CN107708284A - 一种氘‑氘中子发生器靶室 - Google Patents

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柯建林
胡永宏
刘玉国
唐君
刘猛
刘百力
伍春雷
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H6/00—Targets for producing nuclear reactions

Abstract

本发明提供了一种氘‑氘中子发生器靶室，所述的靶室中的等离子体电极采用法兰与真空腔室相连，真空腔室一侧有分子泵接口法兰以进行靶室的真空抽取，绝缘座与真空腔室相连，钛自成靶与绝缘座相连；去离子水通过进水管接入绝缘座并直接喷射至钛自成靶背面，对钛自成靶进行冷却，然后经出水管流出；引出电极座与绝缘座相连，并通过靶电阻与钛自成靶进行电连接，引出电极头与引出电极座之间采用螺纹连接；负高压电缆通过连接杆与引出电极座连接。

Description

一种氘-氘中子发生器靶室
技术领域
本发明属于加速器领域。具体涉及一种采用氘自成靶产生中子的氘-氘中子发生器靶室。
背景技术
中子发生器在中子学参数测量、材料分析、爆炸物检测、国土安全、中子照相等方面有着广泛的应用。小型中子发生器由于其体积较小，在工业上更为实用。小型中子发生器主要有三种：放射性同位素中子源、氘-氚中子管和紧凑型氘-氘中子发生器。与同位素中子源和氘-氚中子管相比，紧凑型氘-氘中子发生器虽然由于真空系统的存在而体积略大，但具有不可忽略的优势：
a. 安全：一方面，与放射性同位素中子源相比，紧凑型氘-氘中子发生器在运输和维护期间可以关闭，减少了被辐照的可能；另一方面，紧凑型氘-氘中子发生器基本不存在氚污染。
b. 低成本：紧凑型氘-氘中子发生器寿命长且关键部件可更换，导致在同等使用条件下其成本更低；此外，紧凑型氘-氘中子发生器未工作时可以关断且没有任何污染，其维护和报废处理成本也更低。
紧凑型氘-氘中子发生器的靶主要有两种：预充氘靶和自成靶。其中，预充氘靶指在靶中预先吸附氘原子，其具有较高的中子产额，但在散热效果不好的情况下中子产额会不断下降。自成靶是利用氘离子前期注入到靶中时被靶吸附的氘原子与入射氘离子反应，由于氘离子不停补充，其中子产额会达到一个稳定值，因此其寿命理论上可以非常长，但其中子产额没有预充氘靶的中子产额高。
目前，紧凑型氘-氘中子发生器的靶室主要采用从束流运动的0°角方向馈入高压和冷却介质的方式。比如，美国Adelphi technology公司和劳伦斯伯克利实验室的J. H.Vainionpaa等人在AIP Conference Proceedings上发表了关于此类氘-氘中子发生器的论文《High yield neutron generators using the DD reaction》，是此类紧凑型氘-氘中子发生器靶室的典型。基于这种靶室的中子发生器的束流强度一般为几mA~几十mA，引出电压一般为几十kV~120kV，中子产额覆盖了108~109n/s范围。但这一类靶室在应用时存在无法利用0°角中子的问题。根据1976年中国科学院原子能研究所快中子激发曲线组编写的《加速器单能中子源常用数据手册》，束流0°角方向单位立体角内的中子产额是90°角方向的两倍左右。而在此类靶室中，0°角方向的高压馈入电缆和冷却管道导致的距离增加抵消了0°角方向中子产额较高的优势。
采用去离子水直接喷射至钛自成靶背面的方式对钛自成靶进行散热。为了提高散热效果，通过调节等离子体电极与引出电极之间的间距使靶上束斑尽可能大，以减小靶上功率密度；用于冷却的去离子水进水管中心与钛自成靶中心偏离3-10mm，使钛自成靶中心处水流速最大，提高钛自成靶冷却效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种氘-氘中子发生器靶室。本发明能够解决传统的高压馈入电缆和冷却管道导致的距离增加抵消了0°角方向中子产额较高的优势的问题，同时提高对钛自成靶的散热效果。
本发明的氘-氘中子发生器靶室，包括等离子体电极、引出电极头、引出电极座、屏蔽电极、钛自成靶、绝缘座和真空腔室；等离子体电极采用法兰与真空腔室相连，真空腔室一侧有分子泵接口法兰以进行靶室的真空抽取，绝缘座与真空腔室相连，钛自成靶与绝缘座相连；去离子水通过进水管接入绝缘座并直接喷射至钛自成靶背面，在钛自成靶背面形成一层水膜，对钛自成靶进行冷却，然后经出水管流出；引出电极座与绝缘座相连，并通过靶电阻与钛自成靶进行电连接，引出电极头与引出电极座之间采用螺纹连接，以调节等离子体电极与引出电极头之间的距离；负高压电缆通过连接杆与引出电极座连接，用于馈入负高压。
等离子体电极引出孔直径为2-8mm；等离子体电极与引出电极头之间距离为5-30mm；靶电阻的电阻值为10-200kΩ。
钛自成靶为0.5mm~1.5mm厚纯钛板。
钛自成靶为镀有5μm~100μm厚钛膜的0.5mm~1.5mm厚的紫铜板。
去离子水从靶室的侧面流入并经90°转折后直接喷射至钛自成靶背面，进水管中心与钛自成靶中心偏离3-10mm。
负高压电缆从侧向接入靶室绝缘座，通过连接杆转折90°后与引出电极座连接。
本发明为了利用束流0°角方向的中子，负高压电缆从侧向接入靶室绝缘座，用于冷却和绝缘的去离子水通过进水管和出水管从侧向与靶室的绝缘座连接。同时，采用去离子水直接喷射至钛自成靶背面的方式对钛自成靶进行散热。为了提高散热效果，通过调节等离子体电极与引出电极头之间的间距使靶上束斑尽可能大，以减小靶上功率密度；用于冷却的去离子水进水管中心与钛自成靶中心偏离3-10mm，使钛自成靶中心处水流速最大。
本发明的优点是：① 用于冷却和绝缘的去离子水通过进水管和出水管从侧向与靶室的绝缘座连接，可以利用束流0°角方向的D-D中子（0°角中子产额大约是90°角中子产额的两倍）；② 用于冷却的去离子水进水管中心与钛自成靶中心偏离3-10mm，提高了钛自成靶中心的去离子水流速，可以提升钛自成靶的冷却效果。
附图说明
图1为本发明一种氘-氘中子发生器靶室的一种具体实施方式剖视图；
图2所示为钛自成靶采用紫铜板上镀钛膜方式时的一种具体实施方式俯视图；
图中，1. 等离子体电极 2. 引出电极头 3. 引出电极座 4. 真空腔室 5. 屏蔽电极 6. 绝缘座 7. 出水管 8. 进水管 9. 去离子水 10. 负高压电缆 11. 分子泵接口法兰 12. 接线杆 13. 靶电阻 14. 钛自成靶 15. 钛膜 16. 紫铜板。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步描述。
某在线煤质分析仪需要中子产额为3×108n/s的紧凑型氘-氘中子发生器。为了提高中子的利用效率，该仪器要求利用与束流方向成0°角的氘-氘中子。而现有氘-氘中子发生器的高压和冷却介质都是从0°角方向馈入的。如果采用现有氘-氘中子发生器结构，由于高压电缆和冷却介质等的影响，被测物品离中子产生位置的距离会很远，0°角中子产额的优势被距离的延长抵消了。
图1和图2示出了本发明氘-氘中子发生器靶室的实施方式。等离子体电极1采用法兰与真空腔室4相连，真空腔室4一侧有分子泵接口法兰11以进行靶室的真空抽取，绝缘座6与真空腔室4相连，钛自成靶14与绝缘座6相连；去离子水9通过进水管8接入绝缘座6并直接喷射至钛自成靶14背面，在钛自成靶14背面形成一层水膜，对钛自成靶14进行冷却，然后经出水管7流出；引出电极座3与绝缘座6相连，并通过靶电阻13与钛自成靶14进行电连接，引出电极头2与引出电极座3之间采用螺纹连接，以调节等离子体电极1与引出电极头2之间的距离；负高压电缆10通过连接杆12与引出电极座3连接，用于馈入负高压。
本实施例中，等离子体电极1的引出孔直径为4mm，等离子体电极1与引出电极头2之间的距离为18mm，引出电极头2的孔直径为12mm；钛自成靶14采用紫铜板16上镀钛膜15的方式，钛膜15厚度为50μm，直径为30mm，紫铜板16厚度为0.5mm，直径为64mm；钛自成靶14与引出电极头2之间的距离为140mm，钛自成靶14与引出电极座3之间的靶电阻13电阻值为50kΩ。当束流强度为7mA，馈入负高压为-120kV时，中子产额可达3×108n/s。
尽管上面说明性内容对本发明的一种具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但本发明并不限于上述具体实施方式，凡是各种变化在本发明的权利要求书限定和确定的本发明的精神和范围内的，均属于本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种氘-氘中子发生器靶室，其特征在于：所述的靶室包括等离子体电极（1）、引出电极头（2）、引出电极座（3）、屏蔽电极（5）、钛自成靶（14）、绝缘座（6）和真空腔室（4）；等离子体电极（1）采用法兰与真空腔室（4）相连，真空腔室（4）一侧有分子泵接口法兰（11）以进行靶室的真空抽取，绝缘座（6）与真空腔室（4）相连，钛自成靶（14）与绝缘座（6）相连；去离子水（9）通过进水管（8）接入绝缘座（6）并直接喷射至钛自成靶（14）背面，在钛自成靶（14）背面形成一层水膜，对钛自成靶（14）进行冷却，然后经出水管（7）流出；引出电极座（3）与绝缘座（6）相连，并通过靶电阻（13）与钛自成靶（14）进行电连接，引出电极头（2）与引出电极座（3）之间采用螺纹连接，以调节等离子体电极（1）与引出电极头（2）之间的距离；负高压电缆（10）通过连接杆（12）与引出电极座（3）连接，用于馈入负高压。
2.根据权利要求1所述的一种氘-氘中子发生器靶室，其特征在于：所述的等离子体电极（1）引出孔直径为2-8mm；等离子体电极（1）与引出电极头（2）之间距离为5-30mm；靶电阻（13）的电阻值为10-200kΩ。
3.根据权利要求1所述的一种氘-氘中子发生器靶室，其特征在于：所述的钛自成靶（14）为0.5mm~1.5mm厚纯钛板。
4.根据权利要求1所述的一种氘-氘中子发生器靶室，其特征在于：所述的钛自成靶（14）为镀有5μm~100μm厚钛膜（15）的0.5mm~1.5mm厚的紫铜板（16）。
5.根据权利要求1所述的一种氘-氘中子发生器靶室，其特征在于：所述的去离子水（9）从靶室的侧面流入并经90°转折后直接喷射至钛自成靶（14）背面，进水管（8）中心与钛自成靶（14）中心偏离3-10mm。
6.根据权利要求1所述的一种氘-氘中子发生器靶室，其特征在于：所述的负高压电缆（10）从侧向接入靶室绝缘座（6），通过连接杆（12）转折90°后与引出电极座（3）连接。
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