的脉冲中子，脉冲中子产额值由脉冲中子产额测量仪监测，其结果传送到监控计算机，由监控计算机显示；

d) 调节远控离子源脉冲电源22的脉冲宽度，脉冲中子宽度随之改变，脉冲中子产额也随之发生变化；

e) 调节远控离子源脉冲电源22的脉冲重复频率，脉冲中子重复频率随之改变，脉冲中子产额也随之发生变化；

f) 关闭远控离子源脉冲电源22和远控高压加速电源21，脉冲中子发生器停止工作。关闭离子泵19和吸气剂泵16，停止抽中子发生器系统真空，开通放气阀14可使中子发生器处在非真空状态下；

g) 在中子发生器处在非真空状态下，真空弧离子源和氚钛靶3都可以通过拆装上法兰1和下法兰11进行更换。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，实施过程与实施例1也相同。不同之处是：氚钛靶3被更换成氘钛靶；所得结果不同：脉冲氘离子束与氘钛靶相互作用，发生氘氘反应，产生能量为2.5MeV的脉冲中子，本实施例得到的脉冲中子产额最大值为1×10⁶n/pulse。

Claims (2)

1.一种脉冲中子发生器，其特征在于，所述的中子发生器包括上法兰（1），陶瓷真空管（2），氚钛靶（3），离子源阳极（4），离子源触发极（5），离子源阴极（6），陶瓷绝缘环（7），环形钐钴永磁铁（8），陶瓷绝缘柱（9），导电金属柱（10），下法兰（11），外接三电极（12），真空室（13），放气阀（14），闸板阀A（15），吸气剂泵（16），闸板阀B（17），分子泵（18），离子泵（19），干泵（20），远控高压加速电源（21），远控离子源脉冲电源（22），平台车（23）；其连接关系是，所述的上法兰（1）与陶瓷真空管（2）顶部连接；上法兰（1）朝上的一面通过螺钉与远控高压加速电源（22）的输出电极P连接；上法兰（1）朝下的一面通过金属杆与氚钛靶（3） 连接；

由离子源阳极（4）、离子源触发极（5）、离子源阴极（6）、陶瓷绝缘环（7）、环形钐钴永磁铁（8）、陶瓷绝缘柱（9）、导电金属柱（10）构成真空弧离子源；其中，离子源阳极（4）通过外接三电极（12）的a端与远控高压加速电源（21）的接地端G以及远控离子源脉冲电源（22）的阳极输出端A连接；离子源触发极（5）通过外接三电极（12）的t端与远控离子源脉冲电源（22）的触发输出端T连接；离子源阴极（6）通过外接三电极（12）的c端与远控离子源脉冲电源（22）的阴极输出端C连接；离子源阳极（4）与离子源阴极（6）之间用一个陶瓷绝缘环（7）进行绝缘；离子源阴极（6）外套有一个环状的离子源触发极（5），两者之间设置有真空放电间隙；环形钐钴永磁铁（8）套在离子源阳极（4）、离子源触发极（5）、陶瓷绝缘环（7）的外部；环形钐钴永磁铁（8）与离子源阳极（4）和离子源触发极（5）之间有绝缘间隙；离子源阳极（4）与氚钛靶（3）之间的距离可调；

所述的下法兰（11）朝下的一面与真空室（13）连接；下法兰（11）向上的一面固定有真空弧离子源；真空室（13）通过真空管道与分子泵（18）连接，中间设一个闸板阀A（15）；真空室（13）与放气阀（14）连接；真空室（13）中部与吸气剂泵（16）连接；真空室（13）下部与离子泵（19）连接，真空室（13）与离子泵（19）之间设一个闸板阀B（17）；离子泵（19）支撑真空室（13）和陶瓷真空管（2）；分子泵（18）通过波纹管与干泵（20）连接；干泵（20）、分子泵（18）、离子泵（19）、远控高压脉冲电源（22）、远控高压加速电源（21）分别固定在平台车（23）上。

2.根据权利要求1所述的脉冲中子发生器，其特征在于，所述的氚钛靶（3）的表面镀有一层400nm厚的铝膜。