CN111007560B - 用于准单能中子参考辐射场的中子产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于准单能中子参考辐射场的中子产生装置，其包括反应单元，反应单元的第一端部与粒子发生源密封连接；反应单元内设置有包括至少两个反应靶件的反应组件，反应组件能够使至少两个反应靶件中的任一个切换至工作位置，或者使至少两个反应靶件均处于非工作位置。通过采用上述技术方案，至少两个反应靶件切换工作位置，增加了中子产生装置使用的通用性，针对不同能量的质子束，可采用相应的满足测试需求的反应靶件配合进行反应产生符合测试需求的中子。

Description

用于准单能中子参考辐射场的中子产生装置

技术领域

本发明涉及参考辐射场装置领域，具体涉及一种用于准单能中子参考辐射场的中子产生装置。

背景技术

目前，中子探测器广泛应用于安检和航天领域。人们对宇宙中辐射的探测的方法是使用空间辐射中子探测器对宇宙中的中子射线进行探测，为了确保中子探测器的探测精度能够达到探测要求，需要使用中子参考辐射场对中子探测器进行校验。中子探测器需要在中子参考辐射场中经过校验和校准之后再进行使用。

随着航天空间中子探测任务的需要以及地面高能质子加速器的发展，对20MeV以上能区的单能中子参考辐射场需求日益突出。发展20MeV以上能区高能中子参考辐射场对于解决国防需求、推动中子计量学科发展具有重要意义。

在高能中子的能量区间内，由于多体碎裂反应过程以及高能中子与周围物质相互作用产生次级中子过程的发生，无法得到纯净的单能中子场，仅能得到准单能中子场。现有的准单能中子参考辐射场中的中子的产生是通过质子与其他原子反应得到的，具体地说，不同能量的质子束流轰击在靶件上并与靶件发生反应产生中子。

在准单能中子参考辐射场中，中子的能量是由入射的质子能量和靶件的厚度共同决定的，准单能中子参考辐射场根据测试需求会改变需要的中子能量，若对不同能量的质子均采用相同厚度的靶件，会造成准单能中子参考辐射场产生的中子的能量或其他参数不符合测试需求的情况出现。现有的准单能中子参考辐射场中，靶件的厚度是固定的，在中子能量发生变化时，现有的准单能中子参考辐射场无法满足测试需求。同时，现有的准单能中子参考辐射场中产生中子的反应为放热反应，靶件在反应过程中温度升高，导致靶件的工作寿命短，需要频繁更换新的靶件。此外，现有的准单能中子参考辐射场在质子束轰击靶件之前并未对质子束的流强进行检测，测试精度无法得到保证。

因此，现有的准单能中子参考辐射场中亟需一种能够满足不同的测试需求、靶件工作寿命长且测试精度高的中子产生装置。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供一种用于准单能中子参考辐射场的中子产生装置，所述中子产生装置包括反应单元，所述反应单元的第一端部与粒子发生源密封连接；所述反应单元内设置有包括至少两个反应靶件的反应组件，所述反应组件能够使所述至少两个反应靶件中的任一个切换至工作位置，或者使所述至少两个反应靶件均处于非工作位置。

根据本发明的实施例，所述反应组件包括用于支承所述至少两个反应靶件的支承框架，所述支承框架为具有中空部分的框架，所述至少两个反应靶件设置在所述中空部分内。

根据本发明的实施例，在所述支承框架上设置用于对所述至少两个反应靶件进行冷却的冷却机构。

根据本发明的实施例，所述冷却机构包括设置在所述支承框架中的冷却通道以及设置在所述支承框架的上端部的冷媒进口和冷媒出口。

根据本发明的实施例，所述反应组件还包括驱动机构，所述驱动机构将所述至少两个反应靶件中的任一个驱动至工作位置，或者将所述至少两个反应靶件均驱动至非工作位置。

根据本发明的实施例，所述驱动机构包括电机以及传动机构，所述传动机构将所述电机传动地连接至所述至少两个反应靶件。

根据本发明的实施例，所述传动机构包括与所述电机传动地连接的传动杆，所述传动杆连接至用于支承所述至少两个反应靶件的支承框架。

根据本发明的实施例，所述反应组件还包括与所述至少两个反应靶件并列设置的调试靶件，所述调试靶件能够在工作位置与非工作位置之间切换。

根据本发明的实施例，所述中子产生装置还包括测量单元，所述测量单元密封地设置在所述粒子发生源与所述反应单元之间，所述测量单元用于接收来自所述粒子发生源的粒子流并对所述粒子流的强度进行测量。

根据本发明的实施例，所述测量单元包括外壳、测量部件以及抽真空部件，所述外壳形成与外部环境密封地隔离的测量室；所述测量部件设置在所述测量室内，用于测量所述粒子流的强度；所述抽真空部件设置在所述外壳中且与所述测量室流体连通。

根据本发明的实施例，在所述测量单元与所述反应单元的连接处设置有第一隔离膜，所述第一隔离膜防止所述测量单元与所述反应单元之间的流体连通。

根据本发明的实施例，所述反应单元包括壳体，所述壳体形成与外界环境密封地隔离的反应室，在所述反应室内充有保护气体；在所述反应单元的壳体上设置有与所述反应室流体连通的充气阀和排气阀。

根据本发明的实施例，在所述反应单元的与所述第一端部相反的第二端部上开设有粒子出射口，在所述粒子出射口上设置有第二隔离膜，所述第二隔离膜防止所述反应单元的内腔与外界环境流体连通。

通过采用上述技术方案，本发明主要有以下几个技术效果：

1.反应组件上设置有至少两个反应靶件，操作人员根据测试需求切换至少两个靶件的工作状态，能够根据不同的质子入射能量，选取合适的反应靶件产生符合测试需求的中子；

2.反应组件上设置有调试靶件，调试靶件用于调试质子束流对准靶片中心，使得质子束流可以准确轰击在靶片上；

3.反应室内充有保护气体，保护气体对靶件进行保护，延长了靶件的工作寿命；

4.通过设置冷却机构对靶件进行冷却，冷媒循环地在冷却机构中对靶件进行冷却，延长了靶件的使用寿命；

5.测量单元对射入反应组件的质子的束流强度进行测量，提高准单能中子参考辐射场的测试精度。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的用于准单能中子参考辐射场的种子产生装置的示意图；

图2为根据本发明的实施例的反应单元的示意图。

图中：1、反应单元；11、反应组件；111、反应靶件；112、支承框架；113、冷却机构；1131、冷却通道；114、驱动机构；1141、电机；11411、驱动杆；1142、传动杆；11421、冷媒进入通道；11422、冷媒输出通道；115、调试靶件；12、壳体；121、反应室；122、充气阀；123、排气阀；13、粒子出射口；2、测量单元；21、外壳；211、测量室；22、测量部件；23、抽真空部件；3、第一隔离膜；4、第二隔离膜。

具体实施方式

下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式。

请一并参照图1及图2，本发明公开了一种用于准单能中子参考辐射场的中子产生装置，其包括反应单元1，反应单元1的第一端部与粒子发生源密封连接；反应单元1内设置有包括至少两个反应靶件111的反应组件11，反应组件11能够使至少两个反应靶件111中的任一个切换至工作位置，或者使至少两个反应靶件111均处于非工作位置。

在此需要说明的是，中子产生装置中的至少两个反应靶件111的厚度均不相同，通过设置至少两个反应靶件111，中子产生装置有至少两个工位能够产生能量不同的中子以满足不同的测试需求。优选地，本实施例中的中子产生装置中设置有三个反应靶件111，三个反应靶件111的厚度均不相同，在此对反应靶件111的排列顺序不作限定，反应靶件111可以是依据厚度由薄到厚或由厚到薄的顺序排列，反应靶件111也可以是根据使用频率进行排列。

优选地，反应组件11包括用于支承至少两个反应靶件111的支承框架112，支承框架112为具有中空部分的框架，至少两个反应靶件111设置在中空部分内，即，质子射在反应靶件111上时，产生的中子从支承框架112的中空部分射出。

为了能够切换不同的反应靶件111来产生能量不同的中子，从而满足不同的测试需求，反应组件11包括驱动机构114，驱动机构114包括电机1141和传动机构。其中，传动机构包括与支承框架112固定连接的传动杆1142，电机1141驱动传动杆1142带动支承框架112运动，调整反应靶件111的位置，从而根据不同的测试需求将相应的反应靶件111调整至工作位置。例如，若测试需求为需要质子束进行相关测试，则将所有反应靶件111调整至非工作位置，即，如图1所示的位置。在此对电机1141与传动机构的连接方式不作限定，电机1141可以与传动杆1142直接连接，也可以如图2所示，本实施例中电机1141通过电机1141的驱动杆11411驱动传动杆1142以切换反应靶件111的位置，在此对传动方式不作限定，例如，驱动杆11411可以通过齿轮带动传动杆1142运动，也可以是驱动杆11411带动涡轮，涡轮带动传动杆1142运动。

反应组件11与质子之间的反应是放热反应，为了延长反应组件11的工作寿命，在支承框架112上设置有用于对至少两个反应靶件111进行冷却的冷却机构113，冷却机构113包括设置在支承框架112中的冷却通道1131以及设置在支承框架112的端部的冷媒(冷却媒介)进口(图中未示出)和冷媒出口(图中未示出)。在此需要说明的是，冷媒进口和冷媒出口与传动杆1142相连，传动杆1142中设置有冷媒进入通道11421和冷媒输出通道11422，冷媒通过冷媒进入通道11421从冷媒进口进入冷却通道1131并从冷媒出口沿冷媒输出通道11422输出支承框架112。为增加冷却机构113的工作效率，冷却机构113内的冷媒是循环的，冷媒循环地在冷却通道1131中流动，及时带走反应组件11产生的热量，延长反应组件11的工作寿命。本实施例采用上述冷却机构113对反应靶件111进行降温而不将冷媒与反应靶件111直接接触，是因为若将冷媒与反应靶件111直接接触，冷媒对经反应靶件111反应后产生的中子有慢化作用，慢化后的中子能量降低，达不到测试需求要求的中子能量。在此对冷媒的种类不作限定，本实施例中采用水作为冷媒。

为保证本实施例中的中子产生装置中入射质子能够准确轰击在反应靶件111上，需要调试束流对准反应靶件111的中心，因此反应组件11上设置有与反应靶件111并列设置的调试靶件115，调试靶件115设置在支承框架112的设置反应靶件111的平面上，即调试靶件115与至少两个反应靶件111位于同一平面内，调试靶件115能够在传动杆1142的带动下在工作位置和非工作位置之间切换。调试靶件115不仅与反应靶件111在设置位置上具有并列关系，而且在工作时两者也具有并列关系，即能够通过传动杆1142带动使至少两个反应靶件111和调试靶件115依次进入工作位置内或依次移出工作位置。在此对调试靶件115的调试方式不作限定，优选地，本实施例中为方便操作人员检测经调试靶件115射出的中子的方向，调试靶件115为荧光靶件，在进行实际测量前，操作人员将调试靶件115切换至工作位置，质子与调试靶件115反应并在调试靶件115上留下荧光痕迹，操作人员通过观察荧光痕迹在调试靶件115上的位置即可得到质子在调试靶件115上的具体轰击位置，在此对操作人员观察荧光痕迹的方式不作限定，可以通过在反应单元中设置相机来观察调试靶件115上的荧光痕迹。操作人员根据调试靶件115上的具体轰击位置调整支承框架112的位置，从而保证质子流能够准确轰击在处于工作位置的反应靶件111上。

优选地，本实施例中的至少两个反应靶件111均采用⁷Li材料制成，在获取能够满足准单能中子参考辐射场的能量要求的中子的方法中，⁷Li(p，n)⁷Be反应具有最高的能量峰值份额。同时，由于⁷Li(p，n)⁷Be反应的Q值较小，大约为-1.6MeV，并且⁷Be第一激发态的激发能只有0.4MeV左右，因此⁷Li(p，n)⁷Be反应产生的中子单色性(中子单色性即中子束中某一能量中子占所有中子的比例，本发明中为高能中子的比例，中子单色性越好，中子束中的高能中子的比例越高)相对较好且⁷Li(p，n)⁷Be反应产额大，即，该反应得到的中子数量较大。因此，为提高中子产生装置产生的中子束的单色性及产额，本实施例中的至少两个反应靶件111均采用⁷Li材料制成。

在此需要说明的是，反应靶件111的厚度决定了产生的中子束的能量以及产生的中子束的单色性，具体关系为反应靶件111越厚，中子产额越大但中子束的单色性越差，反应靶件111的厚度与质子束的能量有关，因此，操作人员需要权衡中子产生装置产生的中子束的能量以及单色性后选择反应靶件111的厚度，其中，当质子沉积能量(质子束在反应靶件111上的沉积能量)接近2MeV时，产生的中子束的能量以及单色性均可满足测试需求。本实施例中的三个反应靶件111的厚度分别为4mm、5mm和6mm以满足不同的测试需求，之所以选择上述厚度的反应靶件111，是因为操作人员计算了反应靶件111从3mm～12mm时，质子能量分别为70MeV、80MeV、90MeV和100MeV时的质子沉积能量，计算完成后选择质子沉积能量约等于2MeV时的厚度作为反应靶件111的厚度，具体的计算结果如下表所示：

表1不同能量入射质子在Li靶中的能量沉积

除上述计算结果外，在质子沉积能量相差不大时，操作人员考虑测试需求时有侧重，例如本实施例中，在质子能量为70MeV时，操作人员需要单色性较好的中子束，因此本实施例中的一个反应靶件111选择4mm厚度的反应靶件111而不选用5mm厚度的反应靶件111。

由于本实施例中的至少两个反应靶件111均采用⁷Li材料制成，由于金属锂的熔点低(180℃)且化学性质活泼，若将金属锂裸露于空气中，金属锂极易发生氧化反应，从而降低中子产生装置产生的中子束的产额。因此，为提高反应靶件111产生的中子束的产额且延长反应靶件111的工作寿命，减少反应靶件111因非工作原因的损耗，本实施例中的反应单元1包括壳体12，该壳体12形成与外界环境密封地隔离的反应室121，反应靶件111设置在反应室121内，为保护反应靶件111，反应室121内充有保护气体，在壳体12上设置有与反应室121流体连通的充气阀122和排气阀123，操作人员通过充气阀122向反应室121内充入保护气体，通过排气阀123排出保护气体从而保证反应室121内的压强平衡，在此对保护气体的种类不作限定，所有不与金属锂反应的惰性气体均可作为保护气体充在反应室121内，优选地，为减少中子产生装置的成本，本实施例中的保护气体为容易获取且成本较低的氩气，反应室121内部的绝对压力为一个大气压。

请一并参照图1及图2，本实施例中驱动机构114的电机1141设置在反应单元1的壳体12组成的反应室121的外侧，传动杆1142伸入反应室121内与支承框架112相连，操作人员通过启动电机1141带动支承框架112移动，从而根据测试需求切换合适的反应靶件111、调试靶件115或不选用靶件来执行测试。优选地，本实施例中共有三个反应靶件111和一个调试靶件115，三个反应靶件111的厚度各不相同，本实施例中的中子产生装置具有五种工作模式，即反应靶件111和调试靶件115均处于非工作位置、调试靶件115处于工作位置、第一个反应靶件111处于工作位置、第二个反应靶件111处于工作位置以及第三个反应靶件111处于工作位置。当测试需求为需要质子束进行测试时，将反应靶件111和调试靶件115均切换至非工作位置，质子束不与反应靶件111或调试靶件115发生反应直接穿过反应单元，为后续的测试工作提供质子束；当需要调整靶件的位置时，将调试靶件115切换至工作位置进行靶件位置的调试；当测试需求为需要中子束进行测试时，根据需要的中子束的能量，从三个反应靶件111中切换其中一个能够产生该能量的中子束的反应靶件111置于工作位置，为后续的测试工作提供该能量的中子束。

在准单能中子参考辐射场中，质子形成质子束进入中子产生装置中，为准确测量质子束的强度，保证准单能中子参考辐射场的测量精度，本实施例中的中子产生装置还包括测量单元2，测量单元2密封地设置在粒子发生源和反应单元1之间。测量单元2包括外壳21、测量部件22以及抽真空部件23，其中，外壳21形成与外部环境密封地隔离的测量室211，测量部件22设置在测量室211中，用于对质子数的强度进行测量，为减少大气环境中的粒子对测量部件22的影响，测量部件22需要在真空中运行，因此为保证测量室211内的真空环境，外壳21中设置抽真空部件23，抽真空部件23与测量室211流体连通。在此对测量部件22不作限定，本实施例中采用法拉第筒对质子束的强度进行测量，法拉第筒包括吸收体、收集桶和抑制电极，其中，吸收体由石墨制成。在此对抽真空部件23的结构和组成不作限定，优选地，本实施例中的抽真空部件23包括分子泵、机械泵以及用于显示数值的真空测量仪表设备。

本实施例中的测量室211为真空环境，反应室121内充有保护气体，为防止反应室121内的保护气体泄入测量室211中，同时也防止抽真空组件将保护气体抽走，在测量室211和反应室121的连接处设置有第一隔离膜3，第一隔离膜3在防止气体交换的前提下能够满足质子束通行的条件，即，质子束通过第一隔离膜3不会产生能量损失。在此对第一隔离膜3的材料不作限定，优选地，本实施例中使用由钛合金制成第一隔离膜3。

本实施例中反应单元1的与第一端部相反的第二端部上开设有粒子出射口13，反应单元1产生的中子从粒子出射口13中射出并进入测试区域。测试区域为大气环境，为防止测量区域与反应室121发生气体交换，在粒子出射口13上设置有第二隔离膜4，第二隔离膜4在防止气体交换的前提下能够满足中子通行的条件，即，中子通过第二隔离膜4不会产生能量损失。在此对第二隔离膜4的材料不作限定，优选地，本实施例中使用由钽制成的第二隔离膜4。

本实施例公开的中子产生装置有如下技术效果：本实施例中的至少两个反应靶件111的厚度均经过计算考量，能够满足不同的测试需求，同时，质子束在反应靶件111中的能量沉积小，仅为2MeV，因此质子束与反应靶件111反应后产生的中子的单色性好；通过设置冷却机构113，冷媒循环流通在冷却通道1131中对反应靶件111和/或调试靶件115进行冷却，延长了反应靶件111和调试靶件115的工作寿命；中子产生装置共有五种工作模式，针对不同的测试需求使用不同的工作模式，向测试区域中提供不同能量的中子束或直接提供质子束，增加了中子产生装置的通用性；测量单元2能够准确测出打在反应靶件111上的质子束的强度；反应室121内的保护气体能够延长靶件的工作寿命，同时设置第一隔离膜3和第二隔离膜4能够保证保护气体不会泄露至测量单元2和/或测试区域。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于准单能中子参考辐射场的中子产生装置，所述中子产生装置包括：

反应单元(1)，所述反应单元(1)的第一端部与粒子发生源密封连接；

其特征在于：

所述反应单元(1)内设置有包括至少两个反应靶件(111)的反应组件(11)，所述反应组件(11)能够使所述至少两个反应靶件(111)中的任一个切换至工作位置，或者使所述至少两个反应靶件(111)均处于非工作位置；

所述反应组件(11)还包括驱动机构(114)，所述驱动机构(114)将所述至少两个反应靶件(111)中的任一个驱动至工作位置，或者将所述至少两个反应靶件(111)均驱动至非工作位置；

所述反应组件(11)还包括与所述至少两个反应靶件(111)并列设置的调试靶件(115)，所述调试靶件(115)能够在工作位置与非工作位置之间切换；

所述调试靶件(115)为荧光靶件，所述调试靶件(115)能够与质子反应并留下荧光痕迹；

所述反应组件(11)包括用于支承所述至少两个反应靶件(111)的支承框架(112)，所述支承框架(112)为具有中空部分的框架，所述至少两个反应靶件(111)设置在所述中空部分内，所述调试靶件(115)设置在所述支承框架(112)上；

所述驱动机构(114)驱动所述支承框架(112)移动，使得所述支承框架(112)设有任一所述反应靶件(111)的部分移动至所述工作位置或所述非工作位置，从而相应的所述反应靶件(111)处于所述工作位置或所述非工作位置；或者，使得所述支承框架(112)设有所述调试靶件(115)的部分移动至所述工作位置或所述非工作位置，从而所述调试靶件(115)处于所述工作位置或所述非工作位置。

2.根据权利要求1所述的中子产生装置，其特征在于：

在所述支承框架(112)上设置用于对所述至少两个反应靶件(111)进行冷却的冷却机构(113)。

3.根据权利要求2所述的中子产生装置，其特征在于：

所述冷却机构(113)包括设置在所述支承框架(112)中的冷却通道(1131)以及设置在所述支承框架(112)的上端部的冷媒进口和冷媒出口。

4.根据权利要求1所述的中子产生装置，其特征在于：

所述驱动机构(114)包括电机(1141)以及传动机构，所述传动机构将所述电机(1141)传动地连接至所述至少两个反应靶件(111)。

5.根据权利要求4所述的中子产生装置，其特征在于：

所述传动机构包括与所述电机(1141)传动地连接的传动杆(1142)，所述传动杆(1142)连接至用于支承所述至少两个反应靶件(111)的支承框架(112)。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的中子产生装置，其特征在于：

所述中子产生装置还包括测量单元(2)，所述测量单元(2)密封地设置在所述粒子发生源与所述反应单元(1)之间，所述测量单元(2)用于接收来自所述粒子发生源的粒子流并对所述粒子流的强度进行测量。

7.根据权利要求6所述的中子产生装置，其特征在于：

所述测量单元(2)包括：

外壳(21)，所述外壳(21)形成与外部环境密封地隔离的测量室(211)；

测量部件(22)，所述测量部件(22)设置在所述测量室(211)内，用于测量所述粒子流的强度；以及

抽真空部件(23)，所述抽真空部件(23)设置在所述外壳(21)中且与所述测量室(211)流体连通。

8.根据权利要求7所述的中子产生装置，其特征在于：

在所述测量单元(2)与所述反应单元(1)的连接处设置有第一隔离膜(3)，所述第一隔离膜(3)防止所述测量单元(2)与所述反应单元(1)之间的流体连通。

9.根据权利要求1所述的中子产生装置，其特征在于：

所述反应单元(1)包括壳体(12)，所述壳体(12)形成与外界环境密封地隔离的反应室(121)，在所述反应室(121)内充有保护气体，在所述反应单元(1)的壳体(12)上设置有与所述反应室(121)流体连通的充气阀(122)和排气阀(123)。

10.根据权利要求1-5中的任一项所述的中子产生装置，其特征在于：

在所述反应单元(1)的与所述第一端部相反的第二端部上开设有粒子出射口(13)，在所述粒子出射口(13)上设置有第二隔离膜(4)，所述第二隔离膜(4)防止所述反应单元(1)的内腔与外界环境流体连通。

Images