CN109767856A - 一种中子源靶系统 - Google Patents

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王盛
高勇
游志明
范佳锟
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Abstract

本发明公开了一种中子源靶系统，包括真空腔、储存器、离子源以及设置于真空腔内的加速电极及目标靶，其中，储存器释放的气体在离子源的作用下电离成为带电粒子，所述带电粒子经加速电极加速后轰击到目标靶上，其中，真空腔的内壁经激光处理后镀有A型TiZrVHf吸气剂薄膜，加速电极的内壁经激光处理后镀有C型TiZrVHf吸气剂薄膜，目标靶的表面经激光处理后镀有B型TiZrVHf吸气剂薄膜，该系统能够吸附更多的氘及氚。

Description

一种中子源靶系统
技术领域
本发明设计一种靶系统，具体涉及一种中子源靶系统。
背景技术
密封中子管是一种通电可控的微型中子源，主要包括离子源、氚靶、陶瓷管或者玻璃管或不锈钢管或铝合金管。与普通同位素中子源相比，密封中子源的优点是中子产额高、无γ本底、能谱单色性好、储运方便、便于防护、无需真空系统和冷却系统。密封中子管可用于中子测井、毒品检测、爆炸物检测、中子照相、军事、医疗和煤质分析等领域。
传统的密封中子源靶系统所采用的薄膜是Ti膜。其作用是利用钛对氢同位素的良好吸附性能，钛与氢同位素形成的金属氢化物在室温下能够稳定地高容量地贮存氢同位素，从而吸附更多的氘或氚在靶上，为核反应提供充足的反应物质。要进一步提高核反应效率，需要开发出一种新型的中子源靶系统。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种中子源靶系统，该系统能够吸附更多的氘及氚。
为达到上述目的，本发明所述的中子源靶系统包括真空腔、储存器、离子源以及设置于真空腔内的加速电极及目标靶，其中，储存器释放的气体在离子源的作用下电离成为带电粒子，所述带电粒子经加速电极加速后轰击到目标靶上，其中，真空腔的内壁镀有A型TiZrVHf吸气剂薄膜，加速电极的内壁经激光处理后镀有C型TiZrVHf吸气剂薄膜，目标靶的表面经激光处理后镀有B型TiZrVHf吸气剂薄膜。
真空腔的内壁经激光处理后镀有A型TiZrVHf吸气剂薄膜。
所述A型TiZrVHf吸气剂薄膜的厚度为0.5-2μm。
所述B型TiZrVHf吸气剂薄膜的厚度为2-10μm。
所述C型TiZrVHf吸气剂薄膜的厚度为0.5-2μm。
真空腔侧壁的材质为不锈钢、陶瓷、玻璃或铝合金。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的中子源靶系统在具体操作时，在密封中子管中，中子管使用温度为175℃左右，该温度可以使目标靶表面的B型TiZrVHf吸气剂薄膜激活，激活后的B型TiZrVHf吸气剂薄膜发生气体脱附效应，脱附出来的气体从目标靶表面逸出，能够在一定程度上增大目标靶的氘及氚含量，提高核反应效率；此外，逸出到真空腔中的气体也可以通过真空腔表面的A型TiZrVHf吸气剂薄膜进行吸附，从而提高密封中子管的真空度，中子管在高温排气过程中，真空度越高越好，真空度的提高有助于提高中子管工作时中子产额的稳定性，此外，中子管在非工作状态时，该TiZrVHf吸气剂薄膜处于非激活状态，非激活状态的TiZrVHf吸气剂薄膜可对真空腔中的残余气体进行吸附，保持真空腔内良好的真空度，延长中子管的使用寿命。另外，本发明中，先进行激光处理，然后镀TiZrVHf吸气剂薄膜，使得目标靶表面积比原始靶增加了3-10倍，表面积的增加，为目标靶吸附更多的氘提供了前提；目标靶表面积增大，能够展平功率密度分布，极大地降低薄膜上的最高温度，能够较好的保护B型TiZrVHf吸气剂薄膜和目标靶。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为激光处理后无氧铜的二次电子产额曲线图；
图2b为经激光处理且镀有TiZrVHf四元合金吸气剂薄膜的无氧铜的二次电子产额曲线图；
图3为不同厚度薄膜的生长机理示意图；
图4a1为厚度为9.74μm的四元合金薄膜的断面形貌图；
图4a2为厚度为9.74μm的四元合金薄膜的表面形貌图；
图4b1为厚度为2.03μm的四元合金薄膜的断面形貌图；
图4b2为厚度为2.03μm的四元合金薄膜的表面形貌图。
其中，1为储存器、2为A型TiZrVHf吸气剂薄膜、3为真空腔、4为B型TiZrVHf吸气剂薄膜、5为目标靶、6为C型TiZrVHf吸气剂薄膜、7为加速电极、8为离子源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的中子源靶系统包括真空腔3、储存器1、离子源8以及设置于真空腔3内的加速电极7及目标靶5，其中，储存器1释放的气体在离子源8的作用下电离成为带电粒子，所述带电粒子经加速电极7加速后轰击到目标靶5上，其中，真空腔3的内壁经激光处理后镀有A型TiZrVHf吸气剂薄膜2，加速电极7的内壁经激光处理后镀有C型TiZrVHf吸气剂薄膜6，目标靶5的表面经激光处理后镀有B型TiZrVHf吸气剂薄膜4。
所述A型TiZrVHf吸气剂薄膜2的厚度为0.5-2μm；所述B型TiZrVHf吸气剂薄膜4的厚度为2-10μm；所述C型TiZrVHf吸气剂薄膜6的厚度为0.5-2μm；真空腔3侧壁的材质为不锈钢、陶瓷、玻璃或铝合金。
中子发生器工作时，连接储存器1的加热丝加热升温，吸附在吸氢能力较强的粉末中的氚气和氘气脱附，释放的气体在离子源8的作用下电离成带电粒子，带电粒子在加速电极7的作用下从离子源8引出并加速，使其达到进行核反应时所需要的能量，最后轰击到目标靶5上产生中子。
在离子束流轰击目标靶5的过程中，部分离子打到真空腔3和加速电极7上产生二次电子，真空腔3的内壁经激光处理后镀有A型TiZrVHf吸气剂薄膜2，加速电极7的内壁经激光处理后镀有C型TiZrVHf吸气剂薄膜6，以显著降低二次电子产额，减少二次电子的发射，从而降低二次电子对中子管中离子束流的影响。同时，TiZrVHf吸气剂薄膜对H2、CO及CO2等残余气体具有很好的抽气速率和较高的吸气量，从而保证无附加真空泵情况下，密封中子管内部依然可以保持一定的吸气能力，从而维持中子管内良好的真空度，减少残余气体对离子束流的影响，提高离子束流的品质，继而提高核反应效率，最终提高中子产额和中子束流的稳定性。
其次，中子发生器在非工作状态时，真空腔3和加速电极7上的A型TiZrVHf吸气剂薄膜2及C型TiZrVHf吸气剂薄膜6能够吸附腔室中的气体，使得真空腔3维持一个较低的气压，以延长中子管的寿命，另外，目标靶5上镀的B型TiZrVHf吸气剂薄膜4的吸氚(氘)性能比传统的钛膜更好，同时目标靶5的表面积经激光处理后增大数倍，为靶系统吸附更多的氚(氘)提供了前提；并且薄膜表面积增大，能够展平功率密度分布，极大地降低薄膜上的最高温度，更好的保护薄膜及靶系统。
传统的中子管和中子发生器抑制二次电子的方法主要有电场抑制、磁场抑制及引入电阻，其中，电场抑制和磁场抑制会引入新的部件，靶系统电压过高时电阻容易击穿，本发明能够在不引入任何器件的情况下有效降低目标靶5表面的二次电子产额，提高真空系统和粒子束流的稳定性。
仿真验证
根据磁控溅射镀膜的规律，当无氧铜衬底被激光刻蚀后，随着薄膜厚度的增加，衬底的表面形貌对薄膜表面形貌的影响越来越小，激光处理后无氧铜表面的二次电子产额为0.98；在该激光处理后的无氧铜衬底上镀TiZrVHf四元合金薄膜之后，当薄膜厚度为9.74μm时，该薄膜的SEY如图2a及图2b所示，当入射电子能量在100eV和3000eV之间变化时，该薄膜的最大二次电子产额为1.38。
由其中，R为薄膜晶粒的半径，R0为薄膜初始晶粒尺寸，t为时间，k为热激活常数，可知，随着镀膜时间的增加，薄膜厚度不断增加，同时薄膜表面的晶粒团簇尺寸也不断增加，由图3所示的薄膜生长机理示意图可知，当晶粒团簇尺寸较大时，单位长度内薄膜表面的凹槽起伏曲线的峰谷数少于晶粒团簇尺寸较小的薄膜。以厚度为9.74μm的薄膜为例，如图4a2和图4b2所示，薄膜表面呈凹槽状的结构，该结构有利于俘获二次电子，使得二次电子很难逃逸至样品表面，从而降低材料表面的二次电子产额，对比图4a2和图4b2可知，薄膜厚度为2μm时，其晶粒团簇尺寸明显小于薄膜厚度为9.74μm时的晶粒团簇尺寸，因此，当薄膜厚度小于9.74μm时，对于同一激光参数处理过的无氧铜衬底，薄膜的最大二次电子产额小于1.38；原始无氧铜衬底的二次电子产额最大值一般在1.8-2.0之间，因此，本发明可有效降低中子管内壁表面的二次电子产额，从而降低二次电子产额对中子管内束流品质的影响，继而提高中子管内束流的品质，从而提高中子管内核反应效率。

Claims (6)

1.一种中子源靶系统，其特征在于，包括真空腔(3)、储存器(1)、离子源(8)以及设置于真空腔(3)内的加速电极(7)及目标靶(5)，其中，储存器(1)释放的气体在离子源(8)的作用下电离成为带电粒子，所述带电粒子经加速电极(7)加速后轰击到目标靶(5)上，其中，真空腔(3)的内壁镀有A型TiZrVHf吸气剂薄膜(2)，加速电极(7)的内壁经激光处理后镀有C型TiZrVHf吸气剂薄膜(6)，目标靶(5)的表面经激光处理后镀有B型TiZrVHf吸气剂薄膜(4)。
2.根据权利要求1所述的中子源靶系统，其特征在于，真空腔(3)的内壁经激光处理后镀有A型TiZrVHf吸气剂薄膜(2)。
3.根据权利要求1所述的中子源靶系统，其特征在于，所述A型TiZrVHf吸气剂薄膜(2)的厚度为0.5-2μm。
4.根据权利要求1所述的中子源靶系统，其特征在于，所述B型TiZrVHf吸气剂薄膜(4)的厚度为2-10μm。
5.根据权利要求1所述的中子源靶系统，其特征在于，所述C型TiZrVHf吸气剂薄膜(6)的厚度为0.5-2μm。
6.根据权利要求1所述的中子源靶系统，其特征在于，真空腔(3)侧壁的材质为不锈钢、陶瓷、玻璃或铝合金。
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