CN105848402A - 一种扫描靶 - Google Patents
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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
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。
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