CN109587926A - 一种小型化强流中子发生器 - Google Patents
一种小型化强流中子发生器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109587926A CN109587926A CN201910044242.3A CN201910044242A CN109587926A CN 109587926 A CN109587926 A CN 109587926A CN 201910044242 A CN201910044242 A CN 201910044242A CN 109587926 A CN109587926 A CN 109587926A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- high pressure
- pressure feed
- cable
- target
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims abstract description 30
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims description 36
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 27
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 22
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 17
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical group O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 12
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 12
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical group [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 10
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 10
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 9
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 9
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 8
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 6
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 6
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 claims description 5
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims description 3
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 3
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N gadolinium atom Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 3
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 2
- 238000009203 neutron therapy Methods 0.000 abstract description 4
- YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N Deuterium Chemical compound [2H] YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 14
- 229910052805 deuterium Inorganic materials 0.000 description 13
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 10
- 230000009471 action Effects 0.000 description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 8
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 3
- 238000009684 ion beam mixing Methods 0.000 description 3
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000008246 gaseous mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005213 imbibition Methods 0.000 description 1
- 238000007733 ion plating Methods 0.000 description 1
- 230000034217 membrane fusion Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005025 nuclear technology Methods 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- 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
- H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
- H05H3/06—Generating neutron beams
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
本发明提供了一种小型化强流中子发生器，采用三电极或四电极引出加速结构。当采用三电极引出加速结构时，中子发生器包括离子源、等离子体电极、与离子源和等离子体电极同轴连接的真空腔体、包含在真空腔体内的抑制电极和靶电极、与真空腔体相连的高压馈入机构以及内嵌在真空腔体后端盖内的准直器。离子源、等离子体电极和真空腔体接地，抑制电极和靶电极接负高压，抑制电极相对靶电极处于负偏压。当采用四电极引出加速结构时，还包括包含在真空腔体内的引出电极；引出电极电压处于地电位和靶电极负高压之间。靶电极为V形结构，采用热管或细通道方式冷却。本发明能够为可移动式中子照相装置、中子治疗装置等提供满足需要的高通量高品质中子束。
Description
技术领域
本发明涉及核技术及应用领域，尤其涉及一种小型化强流中子发生器。
背景技术
氘氚中子源利用离子源产生氘或氘-氚混合离子束，离子束在加速电场的作用下获得一定的能量，轰击靶体，并在靶体上发生聚变反应，产生所需的中子。氘氚中子源中子产额高，关闭电源后无中子产生，使用方便，可控性好，安全性高。
相对紧凑型可移动中子源，大型固定式中子源的优点是中子产额高，可提供辐照体积大等，但缺点是应用灵活性不足，不能满足日益增长的原位辐照和检测需求。
在中子照相、中子治疗等工作中，通常要求中子通量越高越好，由此导致靶体表面承载的热流密度非常高，超出了目前冷却技术的能力极限。专利CN203057673公开了一种利用靶体旋转方式使得在不增加离子束斑面积的情况下，靶体承载离子束轰击的面积增大，从而降低靶体表面平均热流密度，提高中子通量的方法。该方法的缺点是旋转驱动和真空密封等结构复杂，成本高，且体积庞大，不满足可移动式装置使用要求。专利CN 105848402利用扫描磁场将离子束展开成长条形束斑，加速后的离子束轰击在静止或作往复运动的靶体上，从而在靶体表面的热流密度大幅减小，并在垂直于离子束方向上引出接近点源特性的出射中子束。专利CN 105869693采用多孔引出方式，并利用电四极场使得离子束在一个方向上聚焦，在另一个方向展开成扇形，同时靶体作往复运动，同样在垂直于离子束方向上产生接近点源特性的出射中子束。在该两项专利中，出射中子束均在垂直于离子束方向引出，该方向中子通量一般仅有离子束出射前端的1/2左右，产生的绝大多数中子不能被有效利用。另一方面，该两项专利需要引入扫描磁场、电四极场和靶体移动驱动机构等，增加了装置的复杂性。
据此，目前亟需一种结构简单、紧凑，且能同时提供高通量、方向性好的出射中子的强流中子发生器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种小型化强流中子发生器，为可移动式中子照相装置、中子治疗装置等提供高通量、方向性好的出射中子。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种小型化强流中子发生器，采用三电极或四电极引出加速结构；
所述中子发生器包括离子源、等离子体电极、通过法兰与离子源和等离子体电极同轴连接的真空腔体、包含在真空腔体内的抑制电极和靶电极、与真空腔体相连的高压馈入机构以及内嵌在真空腔体后端盖内的准直器；在所述四电极引出加速结构中，中子发生器还包括包含在真空腔体内的引出电极；所述离子源与等离子体电极/和引出电极、抑制电极、真空腔体以及准直器同轴；
所述离子源、等离子体电极和真空腔体接地，抑制电极和靶电极接负高压，抑制电极相对靶电极处于负偏压；在所述四电极引出加速结构中，引出电极亦接负高压，引出电极电压处于地电位和所述靶电极负高压之间；
所述靶电极为V形结构，采用热管或细通道方式冷却；所述靶电极的中心线与所述离子源、等离子体电极/和引出电极、抑制电极、真空腔体以及准直器的轴线重合；
所述离子源产生的离子束穿过等离子体电极/和引出电极、抑制电极，轰击在所述靶电极上，产生的中子在远离离子源一端穿透真空腔体，并经过准直器，引出高品质中子束。
作为本发明的优选方式之一，所述等离子体电极/和引出电极均为圆盘结构，中心开设有圆孔；所述抑制电极为空心圆筒结构，靠近离子源的端面中心开设有圆孔；所述靶电极固定安装于抑制电极内，并通过安装板实现在抑制电极内的轴向移动。
作为本发明的优选方式之一，所述等离子体电极/和引出电极、抑制电极材料为不锈钢或钼。
作为本发明的优选方式之一，所述离子源与真空腔体同轴密封连接；其中，所述真空腔体的外形呈阶梯状，其中的小直径段为空心圆筒结构，与所述离子源同轴密封连接；大直径段为空心锥筒结构，与真空腔体的后端盖同轴密封连接；所述后端盖具体为内锥台结构，内置于真空腔体的大直径段；所述真空腔体侧壁开设有圆孔，连接所述高压馈入机构。
作为本发明的优选方式之一，所述真空腔体的小直径段和大直径段材料为铝合金或不锈钢，后端盖材料为绝缘材料。
作为本发明的优选方式之一，在所述三电极引出加速结构中，所述高压馈入机构包括两根平行排布的高压馈入电缆一和高压馈入电缆二；所述高压馈入电缆一连接抑制电极，高压馈入电缆二连接靶电极；所述高压馈入电缆一和高压馈入电缆二与高压电源连接，并馈入负高压；所述高压馈入电缆一相对高压馈入电缆二处于负偏压；
在所述四电极引出加速结构中，所述高压馈入机构包括三根平行排布的高压馈入电缆一、高压馈入线缆二和高压馈入电缆三；所述高压馈入电缆一连接抑制电极，高压馈入电缆二连接靶电极，高压馈入电缆三连接引出电极；所述高压馈入电缆一、高压馈入电缆二和高压馈入电缆三与高压电源连接，并馈入负高压；所述高压馈入电缆一相对高压馈入电缆二处于负偏压，高压馈入电缆三电压处于地电位和高压馈入电缆二负高压之间。
作为本发明的优选方式之一，所述准直器内嵌于真空腔体的后端盖内，且与之同轴配合；所述准直器具体为空心锥筒结构，从内向外分为多层，各层材料分别包括铁、钆、含硼聚乙烯、铋和石墨。
作为本发明的优选方式之一，当采用热管方式冷却时，所述靶电极具体包括靶膜、热管腔和细通道热沉；所述热管腔为由前盖板、后盖板和侧盖板围合形成的封闭结构，其内包含吸液芯和冷却工质一；所述热管腔靠近V形顶点的一端为蒸发段，远离V形顶点的两翼为冷凝段；所述蒸发段仅前盖板内壁布置吸液芯；所述冷凝段前盖板和后盖板内壁均布置吸液芯，并布置若干与侧盖板平行的、且由吸液芯构成的肋；所述吸液芯通过一体成型、烧结或焊接方式连接于所述前盖板和后盖板内壁；所述靶膜为钛膜，镀覆在前盖板蒸发段内靠近离子源一侧表面；所述细通道热沉通过一体成型或焊接方式连接于后盖板冷凝段内远离离子源一侧表面，所述细通道热沉内通有冷却工质二。
作为本发明的优选方式之一，所述热管腔的前盖板、后盖板和侧盖板材料具体为铜、铜合金、碳基铜复合材料、金刚石、石墨中的一种或多种混合物；其内的吸液芯为开孔结构的多孔泡沫铜；其内的冷却工质一为去离子水；
所述细通道热沉材料具体为铜、铜合金、碳基铜复合材料、金刚石、石墨中的一种或多种混合物，细通道热沉的细通道水力直径不大于1mm；其内的冷却工质二为去离子水。
作为本发明的优选方式之一，当采用细通道方式冷却时，所述靶电极具体包括靶膜和细通道热沉；所述靶膜为钛膜，镀覆在细通道热沉靠近离子源一侧表面；所述细通道热沉，其细通道水力直径不大于1mm，细通道内通有去离子水；所述细通道热沉材料具体为纯铜、铜合金、碳基铜复合材料、金刚石、石墨中的一种或多种混合物。
作为本发明的优选方式之一，从离子源引出的离子束在等离子体电极/和引出电极、靶电极电场梯度的作用下被加速；经过加速的离子束轰击在靶电极表面，并与靶膜内吸附或沉积的氘或氚发生聚变反应，产生所需要的中子；由于靶电极表面与出射离子束夹角较小，离子束与靶电极的作用面积增大，从而靶电极表面的热流密度大幅减小。
作为本发明的优选方式之一，当靶电极采用热管方式冷却时，离子束能量的沉积造成蒸发段内热管腔壁温度的升高，由于热管腔内的压力较低，蒸发段吸液芯内的冷却水很快蒸发，蒸汽在压差的作用下流动至冷凝段；同时由于冷凝段细通道内的冷却水温度较低，蒸汽凝结，并在多孔泡沫铜的毛细力作用下返回蒸发段，构成冷却循环；通过布置若干由吸液芯构成的肋，可以增加冷凝水向蒸发段返回的途径，减小冷凝水回流的阻力，提高冷却能力；由于水的相变潜热非常高，热管腔可以达到极高的有效热导率，从而将蒸发段内沉积的离子束能量迅速传递至冷凝段，并由冷凝段细通道热沉内的冷却水带走；通过改变冷凝段与蒸发段的面积比值，可以调节靶电极可承载的最大热流密度。
作为本发明的优选方式之一，当靶电极采用细通道方式冷却时，离子束在靶电极表面沉积的能量直接由细通道热沉内的冷却水带走。
作为本发明的优选方式之一，所述中子发生器的长度不超过150cm，最大直径不超过60cm，方便移动至任意场合，满足不同的原位检测和辐照需求。
本发明相比现有技术的优点在于：
本发明的小型化强流中子发生器的离子源和真空腔体均接地，相比离子源及真空腔体接高压的情形，操作更安全；并且，采用紧凑型结构，方便移动，可满足原位辐照和检测需求；此外，本发明装置的靶电极V形结构可大幅降低靶电极表面的热流密度；基于热管原理的冷却设计可达到极高的有效热导率，从而将蒸发段内沉积的离子束能量迅速传递至冷凝段，并由冷凝段细通道热沉内的冷却工质带走，实现靶电极的有效冷却；同时，在离子束出射前端的结构非常简单，结构层和水层厚度均可以做到很小，从而极大地减小对出射中子品质的影响。本发明可提供近似点源特性的出射中子，满足可移动式中子照相装置、中子治疗装置等对高通量、高品质中子束的要求。
附图说明
图1是实施例1中采用三电极引出加速结构的中子发生器结构示意图；
图2是实施例1中采用热管方式冷却时的靶电极结构示意图；
图3是实施例1中采用细通道方式冷却时的靶电极结构示意图；
图4是实施例2中采用四电极引出加速结构的中子发生器结构示意图。
图中：1为离子源，2为等离子体电极，3为真空腔体，31为小直径段，32为大直径段，33为后端盖，4为引出电极，5为抑制电极，51为安装板，6为靶电极，61为靶膜，62为热管腔，621为前盖板，622为后盖板，623为侧盖板，624为吸液芯，625为冷却工质一，626为蒸发段，627为冷凝段，63为细通道热沉，631为冷却工质二，7为高压馈入机构，71为高压馈入电缆一，72为高压馈入电缆二，73为高压馈入电缆三，8为准直器。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
参见图1，本实施例的一种小型化强流中子发生器，采用三电极引出加速结构，包括离子源1、等离子体电极2、通过法兰与离子源1和等离子体电极2同轴连接的真空腔体3、包含在真空腔体3内的抑制电极5和靶电极6、与真空腔体3相连的高压馈入机构7以及内嵌在真空腔体3后端盖33内的准直器8，所述离子源1、等离子体电极2、抑制电极5、真空腔体3和准直器8同轴。其中，离子源1、等离子体电极2和真空腔体3接地，抑制电极5和靶电极6接负高压，抑制电极6相对靶电极6处于负偏压。该结构中，离子源1及真空腔体3均处于地电位，相比离子源1及真空腔体3接正高压的情形，操作更安全，结构更紧凑。此外，抑制电极5相对靶电极6处于负偏压，可抑制靶电极6上产生的二次电子反射，减轻对等离子体电极2和抑制电极5等的损害。
等离子体电极2为圆盘结构，中心开设有圆孔；抑制电极5为空心圆筒结构，靠近离子源1的端面中心开设有圆孔；等离子体电极2、抑制电极5材料为不锈钢或钼。靶电极6固定安装于抑制电极5内，并通过安装板51实现在抑制电极5内的轴向移动。所述等离子体电极2、抑制电极5内部还包含适当的冷却结构，并通入去离子水进行冷却。
真空腔体3的外形呈阶梯状，其中的小直径段31为空心圆筒结构，与离子源1同轴密封连接；大直径段32为空心锥筒结构，与真空腔体3的后端盖33同轴密封连接。其中，后端盖33为内锥台结构，内置于真空腔体3的大直径段32；真空腔体3侧壁开设有圆孔，连接高压馈入机构7。此外，所述真空腔体3的小直径段31和大直径段32材料为铝合金或不锈钢，后端盖33材料为绝缘材料。采用上述结构，可极大简化离子束出射前端的结构，从而减小对出射中子品质的影响。
靶电极6为V形结构，采用热管或细通道方式冷却；靶电极6的中心线与离子源1、等离子体电极2、抑制电极5、真空腔体3以及准直器8的轴线重合。
参见图2，当采用热管方式冷却时，靶电极6具体包括靶膜61、热管腔62和细通道热沉63。热管腔62为由前盖板621、后盖板622和侧盖板623围合形成的封闭结构，其内包含吸液芯624和冷却工质一625。热管腔62靠近V形顶点的一端为蒸发段626，远离V形顶点的两翼为冷凝段627。蒸发段626仅前盖板621内壁布置吸液芯624；冷凝段627前盖板621和后盖板622内壁均布置吸液芯624，并布置若干与侧盖板623平行的、且由吸液芯624构成的肋；吸液芯624通过一体成型、烧结或焊接方式连接于前盖板621和后盖板622内壁。靶膜61为钛膜，镀覆在前盖板621蒸发段626内靠近离子源1一侧表面。细通道热沉63通过一体成型或焊接方式连接于后盖板622冷凝段627内远离离子源1一侧表面，细通道热沉63内通有冷却工质二631。进一步地，热管腔62的前盖板621、后盖板622和侧盖板623材料具体为铜、铜合金、碳基铜复合材料、金刚石、石墨中的一种或多种混合物；其内的吸液芯624为开孔结构的多孔泡沫铜；其内的冷却工质一625为去离子水；细通道热沉63材料具体为铜、铜合金、碳基铜复合材料、金刚石、石墨中的一种或多种混合物，细通道热沉63的细通道水力直径不大于1mm；其内的冷却工质二631为去离子水。
该结构中，从离子源1引出的离子束经加速后轰击在靶膜61上，离子束能量的沉积造成热管腔62壁温度的升高，由于热管腔62内压力较低，蒸发段626吸液芯624内的水很快蒸发，并在压差的作用下流向冷凝段627；同时，由于冷凝段627细通道热沉63内的冷却水温度较低，蒸汽凝结，并在多孔泡沫铜的毛细力作用下返回蒸发段626，构成冷却循环。通过布置若干由吸液芯624构成的肋，可以增加冷凝水向蒸发段626返回的途径，减小冷凝水回流的阻力，提高冷却能力。
参见图3，当采用细通道方式冷却时，靶电极6具体包括靶膜61和细通道水力直径不大于1mm的细通道热沉63。靶膜61为钛膜，镀覆在细通道热沉63靠近离子源1一侧表面；细通道热沉63的细通道内通有去离子水。其中，细通道热沉63材料具体为纯铜、铜合金、碳基铜复合材料、金刚石、石墨中的一种或多种混合物。该结构中，从离子源1引出的离子束经加速后轰击靶膜61上，离子束沉积的能量直接由细通道内的冷却水带走。
高压馈入机构7包括两根彼此之间呈平行方式排布的高压馈入电缆一71和高压馈入电缆二72；所述高压馈入电缆一71连接抑制电极5，高压馈入电缆二72连接靶电极6；高压馈入电缆一71和高压馈入电缆二72与高压电源连接，并馈入负高压；高压馈入电缆一71相对高压馈入电缆二72处于负偏压。
准直器8内嵌于真空腔体3的后端盖33内，且与之同轴配合；准直器8具体为空心锥筒结构，从内向外分为五层，各层材料依次包括铁、钆、含硼聚乙烯、铋和石墨。准直器8的作用是对中子束进行准直和优化中子品质。
进一步地，中子发生器的长度不超过150cm，最大直径不超过60cm，方便移动至任意场合，满足不同的原位检测和辐照需求。
本实施例中，从离子源1引出的氘或氘-氚混合离子束在等离子体电极2和靶电极6之间电场梯度的作用下被加速，经加速后的离子束轰击在靶电极6表面，与靶膜61内吸附或沉积的氘或氚发生聚变反应，产生所需的中子；出射中子在离子束出射的前端经准直器8准直优化后引出。
本实施例的优点在于：
本实施例的小型化强流中子发生器的离子源1和真空腔体3均接地，相比离子源1及真空腔体3接高压的情形，操作更安全；并且，采用紧凑型结构，方便移动，可满足原位辐照和检测需求；此外，本发明装置靶电极6的V形结构可大幅降低靶电极6表面的热流密度；基于热管原理的冷却设计可达到极高的有效热导率，从而将蒸发段626内沉积的离子束能量迅速传递至冷凝段627，并由冷凝段627细通道热沉63内的冷却工质带走，实现靶电极6的有效冷却；同时，在离子束出射前端的结构非常简单，结构层和水层厚度均可以做到很小，从而极大地减小对出射中子品质的影响。本发明可提供近似点源特性的出射中子，满足可移动式中子照相装置、中子治疗装置等对高通量、高品质中子束的要求。
实施例2
参见图4，本实施例的一种小型化强流中子发生器，采用四电极引出加速结构，结构与实施例1中采用三电极引出加速结构的中子发生器(参见图1)基本相同，主要不同之处在于：
所述中子发生器包括离子源1、等离子体电极2、通过法兰与离子源1和等离子电极2相连的真空腔体3、包含在真空腔体3内的引出电极4、抑制电极5和靶电极6、与真空腔体3相连的高压馈入机构7，以及内嵌于真空腔体3后端盖33内的准直器8，所述离子源1、等离子体电极2、引出电极4、抑制电极5、真空腔体3和准直器8同轴。其中，离子源1和真空腔体3接地，抑制电极5和靶电极6接负高压，抑制电极5相对靶电极6处于负偏压；引出电极4为不锈钢或钼材料制圆盘结构，中心开设有圆孔，引出电极4亦连接负高压，引出电极4电压处于地电位和靶电极6负高压之间。
所述靶电极6为V形结构，采用热管或细通道方式冷却；靶电极6的中心线与离子源1、等离子体电极2、引出电极4、抑制电极5、真空腔体3以及准直器8的轴线重合。
所述高压馈入机构7包括三根彼此之间呈平行方式排布的高压馈入电缆一71、高压馈入线缆二72和高压馈入电缆三73；所述高压馈入电缆一71连接抑制电极5，高压馈入电缆二72连接靶电极6，高压馈入电缆三73连接引出电极4；所述高压馈入电缆一71、高压馈入电缆二72和高压馈入电缆三73与高压电源连接，并馈入负高压；所述高压馈入电缆一71相对高压馈入电缆二72处于负偏压，高压馈入电缆三73电压处于地电位和高压馈入电缆二72负高压之间。
本实施例中，从离子源1引出的氘或氘-氚混合离子束在等离子体电极2、引出电极4和靶电极6之间电场梯度的作用下被加速，经加速后的离子束轰击在靶电极6表面，与靶膜61内吸附或沉积的氘或氚发生聚变反应，产生所需的中子；出射中子在离子束出射的前端经准直器8准直优化后引出。
实施例3
本实施例的一种对上述实施例1中小型化强流中子发生器的具体测试：
离子源1工作气体为氘气，抑制电极5电压为-151～-155kV，靶电极6电压为-150kV；真空腔体3通过连接真空泵，维持其内工作真空度为10-3Pa量级；采用离子镀工艺在靶电极表面镀覆2.5μm厚的钛膜，并置于吸氘装置中制作成氘钛靶。从离子源1引出的氘束流在等离子体电极2与靶电极6之间电场梯度的作用下被加速，轰击氘钛靶表面。当靶电极6V形结构夹角为15°时，离子束与靶电极6表面的作用面积相比平面靶增大接近8倍；采用孔隙率不小于0.9，孔径0.1～1mm的多孔泡沫铜作为吸液芯624，热管腔62的有效热导率可达到数倍于纯铜的热导率，蒸发段626内可承载的热流密度达到0.2～1.0kW/cm2。在离子束出射前端可引出通量约(0.5～2.5)×1010n/cm2·s的2.5MeV中子。该实施例靶电极6工作寿命可达到约100h。
实施例4
本实施例的一种对上述实施例2中小型化强流中子发生器的具体测试：
离子源1工作气体为50％-50％的氘氚混合气，抑制电极5电压为-151～-155kV，靶电极6电压为-150kV；真空腔体3通过连接真空泵，维持其内工作真空度为10-3Pa；采用离子镀工艺在表面镀覆20μm厚的钛膜，制作成自成中子靶。从离子源1引出的氘-氚混合束流在等离子体电极2、引出电极4和靶电极6之间电场梯度的作用下被加速，轰击靶电极6表面。当靶电极6V形结构夹角为15°时，离子束与靶电极6表面的作用面积相比平面靶增大接近8倍。采用孔隙率不小于0.9、孔径0.1～1mm的多孔泡沫铜作为吸液芯624，热管腔62的有效热导率可达到数倍于纯铜的热导率，蒸发段626内可承载的热流密度达到0.2～1.0kW/cm2。在离子束出射前端可引出通量约(0.25～1.25)×1012n/cm2·s的14.1MeV中子。在此实施例中，由于靶膜61较厚，在离子束轰击条件下完全溅射损失的时间大幅延长，靶电极6工作寿命可达到数千小时。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小型化强流中子发生器，其特征在于，采用三电极或四电极引出加速结构；
所述中子发生器包括离子源、等离子体电极、通过法兰与离子源和等离子体电极同轴连接的真空腔体、包含在真空腔体内的抑制电极和靶电极、与真空腔体相连的高压馈入机构以及内嵌在真空腔体后端盖内的准直器；在所述四电极引出加速结构中，中子发生器还包括包含在真空腔体内的引出电极；所述离子源与等离子体电极/和引出电极、抑制电极、真空腔体以及准直器同轴；
所述离子源、等离子体电极和真空腔体接地，抑制电极和靶电极接负高压，抑制电极相对靶电极处于负偏压；在所述四电极引出加速结构中，引出电极亦接负高压，引出电极电压处于地电位和所述靶电极负高压之间；
所述靶电极为V形结构，采用热管或细通道方式冷却；所述靶电极的中心线与所述离子源、等离子体电极/和引出电极、抑制电极、真空腔体以及准直器的轴线重合；
所述离子源产生的离子束穿过等离子体电极/和引出电极、抑制电极，轰击在所述靶电极上，产生的中子在远离离子源一端穿透真空腔体，并经过准直器，引出高品质中子束。
2.根据权利要求1所述的小型化强流中子发生器，其特征在于，所述等离子体电极/和引出电极均为圆盘结构，中心开设有圆孔；所述抑制电极为空心圆筒结构，靠近离子源的端面中心开设有圆孔；所述靶电极固定安装于抑制电极内，并通过安装板实现在抑制电极内的轴向移动。
3.根据权利要求2所述的小型化强流中子发生器，其特征在于，所述等离子体电极/和引出电极、抑制电极材料为不锈钢或钼。
4.根据权利要求1所述的小型化强流中子发生器，其特征在于，所述离子源与真空腔体同轴密封连接；其中，所述真空腔体的外形呈阶梯状，其中的小直径段为空心圆筒结构，与所述离子源同轴密封连接；大直径段为空心锥筒结构，与真空腔体的后端盖同轴密封连接；所述后端盖具体为内锥台结构，内置于真空腔体的大直径段；所述真空腔体侧壁开设有圆孔，连接所述高压馈入机构。
5.根据权利要求4所述的小型化强流中子发生器，其特征在于，所述真空腔体的小直径段和大直径段材料为铝合金或不锈钢，后端盖材料为绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的小型化强流中子发生器，其特征在于，在所述三电极引出加速结构中，所述高压馈入机构包括两根平行排布的高压馈入电缆一和高压馈入电缆二；所述高压馈入电缆一连接抑制电极，高压馈入电缆二连接靶电极；所述高压馈入电缆一和高压馈入电缆二与高压电源连接，并馈入负高压；所述高压馈入电缆一相对高压馈入电缆二处于负偏压；
在所述四电极引出加速结构中，所述高压馈入机构包括三根平行排布的高压馈入电缆一、高压馈入线缆二和高压馈入电缆三；所述高压馈入电缆一连接抑制电极，高压馈入电缆二连接靶电极，高压馈入电缆三连接引出电极；所述高压馈入电缆一、高压馈入电缆二和高压馈入电缆三与高压电源连接，并馈入负高压；所述高压馈入电缆一相对高压馈入电缆二处于负偏压，高压馈入电缆三电压处于地电位和高压馈入电缆二负高压之间。
7.根据权利要求1所述的小型化强流中子发生器，其特征在于，所述准直器内嵌于真空腔体的后端盖内，且与之同轴配合；所述准直器具体为空心锥筒结构，从内向外分为多层，各层材料分别包括铁、钆、含硼聚乙烯、铋和石墨。
8.根据权利要求1所述的小型化强流中子发生器，其特征在于，当采用热管方式冷却时，所述靶电极具体包括靶膜、热管腔和细通道热沉；所述热管腔为由前盖板、后盖板和侧盖板围合形成的封闭结构，其内包含吸液芯和冷却工质一；所述热管腔靠近V形顶点的一端为蒸发段，远离V形顶点的两翼为冷凝段；所述蒸发段仅前盖板内壁布置吸液芯；所述冷凝段前盖板和后盖板内壁均布置吸液芯，并布置若干与侧盖板平行的、且由吸液芯构成的肋；所述吸液芯通过一体成型、烧结或焊接方式连接于所述前盖板和后盖板内壁；所述靶膜为钛膜，镀覆在前盖板蒸发段内靠近离子源一侧表面；所述细通道热沉通过一体成型或焊接方式连接于后盖板冷凝段内远离离子源一侧表面，所述细通道热沉内通有冷却工质二。
9.根据权利要求8所述的小型化强流中子发生器，其特征在于，所述热管腔的前盖板、后盖板和侧盖板材料具体为铜、铜合金、碳基铜复合材料、金刚石、石墨中的一种或多种混合物；其内的吸液芯为开孔结构的多孔泡沫铜；其内的冷却工质一为去离子水；
所述细通道热沉材料具体为铜、铜合金、碳基铜复合材料、金刚石、石墨中的一种或多种混合物，细通道热沉的细通道水力直径不大于1mm；其内的冷却工质二为去离子水。
10.根据权利要求1所述的小型化强流中子发生器，其特征在于，当采用细通道方式冷却时，所述靶电极具体包括靶膜和细通道热沉；所述靶膜为钛膜，镀覆在细通道热沉靠近离子源一侧表面；所述细通道热沉，其细通道水力直径不大于1mm，细通道内通有去离子水；所述细通道热沉材料具体为纯铜、铜合金、碳基铜复合材料、金刚石、石墨中的一种或多种混合物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910044242.3A CN109587926B (zh) | 2019-01-17 | 2019-01-17 | 一种小型化强流中子发生器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910044242.3A CN109587926B (zh) | 2019-01-17 | 2019-01-17 | 一种小型化强流中子发生器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109587926A true CN109587926A (zh) | 2019-04-05 |
| CN109587926B CN109587926B (zh) | 2021-01-05 |
Family
ID=65915301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910044242.3A Expired - Fee Related CN109587926B (zh) | 2019-01-17 | 2019-01-17 | 一种小型化强流中子发生器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109587926B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111642054A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-09-08 | 中国原子能科学研究院 | 一种手提式中子发生器 |
| CN111642053A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-09-08 | 中国原子能科学研究院 | 一种用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构 |
| CN111712032A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-09-25 | 中国原子能科学研究院 | 一种自屏蔽dd中子发生器 |
| CN111739674A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-02 | 中国原子能科学研究院 | 一种用于负高压加速的小型中子发生器的靶电极 |
| CN112504515A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-03-16 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种基于凸出式热电偶的热流密度分布的测量方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU209869U1 (ru) * | 2021-11-26 | 2022-03-23 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Импульсный нейтронный генератор |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2377794Y (zh) * | 1999-05-21 | 2000-05-10 | 东北师范大学 | 微波离子源陶瓷自成靶强流中子管 |
| EP1895819A1 (en) * | 2006-08-29 | 2008-03-05 | Ion Beam Applications S.A. | Neutron generating device for boron neutron capture therapy |
| CN101366096A (zh) * | 2005-06-24 | 2009-02-11 | 瓦润医药系统技术公司 | 用于辐射扫描的低中子发射的x射线辐射源 |
| US20100067640A1 (en) * | 2008-09-12 | 2010-03-18 | Willis Carl A | High-Power-Density Lithium Target for Neutron Production |
| CN102711355A (zh) * | 2012-06-14 | 2012-10-03 | 东北师范大学 | 潘宁负离子源陶瓷中子管 |
| CN103106940A (zh) * | 2011-11-14 | 2013-05-15 | 中国原子能科学研究院 | 一种高压倍加器的中子准直系统 |
| CN104470190A (zh) * | 2014-11-06 | 2015-03-25 | 东莞中子科学中心 | 粒子产生靶的冷却装置 |
| CN205793593U (zh) * | 2016-05-25 | 2016-12-07 | 西安冠能中子探测技术有限公司 | 微型测井中子管 |
| CN107708284A (zh) * | 2017-09-11 | 2018-02-16 | 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 | 一种氘‑氘中子发生器靶室 |
| CN108271310A (zh) * | 2018-01-12 | 2018-07-10 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种后置磁镜场强流离子加速系统 |
| CN108333192A (zh) * | 2018-01-25 | 2018-07-27 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种用于中子散射的后端粗糙准直器 |
| CN108831582A (zh) * | 2018-04-17 | 2018-11-16 | 东莞理工学院 | 一种用于提高中子纯度的准直器 |
-
2019
- 2019-01-17 CN CN201910044242.3A patent/CN109587926B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2377794Y (zh) * | 1999-05-21 | 2000-05-10 | 东北师范大学 | 微波离子源陶瓷自成靶强流中子管 |
| CN101366096A (zh) * | 2005-06-24 | 2009-02-11 | 瓦润医药系统技术公司 | 用于辐射扫描的低中子发射的x射线辐射源 |
| EP1895819A1 (en) * | 2006-08-29 | 2008-03-05 | Ion Beam Applications S.A. | Neutron generating device for boron neutron capture therapy |
| US20100067640A1 (en) * | 2008-09-12 | 2010-03-18 | Willis Carl A | High-Power-Density Lithium Target for Neutron Production |
| CN103106940A (zh) * | 2011-11-14 | 2013-05-15 | 中国原子能科学研究院 | 一种高压倍加器的中子准直系统 |
| CN102711355A (zh) * | 2012-06-14 | 2012-10-03 | 东北师范大学 | 潘宁负离子源陶瓷中子管 |
| CN104470190A (zh) * | 2014-11-06 | 2015-03-25 | 东莞中子科学中心 | 粒子产生靶的冷却装置 |
| CN205793593U (zh) * | 2016-05-25 | 2016-12-07 | 西安冠能中子探测技术有限公司 | 微型测井中子管 |
| CN107708284A (zh) * | 2017-09-11 | 2018-02-16 | 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 | 一种氘‑氘中子发生器靶室 |
| CN108271310A (zh) * | 2018-01-12 | 2018-07-10 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种后置磁镜场强流离子加速系统 |
| CN108333192A (zh) * | 2018-01-25 | 2018-07-27 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种用于中子散射的后端粗糙准直器 |
| CN108831582A (zh) * | 2018-04-17 | 2018-11-16 | 东莞理工学院 | 一种用于提高中子纯度的准直器 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111642054A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-09-08 | 中国原子能科学研究院 | 一种手提式中子发生器 |
| CN111642053A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-09-08 | 中国原子能科学研究院 | 一种用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构 |
| CN111712032A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-09-25 | 中国原子能科学研究院 | 一种自屏蔽dd中子发生器 |
| CN111739674A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-02 | 中国原子能科学研究院 | 一种用于负高压加速的小型中子发生器的靶电极 |
| CN111712032B (zh) * | 2020-05-26 | 2021-05-04 | 中国原子能科学研究院 | 一种自屏蔽dd中子发生器 |
| CN111642054B (zh) * | 2020-05-26 | 2023-03-07 | 中国原子能科学研究院 | 一种手提式中子发生器 |
| CN112504515A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-03-16 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种基于凸出式热电偶的热流密度分布的测量方法 |
| CN112504515B (zh) * | 2020-11-11 | 2022-05-31 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种基于凸出式热电偶的热流密度分布的测量方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109587926B (zh) | 2021-01-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109587926A (zh) | 一种小型化强流中子发生器 | |
| Bayanov et al. | Accelerator-based neutron source for the neutron-capture and fast neutron therapy at hospital | |
| US8526560B2 (en) | Method of using deuterium-cluster foils for an intense pulsed neutron source | |
| CN102497721B (zh) | 双空心阴极以及双空心阴极等离子体装置和应用 | |
| CN105407621B (zh) | 一种紧凑型d‑d中子发生器 | |
| Ishimaru | Ultimate pressure of the order of 10− 13 Torr in an aluminum alloy vacuum chamber | |
| CN205793593U (zh) | 微型测井中子管 | |
| CN205793592U (zh) | 用于中子管制造的自成靶 | |
| Belchenko et al. | Studies of ion and neutral beam physics and technology at the Budker Institute of Nuclear Physics, SB RAS | |
| CN207783240U (zh) | 一种双等离子体离子源 | |
| Kim | Neutron sources using DT mixed beams driven into solid target | |
| EP0473681A1 (en) | FUSION POWER GENERATION. | |
| CN112309591A (zh) | 中子数增殖实现低温可控核聚变的方式与装置 | |
| CN108428610B (zh) | 一种小型离子源及其制备方法 | |
| CN203748097U (zh) | 小型定向高通量中子发生器 | |
| CN212907638U (zh) | 潘宁离子源 | |
| CN202026519U (zh) | 多灯丝宽束电子帘 | |
| CN112002440B (zh) | 一种用于更换直线等离子体源的装置 | |
| CA3182404A1 (en) | Mixed nuclear power conversion | |
| US20160141061A1 (en) | System and method for producing technetium-99m using existing pet cyclotrons | |
| Tanaka et al. | Design and experimental results of a new electron gun using a magnetic multipole plasma generator | |
| CN103220875A (zh) | 静电惯性约束型无靶中子管 | |
| CN205944024U (zh) | 一种冷阴极潘宁离子源 | |
| JPS62176038A (ja) | Ｘ線発光装置 | |
| Trickett | 23. The vacuum system for the Daresbury synchrotron radiation source |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20210105 |