CN113133176A - 一种高产额长寿命中子管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高产额长寿命中子管，涉及中子源技术领域。一种高产额长寿命中子管，包括：外壳、气氛控制装置、离子源、引出加速单元和靶单元，所述气氛控制装置包括离子源端气氛控制单元和靶端气氛控制单元，均用于吸收中子管内的气体并能改变吸气的工作温度；离子源端气氛控制单元、所述离子源、所述引出加速单元、所述靶单元和所述靶端气氛控制单元沿着所述中子管轴向方向顺序设置。本发明一方面能够进一步降低中子管内离子源腔室以外区域的真空度，另一方面通过离子源端和靶端吸气剂种类或工作温度的合理选择，能够更好地调节中子管内气氛环境，延长中子管使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及微型加速器型中子源，特别是涉及一种高产额长寿命中子管。
背景技术
密封管式中子发生器具有便携、关断时不产生中子、操作简单等特点，在油气测井、工业物料成分在线检测、辐照测试等领域具有广泛的应用。
影响中子管产额和寿命的一个重要因素是中子管内的真空环境，但中子管封接时不可避免地会存在一些残余气体，且中子管工作时，由于离子轰击等作用，会不断地有气体从外壳、加速电极、靶等材料上释放出来，导致中子管内真空环境越来越差。中子管长时间储存时，靶单元等含有的氚持续衰变产生氦，并从固体中脱附，也是影响中子管内真空环境非常重要的因素。残余气体较少时，气体分子与加速后的离子相互作用，会影响离子束流品质，中子产额也会受影响；残余气体继续增多，会导致中子管耐压性能降低，允许加速电压受限，中子产额大幅下降；残余气体再继续增多，中子管将无法正常工作。当中子管产额达不到要求，甚至无法再产生中子时，其寿命终止。已有的中子管一般在离子源端安装一个储存器，一方面提供电离产生氘离子所需的氘气，另一方面吸收中子管内的残余气体，维持中子管内的真空环境，但中子管寿命仍不理想，还需要进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种高产额长寿命中子管。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
第一方面，本发明公开了一种高产额长寿命中子管，涉及中子源技术领域。一种高产额长寿命中子管，包括：外壳、气氛控制装置、离子源、引出加速单元和靶单元，所述气氛控制装置包括离子源端气氛控制单元和靶端气氛控制单元，均用于吸收中子管内的气体并能改变吸气的工作温度；离子源端气氛控制单元、所述离子源、所述引出加速单元、所述靶单元和所述靶端气氛控制单元沿着所述中子管轴向方向顺序设置。
本发明的有益效果是，提供的一种高产额长寿命中子管一方面能够进一步降低中子管内离子源腔室以外区域的真空度，另一方面通过离子源端和靶端吸气剂种类或工作温度的合理选择，能够更好地调节中子管内气氛环境，延长中子管使用寿命。
优选地，所述离子源端气氛控制单元为带有加热丝的选择性吸氢吸气剂；所述靶端气氛控制单元为带有加热丝的非选择性吸气剂。
上述实施例中，离子源端吸气剂仅吸收氢同位素气体，使其在更长时间内保持足够高的吸气速率，O2、CO等活性气体被靶端吸气剂吸收，能够避免杂质气体对离子源电离和离子束流品质的影响。
优选地，所述离子源端气氛控制单元为带有加热丝的吸氢吸气剂，所述离子源端气氛控制单元的工作温度不高于所述吸氢吸气剂的最高吸氢温度，并且所述最高吸氢温度不高于所述非选择性吸气剂的最高吸气温度；所述靶端气氛控制单元为带有加热丝的吸气剂，所述靶端气氛控制单元的工作温度不低于所述最高吸氢温度，且所述最高吸氢温度不高于所述最高吸气温度。
上述实施例中，靶端吸气剂仅吸收O2、CO等活性气体，既有利于控制中子管内气氛环境，同时也避免氢同位素气体的浪费。
优选地，所述离子源端气氛控制单元为带有加热丝的高温吸气剂，所述靶端气氛控制单元为带有加热丝的常温吸气剂。
上述实施例中，中子管工作时，离子源端高温吸气剂通加热电流，使其工作在所需的温度，靶端常温吸气剂则不需通加热电流。此种情况下，无论中子管处于工作还是储存状态下，靶端常温吸气剂一直在吸收中子管内的残余气体，使得中子管长期维持在较高的真空度水平，且可减少离子源端吸气剂吸气能力的浪费，使其在更长时间内维持足够高的吸气速率。
优选地，所述离子源端气氛控制单元为带有加热丝的吸气剂，所述靶端气氛控制单元为微型离子泵。
上述实施例中，在靶端增加布置一个微型离子泵子单元，能够在中子管非工作状态下，通过启动靶端离子泵，有效抽除中子管内的氦气等杂质气体，延长中子管储存和使用寿命,这种方式不仅可以抽除中子管内的O2、CO等活性杂质气体，也可以利用气体分子的电离和离子的“掩埋”作用，抽除中子管内因氚衰变产生的氦气及其他惰性气体。
进一步地，所述引出加速单元的加速电极内壁表面处理方式包括：粗糙化处理、镀覆低SEY薄膜处理、加工微结构处理或生长纳米结构方式处理。
进一步地，所述靶单元的靶基底表面表面处理方式包括：采用粗糙化处理、加工微结构处理或生长纳米结构方式处理后，再镀覆靶膜。
上述实施例中，加速电极内壁和靶基底表面经过处理后，在离子或电子轰击下产生的二次电子很大一部分将被抑制在加速电极和靶表面；靶基底表面经过加工微结构或生长纳米结构方式处理后，离子轰击并发生聚变反应的面积增大，将大幅增加中子产额。
进一步地,所述靶基底加偏置电场或磁场。
进一步地,所述靶膜材料为吸氢金属或吸氢复合材料。
上述实施例中，可以实现中子管内气氛的更有效调节和二次电子的更有效抑制，从而进一步提高中子管产额和寿命。
第二方面，本发明提供了一种具备高产额长寿命中子管的设备，其特征在于，采用上述任一项所述的一种高产额长寿命中子管。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的一种高产额长寿命中子管轴向剖面示意图。
其中，1为外壳，2为气氛控制装置，21为离子源端气氛控制单元，22为靶端气氛控制单元，3为离子源，4为引出加速单元，5为靶单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
现有中子管主要存在以下两个问题：
1.中子管封接时不可避免地会存在一些残余气体，且中子管工作时，由于离子轰击等作用，会不断地有气体从外壳、加速电极、靶等材料上释放出来，导致中子管内真空环境越来越差。中子管长时间储存时，靶单元等含有的氚持续衰变产生氦，并从固体中脱附，也是影响中子管内真空环境非常重要的因素。残余气体较少时，气体分子与加速后的离子相互作用，会影响离子束流品质，中子产额也会受影响；残余气体继续增多，会导致中子管耐压性能降低，允许加速电压受限，中子产额大幅下降；残余气体再继续增多，中子管将无法正常工作。当中子管产额达不到要求，甚至无法再产生中子时，其寿命终止。已有中子管一般在离子源端安装一个储存器，一方面提供电离产生氘离子所需的氘气，另一方面吸收中子管内的残余气体，维持中子管内的真空环境，但中子管寿命仍不理想，还需要进一步提高。
2.中子管工作时，由离子源产生的氘离子，经引出加速系统加速后打在靶上，在发生聚变反应产生中子的同时，也会产生大量的二次电子，这些二次电子轰击加速电极内壁，会发生散射或再次产生二次电子。如果靶上产生的二次电子以及加速电极内壁散射或产生的二次电子进入加速区域，产生的电子流将构成中子管束流的一部分。这部分电子流对产生中子不起作用，但会增加电源负载，导致相同功耗下中子产额降低。如何有效抑制二次电子进入加速区域是中子管设计和研制的重要方面。
第一方面,本发明针对以上两个问题提出如下中子管的实施例。
实施例一
图1为本发明实施例提供的一种高产额长寿命中子管的轴向剖面示意图。
如图1所示，一种高产额长寿命中子管包括：外壳、气氛控制装置、离子源、引出加速单元和靶单元，气氛控制装置包括离子源端气氛控制单元和靶端气氛控制单元，用于吸收中子管内的气体；离子源端气氛控制单元、离子源、引出加速单元、靶单元和靶端气氛控制单元沿着中子管轴向方向顺序设置。
其中气氛控制单元包括两个子单元，即离子源端气氛控制单元和靶端气氛控制单元，一个布置在离子源端，为带有加热丝的选择性吸氢吸气剂，包括：锆-镍吸气剂；另一个布置在靶端，为带有加热丝的非选择性吸气剂。非选择性吸气剂的选择包括：锆-铝、锆-石墨吸气剂。
引出加速单元加速电极内壁表面镀覆低SEY薄膜TiN。靶单元靶基底表面加工成微凸起阵列结构，然后镀覆靶膜。
靶基底通过连接偏压电阻实现相对于加速电极的正偏压(200～500V)。在中子管靶端增加布置吸气剂，使得离子源以外区域的真空度长时间保持在较高水平(10-4～10-5Pa)，同时离子源端吸气剂仅吸收氢同位素气体，O2、CO等活性气体被靶端吸气剂吸收，能够避免杂质气体对离子源电离和离子束流品质的影响。
靶基底表面加工成微凸起阵列结构，然后镀覆钛膜，一方面能够有效抑制二次电子(逸出二次电子减少达50％以上)，另一方面离子轰击并发生聚变反应的面积可以增大数倍甚至一个数量级，将大幅增加中子产额。在引出加速系统加速电极内壁表面镀覆低SEY薄膜TiN，有利于抑制散射离子及靶表面产生的电子再次轰击产生的二次电子逸出。
相比已有技术，本发明的有益效果是，可以实现中子管内气氛的更有效调节和二次电子的更有效抑制，从而进一步提高中子管产额和寿命。
实施例二
在实施例一的基础上，其中气氛控制单元包括两个子单元，一个布置在离子源端，为带有加热丝的锆-铝吸气剂，工作在300～600℃，另一个布置在靶端，为带有加热丝的钛吸气剂，工作在700℃以上。引出加速单元加速电极内壁表面镀覆低SEY薄膜TiN。
靶单元靶基底表面加工成微凸起阵列结构，然后镀覆靶膜。靶基底通过连接偏压电阻实现相对于加速电极的正偏压(200～500V)。靶端钛吸气剂工作在700℃以上时，仅吸收O2、CO等活性气体，既有利于控制中子管内气氛环境，同时也避免氢同位素气体的浪费。
实施例三
在实施例一的基础上，其中气氛控制单元包括两个子单元，一个布置在离子源端，为带有加热丝的高温吸气剂，比如锆-铝吸气剂，另一个布置在靶端，为带有加热丝的常温吸气剂，比如锆-石墨吸气剂。引出加速单元加速电极内壁表面镀覆低SEY薄膜TiN。靶单元靶基底表面加工成微凸起阵列结构，然后镀覆靶膜。
靶基底通过连接偏压电阻实现相对于加速电极的正偏压(200～500V)。在靶端增加布置常温吸气剂，无论中子管处于工作还是储存状态下，靶端常温吸气剂一直在吸收中子管内的残余气体，使得中子管长期维持在较高的真空度水平。并且，靶端常温吸气剂不需要加热，无需增加吸气剂加热电源。
实施例四
在实施例一的基础上，其中气氛控制单元包括两个子单元，其离子源端子单元为带有加热丝的吸气剂，靶端子单元为微型溅射离子泵。引出加速单元加速电极内壁表面镀覆低SEY薄膜TiN。靶单元靶基底表面加工成微凸起阵列结构，然后镀覆靶膜。靶基底通过连接偏压电阻实现相对于加速电极的正偏压(200～500V)。
在此实施例中，在中子管非工作状态下，通过连接外部电源和控制系统，启动微型溅射离子泵。溅射离子泵不仅可以抽除O2、CO等活性杂质气体，也可以利用气体分子的电离和离子的“掩埋”作用抽除因氚衰变产生的氦气及其他惰性气体，从而长时间维持中子管内良好的真空环境，大幅延长中子管储存和使用寿命。
实施例五
在实施例一至四的基础上，其中靶膜材料为吸氢金属或吸氢复合材料，包括如钛、锆、钪、钛锆合金等。靶基底加偏置电场或磁场的方式为：通过连接偏压电阻或者布置永磁体等方式。
第二方面,本发明提供了一种具备高产额长寿命中子管的设备，其特征在于，采用上述任一项的一种高产额长寿命中子管。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种高产额长寿命中子管，其特征在于，包括：外壳、气氛控制装置、离子源、引出加速单元和靶单元，所述气氛控制装置包括离子源端气氛控制单元和靶端气氛控制单元，均用于吸收中子管内的气体并能改变吸气的工作温度；
离子源端气氛控制单元、所述离子源、所述引出加速单元、所述靶单元和所述靶端气氛控制单元沿着所述中子管轴向方向顺序设置。
2.根据权利要求1所述的一种高产额长寿命中子管，其特征在于，所述离子源端气氛控制单元为带有加热丝的选择性吸氢吸气剂；所述靶端气氛控制单元为带有加热丝的非选择性吸气剂。
3.根据权利要求1所述的一种高产额长寿命中子管，其特征在于，所述离子源端气氛控制单元为带有加热丝的吸氢吸气剂，所述离子源端气氛控制单元的工作温度不高于所述吸氢吸气剂的最高吸氢温度，并且所述最高吸氢温度不高于所述非选择性吸气剂的最高吸气温度；
所述靶端气氛控制单元为带有加热丝的吸气剂，所述靶端气氛控制单元的工作温度不低于所述最高吸氢温度，且所述最高吸氢温度不高于所述最高吸气温度。
4.根据权利要求1所述的一种高产额长寿命中子管，其特征在于，所述离子源端气氛控制单元为带有加热丝的高温吸气剂，所述靶端气氛控制单元为带有加热丝的常温吸气剂。
5.根据权利要求1所述的一种高产额长寿命中子管，其特征在于，所述离子源端气氛控制单元为带有加热丝的吸气剂，所述靶端气氛控制单元为微型离子泵。
6.根据权利要求1至5任一所述的一种高产额长寿命中子管，其特征在于，所述引出加速单元的加速电极内壁表面处理方式包括：粗糙化处理、镀覆低SEY薄膜处理、加工微结构处理或生长纳米结构方式处理。
7.根据权利要求1至5任一所述的一种高产额长寿命中子管，其特征在于，所述靶单元的靶基底表面表面处理方式包括：采用粗糙化处理、加工微结构处理或生长纳米结构方式处理后，再镀覆靶膜。
8.根据权利要求1至5任一所述的一种高产额长寿命中子管，其特征在于，所述靶基底加偏置电场或磁场。
9.根据权利要求1至5所述的一种高产额长寿命中子管，其特征在于，所述靶膜材料为吸氢金属或吸氢复合材料。
10.一种具备高产额长寿命中子管的设备，其特征在于，采用权利要求1至9任一所述的一种高产额长寿命中子管。
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