CN106710661B - 一种适用于超高流强氘氚聚变中子源的高压差气态靶装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于超高流强氘氚聚变中子源的高压差气态靶装置，包括加速器接口和反应气体腔室，还包括：真空差分系统，包括二级差分室、一级差分室、小孔径长管道、以及小孔径法兰；束流约束装置，用于对小孔径长管道中的氘束流进行聚焦，使得束流包络小于小孔径长管道与小孔径法兰的内径；以及反应气体循环回收装置，通过真空泵与一级差分室和二级差分室连接，用于将真空泵排出的气体经过分离提纯后通过节流阀进入反应气体腔室，其中，自加速器接口离开的氘束流经过真空差分系统、实现加速器末端10^‑5Pa量级至反应气体腔室10³Pa量级的压强跨越后，与反应气体腔室内的氚气或氘气发生聚变反应，产生高能聚变中子，并对氚气或氘气在线提纯、回收、循环。

Description

一种适用于超高流强氘氚聚变中子源的高压差气态靶装置

技术领域

本发明涉及一种适用于超高流强氘氚聚变中子源的高压差气态靶装置，主要用于强流氘氚聚变中子源的中子产生。

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。

目前世界各国在10¹¹-10¹³n/s的强流氘氚聚变中子源上均使用了高速旋转的固态氚靶系统，即将氚吸附于高导热衬底及镀膜上(如氚吸附在钛镀膜和钼基底的固体靶片上)制成氚靶片，同时利用高速旋转配合强制散热达到对靶点冷却的目的。但针对中子产额为10¹⁴-10¹⁶n/s的超高流强氘氚聚变中子源，如果继续使用固态氚靶，强流离子束的大量能量会沉积在氚靶片上极小的面积中，造成靶点的热流密度将超过每平方厘米数百千瓦。如不能对靶片进行有效的冷却散热，会引起靶片温度急剧升高，在毫秒内即可将靶片熔穿，造成中子源毁损和氚大量释放的严重事故。

气态靶通过加速器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。

在实施本发明的过程中，本发明人认识到：气态靶的主要技术难点是压强的获得和控制。一方面根据反应原理，源强越高的中子的产生需要越多的氚或氘，因此在气体腔室内氚气或氘气压力需要在10³Pa量级，另一方面束流需要在真空环境下传输，以降低束流损失，因此加速器末端的真空在10^-5Pa量级。

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，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；另一方面需要通过节流结构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，如何实现压强的跨越是气态靶的一大关键技术。

此外，为获得真空差分，管道直径需要达到毫米量级，且束流需要通过长度约3-4米的低真空环境。气态靶的另一大难点在于保持真空差分的同时，实现高流强束流在低真空度环境下的小直径差分管道中的长距离传输。

此外，气态靶中的反应物质氘或氚呈气体状态，且处于流动状态，出于运行成本和环境污染考虑，需要保证氘气和氚气的封闭式循环。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种适用于超高流强氘氚聚变中子源的高压差气态靶装置。该发明可以用于强流氘氚聚变中子源末端以产生强流聚变中子。通过反应气体腔室内的最高8000Pa压力的氚气或氘气与加速器氘束流发生聚变反应。

为此，本发明提供了一种高压差气态靶装置，用于超高流强氘氚聚变中子源，包括加速器接口和反应气体腔室，还包括：真空差分系统，设置在加速器接口和反应气体腔室之间，包括二级差分室、一级差分室、连接二级差分室与一级差分室的小孔径长管道、以及位于一级差分室与反应气体腔室之间的小孔径法兰、以及真空泵；束流约束装置，用于对小孔径长管道中的氘束流进行聚焦，使得束流包络小于小孔径长管道的后续管道与小孔径法兰的内径；以及反应气体循环回收装置，通过真空泵与一级差分室和二级差分室连接，用于将真空泵排出的气体经过分离提纯后通过节流阀进入反应气体腔室，其中，自加速器接口离开的氘束流经过真空差分系统、实现加速器末端10^-5Pa量级至反应气体腔室10³Pa量级的压强跨越后，与反应气体腔室内的氚气或氘气发生聚变反应，产生高能聚变中子。

进一步地，上述小孔径长管道由多个能够在线调节直径的法兰沿束流方向排列组合构成，其中，组合后的小孔径长管道的管道形状与束流包络形状相同。

进一步地，上述真空差分系统还包括与脉冲式氘束流配合使用的间歇式阀门，间歇式阀门与氘束流脉冲频率同步开启和关闭。

进一步地，上述束流约束装置由四极透镜、螺线管中的一种或多种组合构成，用于实现氘束流在低真空度环境下的小直径管道中的长距离低损耗传输。

进一步地，上述高压差气态靶装置还包括在反应气体腔室中设置的束流收集装置，用于接受未能全反应的氘束流。

进一步地，上述反应气体循环回收装置还用于对反应气体腔室内的氚气或氘气在线提纯、回收、和循环使用。

进一步地，上述小孔径长管道的管道直径为毫米量级，氘束流通过长度约-米的低真空环境。

本发明的有益效果是：利用氘束流与气态的氘或氚进行反应产生高能聚变中子，避免氘束流轰击固态氚靶所带来的承热问题及其他技术难题，且通过氘气、氚气的循环使用，避免氘气、氚气的损耗，降低使用成本。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的适用于超高流强氘氚聚变中子源的高压差气态靶装置的示意图。

图2是图1所示的适用于超高流强氘氚聚变中子源的高压差气态靶装置中的小孔径管道结构的示意图；以及

图3是图2所示的中小孔径管道结构中的各个组成法兰结构的示意图。

附图标记说明

1、反应气体腔室； 2、真空差分系统；

3、反应气体循环回收装置； 4、束流约束装置；

5、加速器接口； 6、氘束流；

7、束流收集装置；

21、小孔径法兰； 22、一级差分室；

23、小孔径长管道； 231、变直径法兰；

232、驱动结构； 233、法兰板；

24、二级差分室； 25、真空泵；

26、间歇式阀门； 31、管道；

32、节流阀。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明可以用于强流氘氚聚变中子源末端以产生强流聚变中子。通过反应气体腔室内的氚气或氘气与加速器氘束流发生聚变反应。本装置结构的一大设计特点在于实现高流强束流传输的同时，通过真空差分系统实现加速器末端10^-5Pa至气态靶反应气体腔室10³Pa共计8个数量级的压强跨越、高流强氘束流在小直径管道内的长距离低损耗传输以及气体腔室内的氚气或氘气的在线提纯、回收、循环。

图1至图3示出了根据本发明的一些实施例。

如图1所示，本发明的高压差气态靶装置包括加速器接口5、真空差分系统2、反应气体腔室1、反应气体循环回收装置3和束流约束装置4。通过真空差分系统2实现从压强为10^-5Pa的加速器到压强为10³Pa的反应气体腔室的压强跨越，通过束流约束装置4实现高流强氘束流6从在低真空环境中长距离从加速器传输至反应气体腔室1内，氘束流6与反应气体腔室1内的氚气或氘气发生聚变反应，产生高能聚变中子。

下面对上述高压差气态靶装置的各部件进行分别说明。

一、反应气体腔室

在一实施例中，加速器产生的一定能量的氘束流6进入气态靶反应气体腔室1，与气态靶中的气态氚或氘发生聚变反应产生高能中子，气态靶反应气体腔室使用压力调节阀门实现实时进气，保持10³Pa量级的气压，反应气体腔室中的氚气或者氘气压强最高可超过8000Pa。

二、加速器接口

在一实施例中，加速器产生的高能氘束流6通过加速器接口5穿过真空差分系统2进入反应气体腔室1内，与反应气体腔室1中的气态氚或者氘发生反应产生高能中子。

三、真空差分系统

在一实施例中，真空差分系统2设置在所述加速器接口5和所述反应气体腔室1之间，包括二级差分室24、一级差分室22、连接所述二级差分室24与所述一级差分室22的小孔径长管道23、位于所述一级差分室与所述反应气体腔室之间的小孔径法兰21、以及真空泵25。

真空差分系统2通过小孔径法兰21、小孔径长管道23实现反应气体腔室1与一级差分室22和二级差分室24之间的节流，并通过多个真空泵25实时抽气，实现反应气体腔室1与加速器接口5之间8个量级的压强跨越。

在另一实施例中，真空差分系统2还包括间歇式阀门26，设置在一级差分室22与反应气体腔室1之间，其配合脉冲式氘束流使用，与氘束流脉冲频率同步开启和关闭。

在本真空差分系统2中，通过小孔径长管道23、小孔径法兰21、间歇式阀门26、大抽速真空泵25方式中的一种或多种组合，实现管道节流、气体抽除和压强跨越。具体地，反应气体腔室与加速器接口之间通过间歇式阀门、小孔径管道、小孔径法兰对气体进行节流，同时使用真空泵进行实施抽气，实现气态靶至加速器之间8个量级的压强跨越。

在工作过程中，间歇式阀门可用于脉冲式氘束流，随着氘束流的频率和开启，周期性的实现压强变化，小孔径管道与法兰采取耦合束流包络形状的方式，小孔径管道由多个可在线调节直径的法兰(即变直径法兰)沿束流方向排列，组合后的小孔径管道形状与束流包络形状相同，此设计可以根据不同大小流强的氘束流的束流包络有所变化的情况下，变化管道形状，最大限度放置束流轰击管道，以及避免束流轰击管壁造成过热。

如图2和图3所示，优选地，上述变直径法兰231包括四个法兰板233及其驱动结构232，其中，相邻法兰板之间正交，四个法兰板首尾衔接，共同围成束流管道。

四、反应气体循环回收装置

在一实施例中，真空泵25排出的气体进入反应气体循环回收装置3，气体经过分离提纯后，回收循环通过节流阀32进入反应气体腔室1。如此，反应气体腔室1内的氚气或氘气还通过反应气体循环回收装置3实现氘气和氚气的在线提纯、回收、循环使用。

在工作过程中，各真空泵25排出的气体接入氚气或氘气循环回收装置，通过分离提纯，获得一定纯度的氚气或氘气后循环进入气态靶使用。

五、束流约束装置

在一实施例中，通过束流约束装置4对氘束流6进行聚焦，使得束流包络小于真空差分系统2中各个管道与法兰内径，避免束流轰击管壁造成升温。

优选地，上述束流约束装置4选自四极透镜、螺线管中的一种或多种组合，以实现氘束流6在低真空度环境下的小直径管道中的长距离低损耗传输。

六、束流收集装置

在一实施例中，氘束流6进入反应气体腔室1，仅仅很少一部分与氚或氘气发生反应，大部分氘束流6在传输至反应气体腔室1底部依然保留大部分能量，使用束流收集装置7接受未反应的氘束流6。通过安装于反应气体腔室内束流入射方向末端的束流收集装置实现剩余束流的收集和测量。

根据本发明的高压差气态靶装置，利用孔径管道、间歇式阀门、大抽速真空泵多种方式组合实现压强跨越的同时，通过束流约束装置实现高流强束流的长距离低损耗传输进而产生高能聚变中子。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高压差气态靶装置，用于超高流强氘氚聚变中子源，包括加速器接口(5)和反应气体腔室(1)，其特征在于，还包括：

真空差分系统(2)，设置在所述加速器接口(5)和所述反应气体腔室(1)之间，包括二级差分室(24)、一级差分室(22)、连接所述二级差分室(24)与所述一级差分室(22)的小孔径长管道(23)、位于所述一级差分室与所述反应气体腔室之间的小孔径法兰(21)、以及真空泵(25)；

束流约束装置(4)，用于对所述小孔径长管道(23)中的氘束流(6)进行聚焦，使得束流包络小于所述小孔径长管道(23)与所述小孔径法兰(21)的内径，所述小孔径长管道(23)由多个能够在线调节直径的法兰沿束流方向排列组合构成，其中，组合后的所述小孔径长管道(23)的管道形状与束流包络形状相同；

反应气体循环回收装置(3)，通过真空泵(25)与所述一级差分室(22)和二级差分室(24)连接，用于将所述真空泵(25)排出的气体经过分离提纯后通过节流阀(32)进入所述反应气体腔室(1)，

其中，自所述加速器接口(5)离开的氘束流(6)经过所述真空差分系统(2)、实现加速器末端10^-5Pa量级至反应气体腔室10³Pa量级的压强跨越后，与反应气体腔室(1)内的氚气或氘气发生聚变反应，产生高能聚变中子。

2.根据权利要求1所述的高压差气态靶装置，其特征在于，所述真空差分系统(2)还包括与脉冲式氘束流配合使用的间歇式阀门(26)，其中，所述间歇式阀门(26)与氘束流脉冲频率同步开启和关闭。

3.根据权利要求1所述的高压差气态靶装置，其特征在于，所述束流约束装置(4)由四极透镜、螺线管中的一种或多种组合构成，用于实现所述氘束流(6)在低真空度环境下的小直径管道中的长距离低损耗传输。

4.根据权利要求1所述的高压差气态靶装置，其特征在于，还包括在反应气体腔室(1)中设置的束流收集装置(7)，用于接受未能全反应的氘束流(6)。

5.根据权利要求1所述的高压差气态靶装置，其特征在于，所述反应气体循环回收装置还用于对所述反应气体腔室(1)内的氚气或氘气在线提纯、回收、和循环使用。

6.根据权利要求1所述的高压差气态靶装置，其特征在于，所述小孔径长管道(23)的管道直径为毫米量级，所述氘束流(6)通过长度约3-4米的低真空环境。