CN104966448B - 射频中子管离子源束流引出桌面实验台 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟中子管工作状态的实验装置，是由三类不同形式的射频离子源组件、束流引出部分和真空环境部分组成。等离子体生成在放电管内部，束流引出在不锈钢钟罩内部发生。根据实验需要选择不同类型天线配合放电管使用。引出正离子时，加速引出筒加负高压；引出负离子时，加速引出筒加正高压，引出束流中包括负离子和电子，备用电极加在与引出方向的垂直方向，做电子的收集电极。本发明可以很方便地对各参数进行优化组合，做射频离子源束流引出实验和中子管整体工作状态的模拟实验，或者检验某一元件的设计尺寸、材料和会切磁场设计。

Description

射频中子管离子源束流引出桌面实验台

技术领域

本发明属于模拟中子管工作状态的实验装置，具体涉及射频（RF）中子管离子源束流引出桌面实验台。

背景技术

射频中子管在中子照相、安全排查系统、材料扫描、土壤分析、石油测井等方面应用广泛。长寿命、紧凑型射频离子源与可再生靶相组合，可以增大产额、降低成本。在绝缘放电管上使用螺旋或带状天线，将电磁能耦合到气体中，从而导致电离、离解和等离子体的维持。射频离子源具有结构简单、单原子离子比例高的优点，是射频中子管的关键组件之一。

因应用领域不同，需要研制不同类型的新型射频中子管，射频中子管主要由射频离子源组件（放电管及天线等），吸气材料，引出极，金属氢靶材料，高压发生器，会切磁钢等组成。性能良好的射频中子管需要各部件参数的优化配合，离子源的放电电流及引出电流是影响中子产额的重要因素。束流引出情况与部件参数关系密切，如射频天线的材料、匝数、间距以及放置方式，放电管的规格，加速间隙的选择，引出极的形状、尺寸，气压条件等等。由于软件仿真条件设置往往过于理想化，急需要一种能够模拟中子管用射频离子源束流引出状态的桌面实验环境，来检验加工元件的设计尺寸，观测束流形状，为射频中子管研制提供实验数据，提高研制效率，节约成本。

与潘宁源相比，射频离子源由于束流利用率高，可达90%以上。吸附等量气体，产生单原子离子的密度大；产生相同产额中子所需的氘（D）、氚（T）离子的束流量比较小，对靶的溅射损伤非常小，靶的寿命可以得到显著延长，能够解决目前中子管产额低、寿命短、稳定性不高的问题。因此，开发射频中子管离子源束流引出桌面实验台对研究射频离子源的结构设计，以及引出束流与离子源的各部件的尺寸、电子温度以及引出电极结构、射频阻抗匹配网络和管内气压的关系，对进一步阐明射频离子源的放电机理，揭示其放电规律具有重要意义。本桌面实验台对射频离子源引出负离子束流同样适用，能科学合理地模拟射频离子源正负离子束流引出的各种情况，其结构简单、操作简便、成本低，易于推广应用。

发明内容

为了加速不同类型射频中子管技术的创新和发展，提高中子管的产额和稳定性，本发明的目的是提供一种射频离子源束流引出桌面实验台。

中子管用射频离子源束流引出桌面实验台是由三类不同形式的射频离子源组件、束流引出部分和真空环境部分组成。

桌面实验台上带有真空法兰的不锈钢钟罩为实验空间，经真空法兰、抽气管与分子泵机组连通。真空法兰带有绝缘电极用于引入束流加速电极（+120KV），地电极和备用电极（0-4KV），备用电极用于负离子引出时滤除电子使用。同时通过真空法兰连接照明灯和真空规管，分别用于真空室照明和气压测量。工作气体通过流量计进入真空室。流量计通过控制进气量来调节真空室的真空度，以模拟中子管内部的工作气压调节过程。不锈钢钟罩上部设有含铅玻璃制成的观察窗，透过铅玻璃既可直接观察引出束流的形状、聚焦情况，又能阻挡实验时产生的X射线。真空法兰桌面上放置高度可调的聚四氟乙烯高压绝缘支架，将引出筒和靶置于其上。三者几何中心法线与真空法兰平台中心法线重合。以不锈钢钟罩顶部与法兰平台中心法线相交点为圆心，开一圆形阶梯状孔槽作为引出孔，通过放置与钟罩顶部相同厚度的空心圆柱体来调节引出孔径的大小。引出孔上方放置射频离子源组件。离子源组件由不同规格的放电管，天线，会切磁钢组成，工作气体在电磁能耦合作用下形成等离子体。由引出筒加高压将束流引出。实验台支架设有四个带锁的滑动轮，便于设备移动和固定。该实验台上的射频离子源中D、T离子产生的反应式为H₂ + e → 2H + e （15.9 eV）； H+ e → H⁺ + 2e （13.6 eV）。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

中子管用射频离子源束流引出桌面实验台是由三类不同形式的射频离子源组件、束流引出部分和真空环境部分组成。

等离子体生成在放电管内部，束流引出在不锈钢钟罩内部发生。不锈钢钟罩下部是法兰盘，两者通过金属螺栓固定，在法兰盘上设有可调绝缘支架、高压电极、地电极、照明灯、真空规管、连接分子泵的抽气管和输入工作气体的进气管等。高压电极用于提供实验所需的加速电压；真空规管用于测量钟罩内部的真空度；进气管用于向不锈钢钟罩内部充入工作气体。流量计准确控制工作气体进气量，同时调节气压。位于不锈钢钟罩内部的束流引出部分采用轴向引出方式。放电管的四周放置条状磁铁，形成会切磁场约束等离子体。根据实验需要选择不同类型天线配合放电管使用。引出正离子时，加速引出筒加负高压；引出负离子时，加速引出筒加正高压，引出束流中包括负离子和电子，备用电极加在与引出方向的垂直方向，做电子的收集电极。

本发明的有益效果是，作为实验和测试平台，射频离子源束流引出实验台可以很方便地对各参数进行优化组合，做射频离子源束流引出实验和中子管整体工作状态的模拟实验，或者检验某一元件的设计尺寸、材料和会切磁场设计。通过对组件的改进，使射频离子源引出电流大小和束流形状达到最佳状态，因此，束流引出桌面实验台对加快各种不同类型中子管的研制和提高设计效率有重要意义。

附图说明

附图1是三类不同形式的射频离子源组件结构示意图；

附图2 是射频中子管离子源束流引出部分和真空环境部分结构示意图。

其中1.平面环状天线， 2、3、6（为不同规格）石英放电管， 4.外置螺旋天线，5.内置螺旋天线，7.引出孔，8.射频离子源，9.会切磁钢，10.密封垫，11.铅玻璃观察窗，12.不锈钢钟罩，13.引出筒，14.靶，15.高压绝缘支架， 16.紧固螺栓，17. 真空法兰，18.密封圈，19.照明灯，20.加速引出电极，21.地电极， 22.磁控阀门， 23.分子泵组， 24.抽气管， 25.真空规管，26.备用电极，27.气体流量计，28.工作气体输入管，29.桌面支架， 30.带锁滑轮。

下面结合附图对本发明进一步说明。

具体实施方式

本发明射频中子管离子源束流引出桌面实验台是由三类不同形式的射频离子源组件、束流引出部分和真空环境部分组成。结构上，上部采用圆柱形轴对称结构，将会切磁钢9、天线（1、4、5中的一种）和对应的石英放电管（2、3、6中一种）置于不锈钢钟罩12的顶部，引出筒13、靶14、高压绝缘支架15、电极（20、21、26）、照明灯19、真空规管25等全部放置于不锈钢钟罩内真空法兰17上，下部为方形桌面法兰平台支架，放置电控设备、气体流量和真空显示器。上下两部分构成一个结构紧凑、使用方便的离子源束流引出实验装置。

三类不同形式的射频离子源组件部分：首先清洗石英放电管2、3、6，并烘干，然后分别按照图1(a)、(b)、(c)在石英放电管2底部平面、石英放电管3外部管身轴向方向、石英放电管6内部安装天线。根据实验需要，对应使用平面环状天线1、外置螺旋天线4、内置螺旋天线5中的一种。将天线通过阻抗匹配器与射频电源连接好，将会切磁钢9环绕放置于放电管2、3、6周围。将配好天线的石英放电管（2、3、6中一种）放置在不锈钢钟罩12的顶部，在两者之间加密封垫10，用以提高、保持石英放电管内的真空度。根据实验需要，在引出孔7内放置不锈钢空心圆柱体，用来调节引出孔径的大小。

射频离子源束流引出部分：将各个部件清洗干净、烘干，由下至上安装好。首先将高压绝缘支架15置于真空法兰17上，将引出筒13和靶14焊接在一起，并置于高压绝缘支架15上方，根据实验需要调节高度。

真空系统与环境部分：首先将射频离子源束流引出部分放置于高压绝缘支架15上，将加速引出电极20、地电极21、备用电极26，分别和射频离子源束流引出部分相应位置相连，将带有铅玻璃观察窗11的不锈钢钟罩12扣在加有密封圈18的真空法兰17上，用紧固螺栓16固定。接着连接好各路供电电源，连接真空规管25，连接照明灯19，并打开。打开磁控阀门22，开启分子泵机组23，通过抽气管24对不锈钢钟罩12内部空间抽真空，当真空本底达到10^-4Pa以上时，开启气体流量计27，通过工作气体输入管28导入工作气体，选择氢气作为工作气体。气体流量计27直接调节、控制工作气体的导入量，间接调节气压，并显示已输入的工作气体量。由真空规管25动态测量不锈钢钟罩12内部的真空度。然后，依次打开射频离子源电源、阻抗匹配器电源和加速引出电极20电源。若引出负离子，则需要打开备用电极26电源。此时可以正常进行实验和观测。

由于束流引出采用轴向引出方式，要求石英放电管（2、3、6中的一种）、引出孔7、引出筒13以及靶14和高压绝缘支架15的几何中心法线重合，严格同轴，所有组件的加工、安装精度公差不超过0.01mm。

Claims (1)

1.射频中子管离子源束流引出桌面实验台，其特征是由三类不同形式的射频离子源组件、束流引出部分和真空环境部分组成，结构上，上部采用圆柱形轴对称结构，将会切磁钢（9）、天线和对应的石英放电管置于不锈钢钟罩(12)的顶部，引出筒(13)、靶(14)、高压绝缘支架(15)、加速引出电极（20）、地电极（21）、备用电极（26）、照明灯(19)、真空规管(25)全部放置于不锈钢钟罩内真空法兰(17)上，下部为方形桌面法兰平台支架，放置电控设备、气体流量和真空显示器；

三类不同形式的射频离子源组件部分：分别在石英放电管(2)底部平面安装平面环状天线（1）或石英放电管(3)外部管身轴向方向安装外置螺旋天线（4）或石英放电管(6)内部安装内置螺旋天线（5），天线通过阻抗匹配器与射频电源连接，会切磁钢（9）环绕放置于放电管周围，将配好天线的石英放电管放置在不锈钢钟罩（12）的顶部，在两者之间加密封垫（10），在引出孔（7）内放置不锈钢空心圆柱体，所述引出孔（7）为圆形阶梯状孔槽，所述引出孔（7）的上方放置射频离子源组件部分；

射频离子源束流引出部分：将各个部件由下至上安装好，首先将高压绝缘支架（15）置于真空法兰（17）上，引出筒（13）和靶（14）焊接在一起，并置于高压绝缘支架（15）上方；

真空系统与环境部分：首先将射频离子源束流引出部分放置于高压绝缘支架（15）上，加速引出电极（20）、地电极（21）、备用电极（26），分别和射频离子源束流引出部分相应位置相连，将带有铅玻璃观察窗（11）的不锈钢钟罩（12）扣在加有密封圈（18）的真空法兰（17）上，用紧固螺栓（16）固定，连接好各路供电电源，连接真空规管（25），连接照明灯（19），打开磁控阀门（22），开启分子泵机组（23），不锈钢钟罩（12）内部空间抽真空，工作气体为氢气；石英放电管、引出孔（7）、引出筒（13）以及靶（14）和高压绝缘支架（15）的几何中心法线重合，同轴，所有组件的加工、安装精度公差不超过0.01mm。