CN105307377A

CN105307377A - 一种中子源

Info

Publication number: CN105307377A
Application number: CN201510579269.4A
Authority: CN
Inventors: 陆元荣; 郭之虞; 颜学庆; 朱昆; 高淑丽; 贾方健; 邹宇斌; 王智; 陈佳洱
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2016-02-03

Abstract

本发明公开了一种中子源，包括：离子源、低能传输段、RFQ加速器、高能传输段、射频功率源、靶站装置以及控制系统；所述离子源，用于产生离子；所述低能传输段，用于对离子的束流进行调节；所述RFQ加速器，用于对离子的束流进行加速，以使每个离子的能量在0.1-10MeV之间；所述高能传输段，用于对加速后的离子的束流进行调节；所述射频功率源，用于为RFQ加速器提供射频信号；所述靶站装置，用于产生中子并将中子引出；所述控制系统，用于对离子源、低能传输段、RFQ加速器、高能传输段和靶站装置进行控制。本发明能够将单独的RFQ加速器应用到中子源中，体积小、占用空间少，中子产额高、便于生产安装。

Description

一种中子源

技术领域

本发明属于中子生产领域，尤其涉及一种中子源。

背景技术

射频四极场(RadioFrequencyQuadrupole,RFQ)加速器，最早由前苏联高能物理研究所科学家卡普钦斯基和特普里亚科夫于1970年提出，RFQ加速器利用高频四极电场同时实现粒子束横向聚焦及纵向加速，因其束流强、品质好、体积小、使用方便且适于将各种离子从离子源引出后直接加速到每核子几个MeV的能量区域，广泛用于各类加速器的注入器、离子注入机、强中子源等场合。

在现有技术中，一般是将RFQ加速器与电子回旋加速器或者其他的部件进行相结合应用到中子源中，结构比较复杂，不利于生产安装，目前，将单独的RFQ加速器应用到中子源的研究领域还处在空白的阶段。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种中子源，将单独的RFQ加速器应用到中子源中，体积小、占用空间少，中子产额高、便于生产安装。

本发明实施例提供了一种中子源，包括：离子源、低能传输段、RFQ加速器、高能传输段、射频功率源、靶站装置以及控制系统；

所述离子源与低能传输段连接，用于产生离子；

所述低能传输段与RFQ加速器连接，用于对离子的束流进行调节；

所述RFQ加速器与高能传输段连接，用于对离子的束流进行加速，以使每个离子的能量在0.1-10MeV之间；

所述高能传输段与靶站装置连接，用于对加速后的离子的束流进行调节，以使离子的束流符合打靶的要求；

所述射频功率源与RFQ加速器连接，用于为RFQ加速器提供射频信号；

所述靶站装置与所述RFQ加速器连接，用于将离子的束流引入，并利用离子的束流进行打靶，以产生中子，并将中子引出；

所述控制系统分别与离子源、低能传输段、RFQ加速器、高能传输段和靶站装置连接，用于对离子源、低能传输段、RFQ加速器、高能传输段和靶站装置进行控制。

进一步的，所述离子源为电子回旋共振ECR离子源或者潘宁离子源；其中，离子源产生的离子为质子或氘离子。

进一步的，所述低能传输段，包括：第一螺线管透镜、第一导向磁铁、第二导向磁铁和第二螺线管透镜；

所述第一螺线管透镜与离子源连接，用于对离子进行聚焦，以调节离子的束流的椭圆参数；

所述第一导向磁铁与第一螺旋透镜连接，用于对离子的束流进行X方向的调节；

所述第二导向磁铁与所述第一导向磁铁连接，用于对离子的束流进行Y方向的调节；

所述第二螺线管透镜与第二导向磁铁连接，用于对方向调节后的离子的束流就行聚焦，以调节离子的束流的椭圆参数。

进一步的，所述RFQ加速器为四翼型或四杆型；

所述RFQ加速器，用于对离子的束流进行加速，以使每个离子的能量在0.1-10MeV之间；

所述RFQ加速器内部设有第一冷却系统，所述第一冷却系统，用于对RFQ加速器进行降温。

进一步的，所述高能传输段包括：快阀、磁导向、三组合四极透镜、束诊腔和束流变压器；

所述快阀，设于RFQ加速器的出口处，用于当靶站装置被离子的束流击穿发生真空泄露时，保护所述离子源、低能传输段和RFQ的真空；

所述磁导向经快阀与RFQ加速器连接，用于将离子的束流偏轴状态和倾角状态量导回到合轴零偏角状态；

所述三组合四极透镜与磁导向连接，用于对离子的束流进行聚焦，控制离子束流轰击到靶的束斑大小；

所述束诊腔与三组合四极透镜连接，所述束诊腔内设有束流位置探测器和荧光靶束流剖面探测器；所述束流位置探测器，用于对离子的束流进行位置信息的监测；所述荧光靶束流剖面探测器，用于获取离子的束流剖面信息；

所述束流变压器与束诊腔连接，用于记录和显示离子的束流强度。

进一步的，所述射频功率源包括：高频发射机、同轴馈管、第一定向耦合器、第二定向耦合器、功率耦合环和第二冷却系统；

所述高频发射机，用于发射高频信号；

所述同轴馈管通过第一定向耦合器与高频发射机连接，用于将高频信号的功率进行传递；

第一定向耦合器和第二定向耦合器分别设于同轴馈管的两端，所述第一定向耦合器与高频发射机连接，用于将高频信号的功率传递给同轴馈管，并对高频信号的功率进行监测；所述第二定向耦合器与功率耦合环连接，用于将同轴馈管上的功率传递给功率耦合环，并对馈管上输出的功率进行监测；

所述功率耦合环与RFQ加速器连接，用于将同轴馈管上高频信号的功率耦合到RFQ加速器中；

所述第二冷却系统设于射频功率源内部，用于对射频功率源进行降温。

进一步的，所述高频发射机包括：信号发生器，固态放大器、前级放大器和末级放大器；

所述信号发生器与固态放大器输入端连接；所述固态放大器输出端与前级放大器的输入端连接；所述前级放大器的输出端与末级放大器的输入端连接；所述末级放大器的输出端与RFQ加速器连接。

进一步的，所述靶站装置包括：靶核、慢化体、屏蔽体、束流孔道、引出孔道和第三冷却系统；

所述靶核，用于产生中子；

所述慢化体包裹所述的靶核，用于降低靶核产生的中子的能量；

所述屏蔽体包裹所述的慢化体，用于屏蔽靶核产生的中子及其他放射性核素；

所述束流孔道设于屏蔽体和慢化体的内部，所述束流孔道的入口设于屏蔽体的表面上，所述束流孔道的入口通过管道与高能传输段连接；所述束流孔道的出口与靶核一端连接，所述束流孔道用于将离子的束流引入到靶核；

所述引出孔道设于屏蔽体和慢化体的内部，所述引出孔道的一端与靶核的另一端连接，用于将靶核产生的中子进行引出；

所述第三冷却系统设于靶站装置内部，用于对靶站装置进行降温。

进一步的，所述靶核为锂靶或铍靶。

本发明实施例提供的一种中子源，通过低能传输段对离子的束流进行调节，通过RFQ加速器对离子的束流进行加速，以使每个离子的能量在0.1-10MeV之间，通过高能传输段对加速后离子的束流进行调节；通过所述靶站装置能够进行离子的束流的打靶，以产生中子，并将中子引出。本发明实施例能够将单独的RFQ加速器应用到中子源中，体积小、占用空间少，中子产额高、便于生产安装。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例一提供的一种中子源结构框图；

图2是本发明实施例一提供的四翼型RFQ加速器的内部结构图；

图3是本发明实施例一提供的四杆型RFQ加速器的内部结构图；

图4是本发明实施例二提供的一种中子源的结构框图；

图5为本发明实施例二提供的不同离子撞击靶核产生中子的阈能范围图；

图6是本发明实施例二的提供的靶站装置的部分结构图；

图7是本发明实施例二提供的靶站装置的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种中子源的结构框图；如图1所示，

所述的中子源包括：离子源111、低能传输段112、RFQ加速器113、高能传输段114、射频功率源115、控制系统116和靶站装置117。

所述离子源111与低能传输段112连接，用于产生离子；其中，离子源111可以采用电子回旋共振(ElectronCyclotronResonanc，ECR)离子源或者潘宁源，产生的离子为质子或者氘离子，离子出口能量为几十千电子伏，束流强度为毫安量级。

所述低能传输段112与RFQ加速器113连接，用于对离子的束流进行调节；

所述RFQ加速器113与高能传输段114连接，用于对离子的束流进行加速，以使每个离的能量在0.1-10MeV之间。

其中，所述RFQ加速器为四翼型或四杆型。图2是本发明实施例一提供的四翼型RFQ加速器的内部结构图，如图2所示，四根电极210和支撑结构为一体，一直延伸并固定到腔壁上，该结构机械强度大，水冷系统回路加工很方便，水冷效果也非常好，适合CW运行。四翼型RFQ加速器工作频率范围一般在200MHz-400MHz，因此更适合于加速较轻的粒子。

图3是本发明实施例一提供的四杆型RFQ加速器的内部结构图，如图3所示，电极220是四根调制变化的杆，支撑板230以左右交替变化的方式对电极进行支撑。四翼型RFQ加速器的四翼(支撑结构)分别在四个象限，而四杆型RFQ加速器支撑结构只在一侧，因此相同频率下后者的结构更加紧凑，实际工作中需要有效的水冷系统进行冷却，因此其也更适合于工作在脉冲模式下。四杆型RFQ加速器工作频率一般在几十MHz到200MHz之间，适合加速较重的离子。

在上述实施例的基础上，离子所需的能量不同，对离子进行加速所使用的RFQ加速器也是不同的。

如图1所示，所述高能传输段114与靶站装置117连接，用于对加速后的离子的束流进行调节，以使离子的束流符合打靶的要求；所述射频功率源115与RFQ加速器113连接，用于为RFQ加速器113提供射频信号。

所述控制系统116分别与离子源111、低能传输段112、RFQ加速器113、高能传输段114和靶站装置117连接，用于对离子源111、低能传输段112、RFQ加速器113、高能传输段114和靶站装置117进行控制。其中，控制系统116能够控制从离子源111中出来的离子能量、控制低能传输段112中电流的大小进而实现对离子的束流调节、控制RFQ加速器113功率的输出、控制高能传输段114中电流的大小进而实现对离子的束流调节、控制靶站装置117中中子的产生等。

在上述实施例的基础上，控制系统116还具有其他的控制功能；控制系统116的程序由可编辑控制器(PLC)进行编写，控制系统可以采用控制面板的形式对各个装置进行控制，也可以通过计算机对各个装置进行控制。

上述生产系统的工作过程如下：如图1所示，离子源111产生离子以后，进入低能传输段112，通过低能传输段112对离子的束流进行聚焦以及在离子的束流方向上进行调节，进入RFQ加速器113。在RFQ加速器113中对离子的束流进行加速，使离子获得更高的能量，确保每个离子的能量在0.1-10MeV之间；离子的束流从RFQ加速器113中出来以后，进入到高能传输段114，高能传输段114对离子进行调节，其中包括离子的束流聚焦、离子的束流强度的调节等。离子的束流经过高能传输段114以后，进入靶站装置117，在靶站装置117中进行打靶，产生中子，最后经靶站装置117将产生的中子引出。其中，在上述过程中，射频功率源115为RFQ加速器113提供射频信号，将射频信号的功率耦合到RFQ加速器113中；控制系统116对离子源111、低能传输段112、RFQ加速器113、高能传输段114和靶站装置117进行控制。

本发明实施例提供的一种中子源，通过低能传输段对离子的束流进行调节，通过RFQ加速器对离子的束流进行加速，以使每个离子的能量在0.1-10MeV之间，通过高能传输段对加速后离子的束流进行调节；通过所述靶站装置进行离子的束流的打靶，以产生中子，并将中子引出。本发明实施例能够将单独的RFQ加速器应用到中子源中，体积小、占用空间少，中子产额高、便于生产安装。

实施例二

图4是本发明实施例二提供的一种中子源的结构框图；在上述实施例一的基础上对各个装置进行了优化。如图4所示，所述低能传输段112，包括：第一螺线管透镜1121、第一导向磁铁1122、第二导向磁铁1123和第二螺线管透镜1124；其中，所述第一螺线管透镜1121与离子源111连接，用于对离子进行聚焦，以调节离子的束流的椭圆参数；所述第一导向磁铁1122与第一螺旋透镜1121连接，用于对离子的束流进行X方向的调节；所述第二导向磁铁1123与所述第一导向磁铁1122连接，用于对离子的束流进行Y方向的调节；所述第二螺线管透镜1124与第二导向磁铁1123连接，用于对方向调节后的离子的束流就行聚焦，以调节离子的束流的椭圆参数。

在本实施例中，第一螺线管透镜1121和第二螺线管透镜1124均可以采用在一个金属圆筒上缠绕导线的方式制成，离子的束流在金属圆筒中通过；导线中通电可以产生磁场，改变导线中电流的大小，可以改变磁场的大小，通过第一螺线管透镜1121和第二螺线管透镜1124可以实现对离子的束流进行聚焦。第一导向磁铁1122和第二导向磁铁1123均是电磁铁，通过导向电源对第一导向磁铁1122和第二导向磁铁1123通电(图中未示出)，导向电源可实现正负电流的连续可调，即导向对离子的束流在X和Y方向上能正负连续可调。在低能传输段，第一螺线管透镜1121、第一导向磁铁1122、第二导向磁铁1123和第二螺线管透镜1124均密封，在低能传输段中通入氩气作为空间电荷补偿，抑制发射度的增长，进气在0.1-0.35sccm之间调节，气压约为5.3×10^-3Pa。

在上述实施例的基础上，在低能传输段的末端，还可以设置一个束流吸收锥和束流探测器(图中未示出)。其中，束流吸收锥，用于防止离子的束晕轰击RFQ加速器中的电极；束流探测器，用于探测离子的束流强度，以使对离子的束流进行控制。

在上述实施例的基础上，所述RFQ加速器113，用于对离子的束流进行加速，以使每个离子的能量在0.1-10MeV之间；所述RFQ加速器113内部设有第一冷却系统1131，所述第一冷却系统1131，用于对RFQ加速器113进行降温。其中，所述RFQ加速器113中的电极是四根沿束流方向近似正弦调制电极制成的。通过合理的射频(RF)激励，可以使相邻的电极带异种电位，相对电极带同种电位，因而不但可以产生横向四极聚焦电场，而且产生了纵向的高频加速电场，使得RFQ加速器能够实现对离子的束流进行加速，又能在横向受到较高的强聚焦四极电场的聚焦作用，结构紧凑，体积小巧。

在本实施例中，RFQ加速器将离子的能量加速到特定的范围内，才会打靶产生中子，其中，表1记录了几种核反应的产生中子过程中的数据，其中，7Li(P,n)-7Be产生中子过程中，入射离子的能量在1.92-2.4MeV之间。

表1

核反应	Q值/MeV	单能中子区/MeV	入射粒子能量/MeV
				D(d,n)³He	3.270	2.4～8.0	0.1～4.5
T(d,n)⁴He	17.59	12～20	0.1～3.8

⁷Li(p,n)⁷Be	-1.644	0.12～0.6	1.92～2.4
				T(p,n)³He	-0.763	0.3～7.5	1.15～8.4

图5为不同离子撞击靶核产生中子的阈能范围图；其中，横坐标为入射离子的能量，纵坐标为产生中子的通量。如图5所示，只有当入射离子达到一定能量后撞击靶核才会产生中子。

在上述实施例的基础上，如图4所示，所述高能传输段包括：快阀1141、磁导向1142、三组合四极透镜1143、束诊腔1144和束流变压器1145。所述快阀1141，设于RFQ加速器113的出口处，与外部位于靶站装置117附近的真空探测器配合使用，如果靶站装置117被离子的束流击穿发生真空泄漏，所述快阀1141能够在1-2ms时间内关闭并保护离子源111、低能传输段112以及RFQ加速器113的真空，其中，真空探测器能够对靶站装置117的真空状态进行探测。所述磁导向1142经快阀1141与RFQ加速器113连接，用于将离子的束流偏轴状态和倾角状态量导回到合轴零偏角状态；所述三组合四极透镜1143与磁导向1142连接，用于对离子的束流进行聚焦，控制离子束流轰击到靶的束斑大小；所述束诊腔1144与三组合四极透镜1143连接，所述束诊腔1144内设有束流位置探测器11441和荧光靶束流剖面探测器11442；所述束流位置探测器11441，用于对离子的束流进行位置信息的监测；所述荧光靶束流剖面探测器11442，用于获取离子的束流剖面信息；所述束流变压器1145与束诊腔1144连接，用于记录和显示离子的束流强度。其中，磁导向1142为磁铁，产生磁场，对离子的束流有导向作用。

在上述实施例的基础上，如图4所示，所述射频功率源115包括：高频发射机1151、同轴馈管1152、第一定向耦合器1153、第二定向耦合器1154、功率耦合环1155和第二冷却系统1156；所述高频发射机1151，用于发射高频信号；所述同轴馈管1152通过第一定向耦合器1153与高频发射机1151连接，用于将高频信号的功率进行传递；第一定向耦合器1153和第二定向耦合器1154分别设于同轴馈管1152的两端，所述第一定向耦合器1153与高频发射机1151连接，用于将高频信号的功率传递给同轴馈管1152，并对高频信号的功率进行监测；所述第二定向耦合器1154与功率耦合环1155连接，用于将同轴馈管1152上的功率传递给功率耦合环1155，并对同轴馈管1152上输出的功率进行监测；所述功率耦合环1155与RFQ加速器113连接，用于将同轴馈管1152上高频信号的功率耦合到RFQ加速器113中；所述第二冷却系统1156设于射频功率源内部，用于对射频功率源进行降温。

在本实施例中，同轴馈管1152是同心的空心铜管。在高频发射机1151向RFQ加速器113进行功率传递的过程中，同轴馈管1152传递的射高频信号的功率不能直接加在RFQ加速器113上，需要经过功率耦合环1155将同轴馈管1152上射频信号的功率耦合到RFQ加速器113中。

在本实施例中，如图4所示，所述高频发射机1151包括：信号发生器11511，固态放大器11512、前级放大器11513和末级放大器11514；其中，所述信号发生器11511与固态放大器11512输入端连接；所述固态放大器11512输出端与前级放大器11513的输入端连接；所述前级放大器11513的输出端与末级放大器11514的输入端连接；所述末级放大器11514的输出端与RFQ加速器113连接。

具体的，信号发生器11511发射出的射频信号的功率为几毫瓦，经由固态放大器11512将功率放大到几个千瓦，再由前级放大器11513放大到几十千瓦，最后由末级放大器11514放大到几百千瓦，经同轴馈管1152引出，将射频信号的功率馈送到RFQ加速器113中。

具体的，第二冷却系统1156对射频功率源115中的前级放大器11513和末级放大器11514进行降温，并且所述的第二冷却系统与第一冷却系统可以设置成一个冷却系统。

在上述实施例的基础上，如图4所示，所述靶站装置117包括：靶核1171、慢化体1172、屏蔽体1173、束流孔道1174、引出孔道1175和第三冷却系统1176；其中，所述靶核1171，用于产生中子；所述慢化体1172包裹所述的靶核1171，用于降低靶核1171产生的中子的能量；所述屏蔽体1173包裹所述的慢化体1172，用于屏蔽靶核1171产生的中子以及其他放射性核素，其中，靶核优选为锂靶或铍靶。

在本实施例中，如图6和图7所示，所述束流孔道1174设于屏蔽体1173和慢化体1172的内部，所述束流孔道1174的入口设于屏蔽体1173的表面上，所述束流孔道1174的入口通过管道与高能传输段连接；所述束流孔道1174的出口与靶核1171一端连接，所述束流孔道1174用于将离子的束流引入到靶核1171；所述引出孔道1175设于屏蔽体1173和慢化体1172的内部，所述引出孔道1175的一端与靶核1171的另一端连接，用于将靶核1171产生的中子进行引出；所述第三冷却系统1176设于靶站装置117内部，用于对靶站装置117进行降温(图4所示)。其中，采用上述的中子源产生的中子产额超过10¹³n/s。

本发明实施例二提供的一种中子源，在上述实施例一的基础上对各个装置进行了优化，能够将单独的RFQ加速器应用到中子源中，体积小、占用空间少，中子产额高、便于生产安装。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种中子源，其特征在于，包括：离子源、低能传输段、RFQ加速器、高能传输段、射频功率源、靶站装置以及控制系统；

所述离子源与低能传输段连接，用于产生离子；

2.根据权利要求1所述的中子源，其特征在于，所述离子源为电子回旋共振ECR离子源或者潘宁离子源；其中，离子源产生的离子为质子或氘离子。

3.根据权利要求1所述的中子源，其特征在于，所述低能传输段，包括：第一螺线管透镜、第一导向磁铁、第二导向磁铁和第二螺线管透镜；

4.根据权利要求1所述的中子源，其特征在于，

所述RFQ加速器为四翼型或四杆型；

所述RFQ加速器，用于对离子的束流进行加速，以使每个离子能量在0.1-10MeV之间；

5.根据权利要求1所述的中子源，其特征在于，所述高能传输段包括：快阀、磁导向、三组合四极透镜、束诊腔和束流变压器；

所述快阀，设于RFQ加速器的出口处，用于当靶站装置被离子的束流击穿发生真空泄露时,保护所述离子源、低能传输段和RFQ加速器的真空；

6.根据权利要求1所述的中子源，其特征在于，所述射频功率源包括：高频发射机、同轴馈管、第一定向耦合器、第二定向耦合器、功率耦合环和第二冷却系统；

所述高频发射机，用于发射高频信号；

7.根据权利要求6所述的中子源，其特征在于，

所述高频发射机包括：信号发生器，固态放大器、前级放大器和末级放大器；

8.根据权利要求1所述的中子源，其特征在于，所述靶站装置包括：靶核、慢化体、屏蔽体、束流孔道、引出孔道和第三冷却系统；

所述靶核，用于产生中子；

9.根据权利要求8所述的中子源，其特征在于，所述靶核为锂靶或铍靶。