CN105848402A - 一种扫描靶 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扫描靶，所述扫描靶是用于加速器中子源的扫描靶。在加速器完成氘或氘氚混合离子束的加速之后，利用扫描磁场将离子束快速均匀地展开成直线型长条束斑，展开长度超过束斑直径几十倍，然后轰击到一个移动靶上，在平行于中子靶的方向产生具有点源特性的等效出射中子束。由于扫描后束斑的位移速度快，在每个点上的停留时间短，引起的瞬态温升低。同时，靶面上轰击区域均匀展宽了几十倍，平均束流密度降低几十倍，平均温升大幅降低，靶寿命延长。适合在需要方向性及点源特性的中子源上应用。

Description

一种扫描靶

技术领域

本发明属于核技术及应用领域，具体涉及一种扫描靶。

背景技术

加速器中子源是利用离子源产生的氘离子或氘氚混合离子，经过加速电场的加速，获得一定的能量，在靶上发生D/D或D/T聚变反应，并在4π方向上放出中子。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。

加速器中子源的高能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，靶上能够承受的功率密度也必须控制在一个合理的范围，保证靶的正常使用。通常情况下，为了加快成像速度，提高工作效率，都希望提高中子产额，也就是增加离子束流强度或者离子束能量，导致靶上产生更大的沉积功率，靶面温升增加，靶寿命降低，成为最大的技术瓶颈。

目前的直线加速结构的中子发生器，技术比较成熟，装置数量较多，如何提升这类中子发生器的中子产额，延长靶的使用寿命，是一个亟待解决的问题。

当前有三种方式提升靶承受沉积功率的能力：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，而且束斑在靶中发生散射，点源特性变差。

目前，尚无一种经济、结构简单、具有方向性和点源特性的中子靶。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种扫描靶。

本发明的扫描靶，其特点是，包括扫描磁铁、移动靶，入射离子束穿过扫描磁铁，在Y方向来回偏转，形成扇形展开的扫描离子束，扫描离子束轰击移动靶，产生与等效焦斑相同特性的出射方向中子束；

所述的入射离子束的氘或氘氚混合离子束中的一种。

所述的扫描磁铁产生Z方向的交变磁场，频率20Hz~10kHz；

所述的扫描离子束展开角β范围为-30°~30°。

所述的移动靶的轰击面为斜面。

所述的斜面的倾斜角α范围为3°~15°。

所述的移动靶在z方向来回平移。

入射离子束从X方向入射，穿过扫描磁铁，在交变磁场的作用下，在Y方向上来回扫描展宽。移动靶是一个可以在Z方向作来回运动的中子靶，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，也即是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，因为轰击面积已经远大于原有束斑面积，峰值功率密度大幅度降低，超过普通摆动靶或旋转靶的温控效果。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方向上形成与点状中子源等效的准直性很高的出射中子束。

本发明的扫描靶，扫描磁铁结构简单，体积小，成本低，离子束在靶面上的移动速度远快于高速旋转靶，离子束轰击靶表面时引起的瞬态温升大幅度降低。同时，没有了高速旋转中子靶中的高速运动部件及动密封水冷结构，靶系统的可靠性大幅提升，靶寿命得以延长。在保证靶面瞬态温升与旋转靶相同的条件下，还可以进一步增加离子束流强，增加中子产额。

附图说明

图1为本发明的扫描靶的示意图；

图中，1.入射离子束 2.扫描磁铁 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，本发明的扫描靶包括扫描磁铁2、移动靶3，入射离子束1穿过扫描磁铁2，在Y方向快速来回偏转，形成扇形展开的扫描离子束，扫描离子束轰击到移动靶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。

所述的扫描磁铁2产生Z方向的高频交变磁场，频率20Hz~10kHz；

所述的扫描离子束展开角β范围为-30°~30°。

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

原有中子发生器系统的离子束能量300keV，流强12.5mA，束斑直径15mm，旋转靶直径200mm，转速1100转/分钟，轰击区的运动线速度为11.5m/s，每个点的束流轰击时间为0.87ms。采用本发明技术，改造此系统中子靶：用扫描磁铁2将入射离子束1均匀扫描，展开成底部长度200mm的扇形离子束，扫描展开角度β为-10°~10°，固定靶的斜面倾斜角α范围为3°~15°。为保持束斑在靶面上的运动速度不低于11.5m/s，只需要扫描频率大于28.75Hz即可。考虑到90度发射方向产额略低，出射方向的中子通量减少10%左右，需要增加离子束流强10%左右，也即是13.75mA，可以保持到原来的出射中子束强度。瞬态温升也要控制不变，扫描频率需要提升10%，达到31.6Hz，这样就可以达到高速旋转靶的瞬态温升水平。实际上扫描频率可以很容易地提高几十倍，靶面上的瞬态温升将大幅度降低，靶寿命可以大幅度延长。

实施例2

在实施例1的基础上，将扫描频率提高15倍左右，到达0.5kHz，离子束流强提升5倍左右，达到70mA，在束斑直径不变，扫描宽度展开成长度400mm的扇形离子束，扫描展开角度β为-20°~20°。把固定靶改成移动靶3，移动靶3的斜面倾斜角α范围为3°~15°，移动靶3来回平移±50mm的范围，靶面上的瞬态温升比原有旋转靶约低6倍左右，而平均温升降低了4倍左右，在有效延长靶寿命的同时，中子产额提升5倍。

实施例3

原有中子发生器系统的离子束能量380keV，流强150mA，束斑直径10mm，旋转靶直径460mm，转速5000转/分钟，轰击区的运动线速度为120m/s，每个点的束流轰击时间为0.083ms。采用本发明技术，改造此系统中子靶：用扫描磁铁2将入射离子束1均匀扫描展开成长度200mm的扇形离子束，扫描展开角度β为-30°~30°，移动靶3的斜面倾斜角α范围为3°~15°。束斑在靶面上的运动速度不低于120m/s，只需要扫描频率大于130Hz。考虑到90度发射方向产额略低的因素，出射方向的中子通量少了10%左右，要保持到原来的水平，需要提升离子束流强增加了10%，也即是132mA。瞬态温升也要控制不变，将扫描频率再提升10%，达到145Hz，这样就可以达到原来高速旋转靶的瞬态温升水平。实际上扫描频率可以容易地再提高几十倍，靶面上的瞬态温升将大幅度降低。移动靶3来回平移±50mm，轰击区域比原有旋转靶大一些，靶面平均温升略有降低，因此，靶寿命可以大幅度延长。

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)

1.一种扫描靶，其特征在于，所述的扫描靶包括扫描磁铁（2）、移动靶（3），入射离子束（1）穿过扫描磁铁（2），在Y方向来回偏转，形成扇形展开的扫描离子束，扫描离子束轰击到移动靶（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所述的扫描靶，其特征在于，所述入射离子束（1）为氘或氘氚混合离子束中的一种。

3.根据权利要求1所述的扫描靶，其特征在于，扫描磁铁（2）产生Z方向的交变磁场，频率20Hz~10kHz。

4.根据权利要求1所述的扫描靶，其特征在于，扫描离子束的展开角β范围为-30°~30°。

5.根据权利要求1所述的扫描靶，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所述的扫描靶，其特征在于，所述的移动靶（3）在z方向来回平移。