CN107027236B - 中子发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了中子发生器，包括绝缘管壁，绝缘管壁的一个端面封闭形成离子源的安装基板，另一端作为封接口，在安装基板上设置有一个环状阳极板，在环状阳极板内沿径向依次套装有同轴的触发绝缘块、阴极，环状阳极板通过一个同轴的圆筒状出口金属栅网与板状阳极板连接，在绝缘管壁的内侧设置有与出口金属栅网分离的环形靶；还包括一个与阴极间隔设置的触发电极、以及电源系统。本发明结构采用了径向引出的方法，保持轴向放电的方式，金属离子仍然会分布在轴线上，最终大部分会损失在边壁上，而氘离子由于分布在边沿处，受引出电场的影响，会有较高的引出效率。

Description

中子发生器

技术领域

本发明涉及中子发生器领域，具体是一种基于金属氘化物真空弧离子源的脉冲中子发生器。

背景技术

中子发生器是一种产生中子的装置，应用于石油探井、武器点火等方向。它的主要部件包括了金属氘化物真空弧离子源，束流光学部件以及氚靶件。基本的原理是首先离子源产生氘离子，经束流光学部件引出后，打在靶上，氘离子与靶上的氚离子发生热核反应，产生中子。根据真空弧放电原理，离子源会产生多种离子，包括了各价态的金属离子以及氘离子，其中金属离子并非我们期望的产物，不仅不会参与热核反应产生中子，并且增大了束流负载，增大击穿风险，并且经引出的高能金属离子对靶也会造成损伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中子发生器，解决现有技术中的中子发生器产生的金属离子过多而引起的束流负载大、击穿风险高、靶损伤等问题。

本发明通过下述技术方案实现：

中子发生器，包括一个内部为空腔结构的圆筒形绝缘管壁，绝缘管壁的一个端面封闭形成离子源的安装基板，另一端作为封接口，在安装基板上设置有一个环状阳极板，在环状阳极板内沿径向依次套装有同轴的触发绝缘块、阴极，环状阳极板通过一个同轴的圆筒状出口金属栅网与板状阳极板连接，在绝缘管壁的内侧设置有与出口金属栅网分离的环形靶；还包括一个与阴极间隔设置的触发电极、以及电源系统。现有的中子发生器所产生的金属离子对于束流的限制作用已经越发明显地限制了中子发生器的性能优化和提高，申请人经过多年的研究发现：由于氘离子与金属离子存在较大的质量差，氘离子的扩散速度大于金属离子，这导致了两种离子在空间上存在分布差异，实验表明，在通常的轴向起弧放电时，金属离子更多的分布在轴心处，径向边沿分布较少，而氘离子在径向边沿处分布依然很高，这种特性是由于现有中子发生器采用的轴向方向引出离子，这种轻重离子分布特性不能有效发挥，根据该发现，申请人对中子发生器做出了改进，首先将绝缘管壁的一个端面封闭形成离子源的安装基板，另一端作为封接口，在安装基板上设置有一个环状阳极板，在环状阳极板内沿径向依次套装有同轴的触发绝缘块、阴极，环状阳极板通过一个同轴的圆筒状出口金属栅网与板状阳极板连接，在绝缘管壁的内侧设置有与出口金属栅网分离的环形靶，采用了轴向放电，径向引出的思路来提升引出束流中的氘离子比，离子源采用轴向放电产生等离子体，再从径向方向引出离子，离子均匀打在环形靶上，该方式提高了引出离子的氘比例，可有效提高中子产额及靶寿命；利用氘离子、金属离子的空间分布特征，来实现高氘离子比束流的引出，金属离子主要集中在轴线上，而边沿位置氘离子占主导，现有技术中轴向引出的方法，会将绝大部分金属离子一同引出，从而引出束流中的氘离子含量较低，而本发明结构采用了径向引出的方法，保持轴向放电的方式，金属离子仍然会分布在轴线上，最终大部分会损失在边壁上，而氘离子由于分布在边沿处，受引出电场的影响，会有较高的引出效率。

具体的讲，所述的电源系统包括触发电源、放电电源、高压引出电源，其中触发电极通过馈电杆连接至触发电源的正极，阴极通过馈电杆连接至触发电源负极与放电电源的负极，环状阳极板通过馈电杆连接至放电电源的正极与高压引出电源的正极，环形靶与高压引出电源的负极接地。通阴极、触发电极、环状阳极板、触发绝缘块构成离子源的主体部分，阴极连触发电源负极，触发电极连触发电源正极，触发电源工作使得阴极-触发电极间击穿，形成初始等离子体；同时，阴极连接放电电源负极，阳极连接放电电源阳极，放电电源工作使得初始等离子体演化为阴阳极间的弧放电，在阴阳极间形成大量等离子体；阴极、环状阳极板呈轴向摆放，离子源在径向方向上开口，等离子体经扩散作用运动到径向开口处的栅网，由于栅网与环形靶结构分别连接高压电源的正、负极，在引出高压的作用下，扩散等离子体形成发射面，产生氘离子束流打靶，产生中子。

所述触发电极与阴极之间的间隔为0.1mm～0.3mm。进一步讲，通过将其间隔为0.1mm～0.3mm可以提高触发电极的稳定性和灵敏性。

所述绝缘管壁的安装基板上设置有与环状阳极板外径相匹配的内凹结构，环状阳极板镶嵌在该内凹结构内。进一步讲，环状阳极板嵌入安装基板的安装方式，可以提高安装后的稳定性和安装的效率。

在所述的环状阳极板上设置有一个连接环，出口金属栅网通过连接环固定在环状阳极板上。连接环的设置，可以提高出口金属栅网两端的连接牢固程度。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明中子发生器，将绝缘管壁的一个端面封闭形成离子源的安装基板，另一端作为封接口，在安装基板上设置有一个环状阳极板，在环状阳极板内沿径向依次套装有同轴的触发绝缘块、阴极，环状阳极板通过一个同轴的圆筒状出口金属栅网与板状阳极板连接，在绝缘管壁的内侧设置有与出口金属栅网分离的环形靶，采用了轴向放电，径向引出的思路来提升引出束流中的氘离子比，离子源采用轴向放电产生等离子体，再从径向方向引出离子，离子均匀打在环形靶上，该方式提高了引出离子的氘比例，可有效提高中子产额及靶寿命；利用氘离子、金属离子的空间分布特征，来实现高氘离子比束流的引出，金属离子主要集中在轴线上，而边沿位置氘离子占主导，现有技术中轴向引出的方法，会将绝大部分金属离子一同引出，从而引出束流中的氘离子含量较低，而本发明结构采用了径向引出的方法，保持轴向放电的方式，金属离子仍然会分布在轴线上，最终大部分会损失在边壁上，而氘离子由于分布在边沿处，受引出电场的影响，会有较高的引出效率；

2、本发明中子发生器，采用了径向引出离子的方式，大量离子会从离子源的360°角度范围内引出，因而一个环形结构的靶面最利于接受打靶离子，这样能够平摊引出离子的打靶能量，减少靶损伤，提高靶的寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-阴极，2-环状阳极板，3-触发电极，4-触发绝缘块，5-出口金属栅网，6-环形靶，7-绝缘管壁，8-封接口，9-触发电源，10-放电电源，11-高压引出电源，12-板状阳极板，21-连接环。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明中子发生器，包括一个内部为空腔结构的圆筒形绝缘管壁7，绝缘管壁7的一个端面封闭形成离子源的安装基板，另一端作为封接口8，在安装基板上设置有一个环状阳极板2，在环状阳极板2内沿径向依次套装有同轴的触发绝缘块4、阴极(1)，环状阳极板2通过一个同轴的圆筒状出口金属栅网5与板状阳极板12连接，在绝缘管壁7的内侧设置有与出口金属栅网5分离的环形靶6，阴极1、环状阳极板2、触发电极3、触发绝缘块4与出口金属栅网5构成离子源的主体结构，并整体固定在绝缘管壁7的安装基板，并通过绝缘管壁分别引出阴极1、环状阳极板2、触发电极3的三根馈电杆，阴极1为一个圆柱形的吸氘金属电极，固定在触发绝缘块4的中心孔上，处于轴线上，并通过馈电杆与触发电源9、放电电源10的负极连接，触发绝缘块4上表面放置圆环形触发电极3，触发电极通过馈电杆与触发电源9的正极连接，触发电极3与阴极1之间的绝缘距离控制在0.1mm～0.3mm之间，便于触发形成初始等离子体，环状阳极板2作为离子源的外壳，镶嵌在绝缘管壁7的安装基板上，通过馈电杆与放电电源10、高压引出电源11的正极连接，板状阳极板12在轴线上为一块金属挡板，用以阻挡吸收等离子体，在径向上与出口金属栅网5连接，作为等离子体的出口，出口金属栅网5通过连接环21固定在环状阳极板2上，板状阳极板12、出口金属栅网5的尺寸、位置需要合理配置，才能让径向上的等离子体中的氘离子占比最大化；环形靶6整体固定在绝缘管壁7的侧面上，通过馈电杆穿出绝缘管壁7与地电位连接，因此高压引出电源11在出口金属栅网5与环形靶6之间形成高压，用以引出氘离子束流，出口金属栅网5与环形靶6的引出束流光学设计需要根据绝缘管壁的耐压程度及氘氘、氘氚热核反应所需要的最佳能量综合考虑；为了方便安装离子源及环形靶，在绝缘管壁7的离子源端的对面开口作为封接口8，待管内部件安装完毕后，抽去管内气体，做封接处理。电源系统中3个电源的电位关系是，高压引出电源11负极接地，正极接在离子源阳极上，而触发电源9与放电电源10均以阳极电位为参考电位，悬浮在高压引出电源上。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.中子发生器，包括一个内部为空腔结构的圆筒形绝缘管壁(7)，绝缘管壁(7)的一个端面封闭形成离子源的安装基板，另一端作为封接口(8)，其特征在于：在安装基板上设置有一个环状阳极板(2)，在环状阳极板(2)内沿径向依次套装有同轴的触发绝缘块(4)、阴极(1)，环状阳极板(2)通过一个同轴的圆筒状出口金属栅网(5)与板状阳极板(12)连接，在绝缘管壁(7)的内侧设置有与出口金属栅网(5)分离的环形靶(6)；还包括一个与阴极(1)间隔设置的触发电极(3)、以及电源系统；

所述的电源系统包括触发电源(9)、放电电源(10)、高压引出电源(11)，其中触发电极(3)通过馈电杆连接至触发电源(9)的正极，阴极(1)通过馈电杆连接至触发电源(9)负极与放电电源(10)的负极，环状阳极板(2)通过馈电杆连接至放电电源(10)的正极与高压引出电源(11)的正极，环形靶(6)与高压引出电源(11)的负极接地；

所述绝缘管壁(7)的安装基板上设置有与环状阳极板(2)外径相匹配的内凹结构，环状阳极板(2)镶嵌在该内凹结构内。

2.根据权利要求1所述的中子发生器，其特征在于：所述触发电极(3)与阴极(1)之间的间隔为0.1mm~0.3mm。

3.根据权利要求1所述的中子发生器，其特征在于：在所述的环状阳极板(2)上设置有一个连接环(21)，出口金属栅网(5)通过连接环(21)固定在环状阳极板(2)上。