CN105848401A - 一种等效微焦靶 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等效微焦靶，所述装置在加速器将氘或氘氚混合离子束加速到额定能量后，采用四极透镜将大直径截面的束斑，在一个平行于靶表面的方向上，聚焦至所需要的微焦斑尺寸，而在其垂直方向上散焦展开到一定长度，形成扇形离子束。扇形离子束轰击到移动靶上，在平行于靶面的展开方向上，产生与微焦斑点状中子源等效的出射中子束。由于大直径截面的束斑展开成为扇形离子束，沉积在靶面上的热功率峰值密度大幅度降低，平均热功率密度也大幅度降低，靶面温升相应地大幅度降低。还可以进一步提升离子束的总功率，进而提升中子产额，达到同时缩小等效斑点尺寸和提升中子产额的目的。适合在需要具备方向性和点源特性的高产额加速器中子源上应用。

Description

一种等效微焦靶

技术领域

本发明属于核技术及应用领域，具体涉及一种等效微焦靶。

背景技术

直线加速结构的中子发生器是比较成熟的技术，产品数量也很多，如何提升这类中子发生器的中子产额，延长靶的使用寿命，同时减小焦斑尺寸，提高成像质量，是一个亟待解决的问题。

当前有三种方式提升靶承受离子束轰击功率的能力：一是采用摇摆靶，让靶面作机械摆动，该方法的优点是在不增加束斑尺寸的条件下，离子束在靶面上不再仅仅轰击一个点，而是一个面，将平均功率大幅度降低，可以增加离子束流，点源特性保持不变；其缺点是机械摆动的速度不够快，展开的长度有限，体积较大，同时在回转的边缘有停顿，瞬态温升比较高，单纯的摇摆靶，其沉积功率密度可以提升几倍，提升幅度有限。二是《旋转靶强流中子源及其应用》（期刊《现代物理知识》，1996年第05期）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，通过靶面的高速旋转，大幅度降低瞬时温升和平均温升，从而大幅度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，旋转速度极快（1000～5000转/分钟），进一步提升转速的难度很大，可靠性差，成本高；三是中国专利文献库公开的CN201010238639.5一种采用无窗气体靶的小型中子源，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极高，真空系统体积庞大，能耗高，造价高。

目前，尚无一种经济、结构简单、具有方向性和点源特性的微焦靶。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种等效微焦靶。

本发明的等效微焦靶，其特点是，包括四极透镜、移动靶，入射离子束穿过四极透镜，形成扇形离子束，扇形离子束轰击移动靶，产生与等效焦斑相同特性的出射方向中子束；

所述的入射离子束为氘或氘氚混合离子束中的一种。

所述的四极透镜为电四极透镜或磁四极透镜中的一种，优选电四极透镜。

所述的扇形离子束在移动靶上轰击区域的Z方向宽度范围为5mm~10mm。

所述的移动靶的轰击面为斜面，倾斜角α范围为3°~15°。

所述的移动靶在z方向来回平移。

截面直径较大的入射离子束从X方向入射，从四极透镜中部穿过，在四极透镜作用下，在Y方向上散焦展宽，而在Z方向上聚焦缩小至需要的微尺寸，形成扇形离子束。移动靶是一个可以在Z方向作来回平移的中子靶，使离子束轰击在不同的靶位置上；移动靶每次运动回转位置是变化的，即运动回转的位置不是固定在一条边界上，而是基本均匀地分布在整个靶面上。在不追求高产额时，也可以采用固定靶，因为初始束斑直径比较大，峰值功率密度大幅度降低。移动靶的靶面略向中子束出射方向，即Y方向倾斜一个微小角度α，便于中子顺利出射，倾斜角度α由中子束出射方向上所需要的投影尺寸确定。离子束轰击到靶上后，将发生DD或者DT反应，放射出中子，在Y方向上形成与微焦斑点状中子发生器等效的准直性很高的出射中子束。

本发明的等效微焦靶，在传统直线结构加速器中子源的基础上，采用四极透镜将截面直径较大的离子束在一个方向聚焦到所需要的等效微焦斑尺寸，在另一个方向大幅度展宽，形成扇形离子束，而不是将整个离子束都缩小到微尺寸。在得到与微焦斑点状中子源等效特性的同时，大幅度降低了靶面上沉积功率密度，延长了靶的寿命，还可以进一步增加离子束流强，提升中子产额。

附图说明

图1为本发明的等效微焦靶的示意图；

图中，1.入射离子束 2.四极透镜 3.移动靶 4.等效焦斑 5.出射方向中子束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1所示，本发明的等效微焦靶包括四极透镜2、移动靶3，入射离子束1穿过四极透镜2，形成扇形离子束，扇形离子束轰击移动靶3，产生与等效焦斑4相同特性的出射方向中子束5；图中的X、Y、Z为三维坐标系。

所述的入射离子束1为氘或氘氚混合离子束中的一种。

所述的四极透镜2为电四极透镜或磁四极透镜中的一种，优选电四极透镜。

所述的扇形离子束在移动靶3上轰击区域的Z方向宽度范围为5mm~10mm。

所述的移动靶3的轰击面为斜面。

所述的斜面的倾斜角α范围为3°~15°。

所述的移动靶3在z方向来回平移。

实施例1

在已建好的250keV，2mA，10mm束斑直径中子发生器上，要想得到5mm等效束斑的效果，在离子束流强不变的条件下，束流的峰值密度增加4倍，散热条件不变时，温升大约增加4倍，将远远超过靶的允许工作温度。如果保证靶的温升不变，则需要降低4倍的离子束流，中子产额降低4倍。采用本发明的等效微焦靶，改造原有中子靶：先调节束流光学系统的聚焦参数，将束斑直径增加至33mm，离子束流强提高至2.2mA，束流密度降低约10倍，然后经过电四极透镜后，变成扇形离子束，在靶面上形成短方向5mm，长方向220mm左右的轰击区，固定靶的轰击面斜面倾斜角α范围为3°~15°。靶面上沉积的热功率峰值密度及平均密度大约降低了10倍，靶面温升也大致降低了10倍左右，靶的使用寿命得以大幅度延长，等效焦斑尺寸缩小一半，成像质量也大幅度提升。考虑到90度发射方向产额略低的因素，离子束流强需要增加10%，保证有效中子产额不变。

实施例2

在已建好的250keV，2mA，10mm束斑直径中子发生器上，要想得到7mm等效束斑的效果，在离子束流强不变的条件下，束流的峰值密度增加2倍，散热条件不变时，温升大约增加2倍，靶的寿命将大幅度缩短。如果保证靶的温升不变，则需要降低2倍的离子束流，中子产额降低2倍。采用本发明的等效微焦靶，改造原有中子靶：先调节光学系统的聚焦参数，将束斑直径增加至33mm，离子束流强提高至2.2mA，束流密度降低约10倍，然后经过电四极透镜后，变成扇形离子束，在靶面上形成短方向7mm，长方向160mm左右的轰击区，固定靶的轰击面斜面倾斜角α范围为3°~15°。靶面上沉积的热功率峰值密度及平均密度大约降低了10倍，靶面温升也大致降低了10倍左右，大幅度延长靶的使用寿命；等效焦斑尺寸缩小30%，提高了成像质量。考虑到90度发射方向产额略低的因素，离子束流强增加10%，保证有效中子产额不变。

实施例3

在已建好的250keV，2mA，10mm束斑直径中子发生器上，改造离子源，将离子束流强提升11倍，达到22mA，束斑直径增加至33mm。再采用本发明技术，改造原有中子靶：离子束经过电四极透镜后，变成扇形离子束，在靶面上形成短方向10mm，长度方向110mm左右的轰击区，移动靶3的轰击面斜面倾斜角α范围为3°~15°，移动靶3来回平移±50mm，靶面上沉积的热功率峰值密度及平均密度降低10倍，靶面温升降低10倍，靶的使用寿命大幅延长，等效焦斑保持10mm不变，有效中子产额提升10倍，成像时间缩减10倍。

最后应说明的是，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 (6)

1.一种等效微焦靶，其特征在于，所述的等效微焦靶包括四极透镜（2）、移动靶（3），入射离子束（1）穿过四极透镜（2），形成扇形离子束，扇形离子束轰击移动靶（3），产生与等效焦斑（4）相同特性的出射方向中子束（5）；

所述的移动靶（3）的轰击面为斜面。

2.根据权利要求1所述的等效微焦靶，其特征在于，所述的入射离子束（1）为氘或氘氚混合离子束中的一种。

3.根据权利要求1所述的等效微焦靶，其特征在于，所述的四极透镜（2）为电四极透镜或磁四极透镜中的一种。

4.根据权利要求1所述的等效微焦靶，其特征在于，所述的扇形离子束在移动靶（3）上轰击区域的Z方向宽度范围为5mm~10mm。

5.根据权利要求1所述的等效微焦靶，其特征在于，所述的移动靶斜面倾斜角α范围为3°~15°。

6.根据权利要求1所述的等效微焦靶，其特征在于，所述的移动靶（3）在z方向来回平移。