CN106683737B - 一种气态靶中子源 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种气态靶中子源，包括：离子注入系统、差分真空系统和气态靶，所述离子注入系统用于产生单束或多束平行离子束流，所述单束或多束平行离子束流的包络小于所述差分真空系统的内径，所述差分真空系统用于将所述离子束流传输至所述气态靶；所述气态靶中包括反应气体，所述反应气体与所述离子束流发生聚变反应，产生中子，由于本申请中所述离子注入系统能够产生单束或多束平行离子束流，每束所述离子束流的包络小于所述差分真空系统的内径，使得所述单束离子束流包络小于差分真空系统中各个管道或法兰内径，避免束流轰击管壁造成能量损失，从而提高了到达气态靶的离子束流的流强，进而能够提高中子源的源强。
Description
技术领域
本发明涉及核技术及应用领域，具体涉及一种气态靶中子源。
背景技术
氘氚聚变中子源利用强流氘离子束轰击氚靶发生氘氚聚变反应产生14MeV高能聚变中子，可应用于中子物理、医学物理、辐射防护及核技术应用等研究领域，是先进核能与核技术应用研究的必备大科学装置。
现有技术中通常采用固态靶构成1011n/s-1013n/s的强流氘氚聚变中子源；但随着中子产额为1014n/s-1015n/s的超高流强氘氚聚变中子源发展，由于强流离子束的大量能量沉积在靶片上，造成靶点的热流密度超过其承受能力，引起靶片熔穿，造成中子源毁损和氚大量释放的严重事故。
因而出现气态靶代替固态靶的中子源，但目前气态靶中子源装置的实现存在较多难点，使得中子源源强较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种气态靶中子源，以解决现有技术中气态靶中子源源强较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种气态靶中子源，包括依次连接的离子注入系统、差分真空系统和气态靶；
所述离子注入系统用于产生单束或多束平行离子束流，每束所述离子束流的包络小于所述差分真空系统的内径；
所述差分真空系统用于将所述离子束流传输至所述气态靶；
所述气态靶中包括反应气体，所述反应气体与所述离子束流发生聚变反应，产生中子。
优选地，所述离子注入系统包括依次连接的离子源、加速管、真空获得系统、和磁铁系统，其中，所述磁铁系统用于对所述离子束流进行聚焦。
优选地，所述离子注入系统还包括束流分离装置，所述束流分离装置用于将单束离子束流分离为所述多束平行离子束流。
优选地，所述气态靶包括多个气态靶室，所述气态靶室的个数与所述多束平行离子束流的个数相同，且与所述多束平行离子束流一一对应。
优选地，所述气态靶还包括多个束流收集装置，每个所述束流收集装置与每个所述气态靶室相连，用于回收未与所述反应气体发生聚变反应的所述离子束流。
优选地，所述差分真空系统包括至少一级差分真空系统。
优选地，所述差分真空系统包括一级差分真空系统和二级差分真空系统。
优选地，所述一级差分真空系统和所述二级差分真空系统之间的管道壁外还设置有四象限磁铁，所述四象限磁铁用于对所述离子束流进行聚焦。
优选地，所述一级差分真空系统包括与所述一级差分真空系统相连的第一真空泵；所述二级差分真空系统包括与所述二级差分真空系统相连的第二真空泵。
优选地，所述差分真空系统包括小孔径法兰、小直径管道、间歇阀门、真空泵中的至少一种。
优选地，所述气态靶还包括气体回收和循环系统，所述气体回收和循环系统的一端与所述第一真空泵和第二真空泵(24)连接；另一端与所述气态靶室连接；所述气体回收和循环系统用于提纯所述反应气体，并回收提纯后的反应气体，再将所述提纯后的反应气体输入至所述气态靶室进行聚变反应。
优选地，所述离子束流为氘束流或氘氚混合束流。
优选地，所述反应气体为氘气、氘化物、氚气、氚化物，或氘气、氘化物、氚气、氚化物的任意至少两种的混合气体。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的气态靶中子源，包括：离子注入系统、差分真空系统和气态靶，所述离子注入系统能够产生单束或多束平行离子束流，每束所述离子束流的包络小于所述差分真空系统的内径，使得所述离子束流包络小于差分真空系统中各个管道或法兰内径，避免束流轰击管壁造成能量损失，相对于现有技术中离子束流包络较大的单束离子束流而言，由于本申请将单束离子束流包络较小，能够减少单束离子束流传输过程中的损耗，能够更加容易提供较高中子源的源强；或将单束离子束流分为多束平行的离子束流，使得每束离子束流的包络减小，同样能够减少传输过程中的损耗，从而提高了到达气态靶的离子束流的流强，进而能够提高中子源的源强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种气态靶中子源结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种气态靶中子源结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中采用气态靶代替固态靶，一般气态靶中子源通过加速器加速后的氘束流直接轰击反应气体腔室内的气态氚或氘来产生高能中子。因氚或氘呈气体状态，束流能量可分散在气态靶整个反应气体腔室内，因此没有固态靶因靶点热量过于集中而形成的散热难题；同时气态靶中的氚或氘可循环利用，降低装置运行成本。但气态靶的主要技术难点是压强的获得和控制。
而且，一方面高能中子的产生需要大量的氚或氘，因此在气体腔室内氚气或氘气压力需要在103Pa量级。另一方面离子束在传输过程中因电子俘获和碰撞散射与气体分子发生碰撞使离子损失掉，因此，真空度越好，真空室内剩余气体分子越少，越减少与离子的碰撞，从而降低离子的损失，表现为减少离子束的能量损失，因此束流需要在真空环境下传输，以降低束流损失，同时方便束流聚焦，因此加速器末端的真空在10-5Pa量级。综上所述，在氘束流从加速器传输至气态靶过程中，需要跨越从压强10-5Pa至103Pa的空间，而在连通的空间内，气体会自动从高压强流向低压强，为保持压强差，一方面需要使用真空抽气设备对气态靶各反应气体腔室进行实时抽气；另一方面需要通过等离子体窗、小孔径管道、间歇式阀门等方式，减低各级腔室之间的流导，从而减少各级腔室之间流动的气体量。
需要说明的是，为获得真空差分，管道直径达到毫米量级，且束流需要通过长度约3-4米的低真空环境，而针对源强越高的中子源，基于一个氘和一个氚反应产生一个中子，所需源强(每秒多少个中子)越高，则所需的氘离子也越多，因此所需氘束流强度越高，由于同电位离子的相斥作用，离子密集度越高，排斥力越大，离子与离子之间的距离加大，表现为离子束的包络变大；高流强氘束流的束流包络大，在通过小直径长距离差分管道中会导致大量的束流损失，从而降低中子源源强，因此针对基于气态靶的高源强中子源，单束氘束流引出存在较大技术难点。
基于此，本发明提供一种气态靶中子源，如图1所示，图1为本发明实施例提供的气态靶中子源，其中，包括：依次连接的离子注入系统1、差分真空系统2和气态靶3；离子注入系统1用于产生单束或多束平行离子束流，每束离子束流的包络小于差分真空系统2的内径；差分真空系统2用于将离子束流传输至气态靶3；气态靶3中包括反应气体，反应气体与离子束流发生聚变反应，产生中子。
本实施例中离子注入系统1包括依次连接的离子源11、加速管12、真空获得系统13、和磁铁系统14，其中，离子源11中将氘气或氚气进行电离并引出氘束流或氚束流，或者可以将氘气和氚气的混合气体进行电离引出氘氚混合束流，离子源可以引出较高流强的离子束流。加速管12加速经离子源11引出的离子束流至一定能量，用于后续离子束流的传输。真空获得系统13用于维持离子注入系统的真空度，确保离子束流传输的真空环境。
需要说明的是，本实施例中磁铁系统14用于对离子束流进行聚焦。磁铁系统14能够产生磁场，通过磁场对穿过磁场区域的带电离子束流进行聚焦，带电离子在磁场作用下会朝一个方向运动；使得离子束流包络小于差分真空系统2中各个管道与法兰的内径，从而能够避免离子束流轰击管壁造成升温及束流损失。
需要说明的是，本实施例中对差分真空系统2的级数不做限定，本实施例中差分真空系统2包括至少一级差分真空系统。即差分真空系统2可以是一级差分真空系统，也可以包括多级差分真空系统，当一级差分真空系统不能满足压强差的情况下就需要多级差分真空系统，需要说明的是，使用多级差分真空系统会延长束流线长度，造成束流传输距离延长，对离子束流的控制难度加大，因此，本发明中可以根据实际需求选择差分真空系统的级数，本实施例中可选地，如图1所示，差分真空系统2包括一级差分真空系统21和二级差分真空系统23。
一级差分真空系统21和二级差分真空系统23之间的管道壁外还设置有四象限磁铁(图1中未示出)，四象限磁铁用于对离子束流进行聚焦，四象限磁铁提高了单束离子束流传输效率。
差分真空系统2可以通过小直径管道、小孔径法兰、间歇式阀门、大抽速真空泵方式中的一种或多种组合，本实施例中对此不做限定。需要说明的是，本发明实施例中定义所述小直径管道和小孔径法兰的直径范围为3mm-50mm，包括端点值。差分真空系统2实现管道节流、气体抽除和压强跨越，实现加速管12至气态靶3最高8个数量级的压强跨越。本实施例中可选地，一级差分真空系统21包括与一级差分真空系统21相连的第一真空泵；二级差分真空系统23包括与二级差分真空系统23相连的第二真空泵，真空泵用于实现气体抽除。
本实施例中气态靶3包括单个气态靶室31，气态靶室31包括反应气体，用于与离子束流发生聚变反应，产生中子。本实施例中离子注入系统1中的加速管12产生的一定能量的离子束流进入气态靶室31，与气态靶中的反应气体发生聚变反应产生高能中子。本实施例中气态靶室31中的气体压强最高可超过103Pa量级。
本实施例中，气态靶3还可以包括束流收集装置32，束流收集装置32与气态靶室31相连，用于回收未与反应气体发生聚变反应的离子束流，未完全反应的束流沉积在束流收集装置上，能量损失，离子就被吸收，从而收集至束流收集装置32中。
另外，为防止放射性气体扩散及降低运行成本，本实施例中，气态靶3还包括气体回收和循环系统33，气体回收和循环系统33的一端与第一真空泵和第二真空泵24连接；另一端与气态靶室31连接；气体回收和循环系统33用于在线或不在线提纯反应气体，并回收提纯后的反应气体，再将提纯后的反应气体输入至气态靶室31进行聚变反应。具体的，进入气体循环回收装置33的气体，包括了氘、氚、氧、油、水或其他分子，但气态靶需要的仅仅是高纯度的反应气体，因此气体回收和循环系统按照需要将这些混合气体进行分离提纯，分离的方法包括分子筛吸附、低温吸附、金属釉吸附等，气体经过分离提纯后，回收循环后可再次利用。
需要说明的是，本发明实施例中离子束流为氘束流或氘氚混合束流。本实施例中对此不做限定。而对应的，反应气体为氘气、氘化物、氚气、氚化物，或氘气、氘化物、氚气、氚化物的任意至少两种的混合气体，从而可以发生氘氘(D-D)聚变反应或氘氚(D-T)聚变反应，产生中子。当然，在本发明的其他实施例中，所述离子束流还可以为氚束流，对应的所述反应气体为含有氘的气体即可，同样可以发生氘氚(D-T)聚变反应，产生中子，本实施例中对此不做限定。
本发明提供的气态靶中子源，包括：离子注入系统、差分真空系统和气态靶，离子注入系统能够产生单束离子束流，单束离子束流的包络小于差分真空系统的内径，使得单束离子束流包络小于差分真空系统中各个管道或法兰内径，避免束流轰击管壁造成能量损失，从而提高了到达气态靶的离子束流的流强，进而能够提高中子源的源强。
进一步地，本发明还提供一种气态靶中子源，如图2所示，图2为本发明实施例提供的另一种气态靶中子源结构示意图，与上一实施例中不同的是，本实施例中离子注入系统1还包括束流分离装置15，束流分离装置15用于将单束离子束流分离为平行的多束离子流。也即本发明实施例中提供的离子注入系统可以引出平行多束离子束流。需要说明的是，当离子束流为多束时，本实施例中气态靶3包括多个气态靶室31，气态靶室31的个数与多束离子束流的个数相同，且与多束离子束流一一对应。
另外，本发明实施例中，差分真空系统2一级差分真空系统21和二级差分真空系统23。差分真空系统2可以通过小孔径管道、小孔径法兰、间歇式阀门、大抽速真空泵方式中的一种或多种组合，本实施例中对此不做限定。差分真空系统2实现管道节流、气体抽除和压强跨越，实现加速管12至气态靶3最高8个数量级的压强跨越。本实施例中可选地，一级差分真空系统21包括与一级差分真空系统21相连的第一真空泵；二级差分真空系统23包括与二级差分真空系统23相连的第二真空泵，真空泵用于实现。
本实施例差分真空系统中，一级差分真空系统21和二级差分真空系统23之间的管道壁外还设置有四象限磁铁22，四象限磁铁22用于对离子束流进行聚焦，四象限磁铁22提高了多束离子束流传输效率。
需要说明的是，本发明实施例中离子束流为氘束流或氘氚混合束流。本实施例中对此不做限定。而对应的，反应气体为氘气、氘化物、氚气、氚化物，或氘气、氘化物、氚气、氚化物的任意至少两种的混合气体，从而可以发生氘氘(D-D)聚变反应或氘氚(D-T)聚变反应，产生中子。当然，在本发明的其他实施例中，所述离子束流还可以为氚束流，对应的所述反应气体为含有氘的气体即可，同样可以发生氘氚(D-T)聚变反应，产生中子，本实施例中对此不做限定。
因本实施中离子注入系统可以产生多束离子束流，且每个离子束流的包络小于差分真空系统的内径，使得所述单束离子束流包络小于差分真空系统中各个管道或法兰内径，避免束流轰击管壁造成能量损失，从而提高了到达气态靶的离子束流的流强，进而能够提高中子源的源强。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种气态靶中子源，其特征在于，包括依次连接的离子注入系统(1)、差分真空系统(2)和气态靶(3)；
所述离子注入系统(1)包括束流分离装置(15)，所述束流分离装置(15)用于将单束离子束流分离为多束平行离子束流，每束所述离子束流的包络小于所述差分真空系统(2)的内径；
所述差分真空系统(2)用于将所述离子束流传输至所述气态靶(3)，所述差分真空系统(2)包括小孔径法兰、小直径管道、间歇阀门、真空泵中的至少一种；
所述气态靶(3)中包括反应气体，所述反应气体与所述离子束流发生聚变反应，产生中子；
所述气态靶(3)包括多个气态靶室(31)，所述气态靶室(31)的个数与所述多束平行离子束流的个数相同，且与所述多束平行离子束流一一对应。
2.根据权利要求1所述的气态靶中子源，其特征在于，所述离子注入系统(1)包括依次连接的离子源(11)、加速管(12)、真空获得系统(13)和磁铁系统(14)，其中，所述磁铁系统(14)用于对所述离子束流进行聚焦。
3.根据权利要求2所述的气态靶中子源，其特征在于，所述气态靶(3)还包括多个束流收集装置(32)，每个所述束流收集装置(32)与每个所述气态靶室(31)相连，用于回收未与所述反应气体发生聚变反应的所述离子束流。
4.根据权利要求3所述的气态靶中子源，其特征在于，所述差分真空系统(2)包括至少一级差分真空系统。
5.根据权利要求4所述的气态靶中子源，其特征在于，所述差分真空系统(2)包括一级差分真空系统(21)和二级差分真空系统(23)。
6.根据权利要求5所述的气态靶中子源，其特征在于，所述一级差分真空系统(21)和所述二级差分真空系统(23)之间的管道壁外还设置有四象限磁铁(22)，所述四象限磁铁(22)用于对所述离子束流进行聚焦。
7.根据权利要求6所述的气态靶中子源，其特征在于，所述差分真空系统包括与所述一级差分真空系统(21)相连的第一真空泵；以及与所述二级差分真空系统(23)相连的第二真空泵。
8.根据权利要求7所述的气态靶中子源，其特征在于，所述气态靶(3)还包括气体回收和循环系统(33)，所述气体回收和循环系统(33)的一端与所述第一真空泵和第二真空泵(24)连接；另一端与所述气态靶室(31)连接；所述气体回收和循环系统(33)用于提纯所述反应气体，并回收提纯后的反应气体，再将所述提纯后的反应气体输入至所述气态靶室(31)进行聚变反应。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的气态靶中子源，其特征在于，所述离子束流为氘束流或氘氚混合束流。
10.根据权利要求9所述的气态靶中子源，其特征在于，所述反应气体为氘气、氘化物、氚气、氚化物，或氘气、氘化物、氚气、氚化物的任意至少两种的混合气体。
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