CN114340132B - 一种两端电位悬浮的中子发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两端电位悬浮的中子发生器,其特征在于,该中子发生器包括正高压平台、离子源、正加速间隙、真空腔室、负加速间隙、靶和负高压平台,其特征在于:离子源安装在正高压平台上,并与正加速间隙相连,正加速间隙与负加速间隙通过真空腔室相连,靶安装在负高压平台上,并与负加速间隙相连;离子源和靶分别同时位于正高压平台和负高压平台上;正高压平台位于第一金属腔内,第一金属腔内填充气态或液态绝缘介质;负高压平台位于第二金属腔内。本发明采用离子源和靶两端电位悬浮的结构提高中子发生器的氘离子能量,从而在非常紧凑的结构下提高中子发生器的中子产额。
Description
技术领域
本发明属于加速器领域。具体涉及一种两端电位悬浮的中子发生器。
背景技术
紧凑型中子发生器主要采用T(d,n)4He和D(d,n)3He两种核反应产生中子。紧凑型中子发生器通常有两种构型:一种为离子源悬浮在正的高电位上,靶接地;一种为离子源接地,靶悬浮在负的高电位上。由于氘离子能量与离子源和靶之间的电位差成正比,提高中子发生器的上述构型中子发生器的加速电压可以提高中子产额。但受限于紧凑型中子发生器的高压绝缘和其配套高压电源尺寸,这两种构型的紧凑型中子发生器的加速电压通常在100kV~200kV。其加速电压较低,导致氘离子能量较低,进而导致相同氘离子束流下中子产额较低。
若需进一步提高上述构型的紧凑型中子发生器的中子产额,提高氘离子能量是一条非常有效的途径。但若直接提高中子发生器的加速电压,将会导致以下后果:
(1)加速电压增大后,中子发生器及其配套的高压电源、隔离变压器、屏蔽区域等的体积均会显著增加;
(2)加速电压增大后,中子发生器本身和配套高压电源的高压打火概率均会显著增加。
此外,对于离子源悬浮于正高电位上的紧凑型中子发生器构型,现有紧凑型中子发生器的离子源的放电电源也需要位于高电位上,且需要通过隔离变压器对放电电源供电,导致离子源工作状态调节困难,供电系统体积增大,且存在用电安全隐患。
另外,现有紧凑型中子发生器有时会采用多电极构成的加速间隙。在多电极构成的加速间隙中,现有中子发生器的束流散射到电极上时易引起各个电极之间分压系数的变化,导致各电极的电压波动,从而影响氘离子束的传输,增大氘离子束的损失(降低中子产额)和增加高压打火的风险(降低中子发生器可靠性)。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种两端电位悬浮的中子发生器装置。具体采用如下技术方案:
一种两端电位悬浮的中子发生器,其特征在于,该中子发生器包括正高压平台、离子源、正加速间隙、真空腔室、负加速间隙、靶和负高压平台,其特征在于:离子源安装在正高压平台上,并与正加速间隙相连,正加速间隙与负加速间隙通过真空腔室相连,靶安装在负高压平台上,并与负加速间隙相连;离子源和靶分别同时位于正高压平台和负高压平台上;正高压平台位于第一金属腔内,第一金属腔内填充气态或液态绝缘介质Ⅰ;负高压平台位于第二金属腔内,第二金属腔内为真空或液态绝缘介质Ⅱ;所述正高压平台为:离子源的类型为永磁微波离子源,采用隔离波导与第一金属腔相连。所述正加速间隙由2-10个金属电极构成,所述正加速间隙为:5个金属电极和4个绝缘环交替叠放,金属电极之间通过第三压敏电阻进行电连接;所述负加速间隙和负高压平台的一种具体设计为:地电极Ⅰ、中间电极和负高压电极Ⅰ通过绝缘筒相连,地电极、中间电极和负高压电极Ⅰ之间通过第二压敏电阻进行电连接,靶通过绝缘套固定在负高压电极后,通过第一压敏电阻进行电连接,高压电缆从金属腔通过绝缘介质Ⅱ与负高压电极Ⅰ相连,绝缘介质Ⅱ通过绝缘导管流至靶背面,并填充在整个金属腔内;所述负加速间隙和负高压平台的另一种具体设计为:地电极Ⅱ安装在金属腔上,和负高压电极Ⅱ之间通过绝缘支座进行连接,靶安装在绝缘支座上,位于负高压电极Ⅱ内部,通过第四压敏电阻进行与负高压电极Ⅱ电连接,高压电缆穿过绝缘支座上的孔与负高压电极相连,绝缘冷却液通过绝缘支座上的孔流至靶。
进一步,所述正高压平台的电压工作范围为0kV ~ 500kV,电压形式可为脉冲或直流;负高压平台的电压工作范围为0kV ~ -500kV,电压形式可为脉冲或直流。
进一步,所述负加速间隙由2 ~ 10个金属电极构成。
本发明通过将中子发生器的加速间隙分为两段,中子发生器的离子源和靶分别同时位于正高压平台和负高压平台上,降低高压绝缘的难度,可以在非常紧凑的结构下实现高的氘离子能量和中子产额。为了减小中子发生器的尺寸,本发明采用永磁微波离子源,通过隔离波导对离子源供能,正高压平台上不再需要供电。对于电极数量大于等于的正加速间隙或负高压间隙,本发明采用第三压敏电阻或第一压敏电阻进行分压,消除束流散射到电极上带来的电压波动。
本发明的优点是:采用离子源和靶两端电位悬浮的结构提高中子发生器的氘离子能量,从而在非常紧凑的结构下提高中子发生器的中子产额。
附图说明
图1为本发明一种两端电位悬浮的中子发生器的结构示意图;
图2为本发明实施例1中两端电位悬浮的中子发生器;
图3为本发明实施例2中两端电位悬浮的中子发生器;
图中,1.离子源……2.正高压平台……3.正加速间隙……4.真空腔室……5.负加速间隙……6.靶……7.负高压平台……8.第一金属腔……9.隔离波导……10.金属电极……11.绝缘环……12.绝缘介质Ⅰ……13.地电极Ⅰ……14.中间电极……15.高压电缆Ⅰ……16.负高压电极Ⅰ……17.绝缘套……18.第二金属腔……19.绝缘介质Ⅱ……20.第一压敏电阻……21.绝缘导管……22.绝缘筒……23.第二压敏电阻……24.第三压敏电阻……25.负高压电极Ⅱ……26.绝缘支座……27.高压电缆Ⅱ……28.绝缘冷却液……29.第四压敏电阻……30.地电极Ⅱ。
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。
一种两端电位悬浮的中子发生器,包括正高压平台2、离子源1、正加速间隙3、真空腔室4、负加速间隙5、靶6和负高压平台7,其特征在于:离子源1安装在正高压平台2上,并与正加速间隙3相连,正加速间隙3与负加速间隙5通过真空腔室4相连,靶6安装在负高压平台7上,并与负加速间隙5相连;离子源1和靶6分别同时位于正高压平台2和负高压平台7上;正高压平台2位于第一金属腔8内,第一金属腔8内填充气态或液态绝缘介质Ⅰ12;负高压平台7位于第二金属腔18内,第二金属腔18内为真空或液态绝缘介质Ⅱ19;
进一步,所述正高压平台2的电压工作范围为0kV ~ 500kV,电压形式可为脉冲或直流;负高压平台7的电压工作范围为0kV ~ -500kV,电压形式可为脉冲或直流。
进一步,所述正高压平台2为:离子源1的类型为永磁微波离子源,采用隔离波导9与第一金属腔8相连。
进一步,所述正加速间隙3由2-10个金属电极构成,所述正加速间隙3为:5个金属电极10和4个绝缘环11交替叠放,金属电极10之间通过第三压敏电阻24进行电连接。
进一步,所述负加速间隙5由2 ~ 10个金属电极构成。
进一步,所述负加速间隙5和负高压平台7的一种具体设计为:地电极Ⅰ13、中间电极14和负高压电极Ⅰ16通过绝缘筒22相连,地电极Ⅰ13、中间电极14和负高压电极Ⅰ16之间通过第二压敏电阻23进行电连接,靶6通过绝缘套17固定在负高压电极Ⅰ16后,通过第一压敏电阻20进行电连接,高压电缆Ⅰ15从金属腔18通过绝缘介质Ⅱ19与负高压电极Ⅰ16相连,绝缘介质Ⅱ19通过绝缘导管21流至靶6背面,并填充在整个金属腔18内。
进一步,所述负加速间隙5和负高压平台7的另一种具体设计为:第二金属腔(18)内为真空,地电极Ⅱ30安装在金属腔18上,和负高压电极Ⅱ25之间通过绝缘支座26进行连接,靶6安装在绝缘支座26上,位于负高压电极Ⅱ25内部,通过第四压敏电阻29进行与负高压电极Ⅱ25电连接,高压电缆Ⅱ27穿过绝缘支座26上的孔与负高压电极Ⅱ25相连,绝缘冷却液28通过绝缘支座26上的孔流至靶6。
为了减小中子发生器的尺寸、提高离子源的可调节性、降低用电安全隐患,本发明提出的一种两端电位悬浮的中子发生器采用永磁微波离子源作为离子源,同时通过隔离波导9对离子源1供能,离子源1的放电电源可位于地电位上,正高压平台2上不再需要供电。
该装置在非常紧凑的结构下提高中子发生器的氘离子能量,进而提高中子发生器的中子产额,其中离子源1位于正高压平台2上,氘(或氚)靶位于负高压平台7上,同时利用正加速间隙3和负加速间隙5对氘离子进行加速,可以在正加速间隙3和负加速间隙5的加速电压相对较低的情况下提高氘离子能量。
为了消除束流散射到正加速间隙3和负加速间隙5上带来的中子产额降低和中子发生器可靠性降低,本发明提出的一种两端电位悬浮的中子发生器采用第三压敏电阻24和第二压敏电阻23对于电极数量大于等于3的正加速间隙3和负加速间隙5进行分压,消除束流散射到正加速间隙3和负加速间隙5上带来的电压波动。
实施例1
图2示出了本发明一种两端电位悬浮的中子发生器的一种具体实施方式。离子源1安装在正高压平台2上,并与正加速间隙3相连,正加速间隙3与负加速间隙5通过真空腔室4相连,靶6安装在负高压平台7上,并与负加速间隙5相连;离子源1和靶6分别同时位于正高压平台2和负高压平台7上;正高压平台2位于第一金属腔8内,第一金属腔8内填充气态或液态绝缘介质Ⅰ12;负高压平台7位于第二金属腔18内,第二金属腔18内为液态绝缘介质Ⅱ19;离子源1的类型为永磁微波离子源,采用隔离波导9与金属桶8相连;
所述正加速间隙3由n个金属电极10和(n-1)个绝缘环11交替叠放形成,各金属电极10之间通过第三压敏电阻24进行电连接。
所述负加速间隙5和负高压平台7中的地电极Ⅰ13、中间电极14和负高压电极Ⅰ16通过绝缘筒22相连,地电极Ⅰ13、中间电极14和负高压电极Ⅰ16之间通过第二压敏电阻23进行电连接,靶6通过绝缘套17固定在负高压电极Ⅰ16后,通过第一压敏电阻20电连接,高压电缆Ⅰ15从金属腔18通过绝缘介质Ⅱ19与负高压电极Ⅰ16相连,绝缘介质Ⅱ19通过绝缘导管21流至靶6背面,并填充在整个金属腔18内。本实施例中,第一金属腔8内填充六氟化硫气体,第二金属腔18内填充去离子水,离子源1产生的氘离子束流强度为30mA,正高压平台2上的电压为150kV,负高压平台7上的电压为-150kV,靶为氘化钛靶,总中子产额为6.75×1010n/s。
实施例2
图3示出了本发明一种两端电位悬浮的中子发生器的另一种具体实施方式。离子源1安装在正高压平台2上,并与正加速间隙3相连,正加速间隙3与负加速间隙5通过真空腔室4相连,靶6安装在负高压平台7上,并与负加速间隙5相连;离子源1和靶6分别同时位于正高压平台2和负高压平台7上。正高压平台2位于第一金属腔8内,第一金属腔8内可以填充气态或液态绝缘介质12。负高压平台7位于第二金属腔18内,第二金属腔18内为真空。离子源1的类型为永磁微波离子源,采用隔离波导9与金属桶8相连。正加速间隙3由25个金属电极10和4个绝缘环11交替叠放,金属电极10之间通过第三压敏电阻24进行电连接。负加速间隙5和负高压平台7中的地电极Ⅱ30安装在金属腔18上,和负高压电极25之间通过绝缘支座26进行连接,靶6安装在绝缘支座26上,位于负高压电极Ⅱ25内部,通过第四压敏电阻29进行与负高压电极Ⅱ25电连接,高压电缆Ⅱ27穿过绝缘支座26上的孔与负高压电极Ⅱ25相连,绝缘冷却液28通过绝缘支座26上的孔流至靶6。本实施例中,离子源1产生的氘离子束流强度为10mA,正高压平台2上的电压为150kV,负高压平台7上的电压为-100kV,靶为氘化钛靶,总中子产额为1.5×1010n/s。
本发明两端电位悬浮的中子发生器,离子源1位于正高压平台2上,氘(或氚)靶位于负高压平台7上,同时利用正加速间隙3和负加速间隙5对氘离子进行加速,可以在正加速间隙3和负加速间隙5的加速电压相对较低的情况下提高氘离子能量,因此与类似体积的现有中子发生器相比具有更高的氘离子能量和中子产额。
本发明提出的一种两端电位悬浮的中子发生器采用永磁微波离子源,同时通过隔离波导9对离子源1供能,离子源1的放电电源可位于地电位上,正高压平台2上不再需要供电,因此与现有中子发生器相比具有更小的尺寸、更高的离子源可调节性和更低的用电安全隐患。
本发明提出的一种两端电位悬浮的中子发生器采用第三压敏电阻24和第二压敏电阻23对于电极数量大于等于3的正加速间隙3和负加速间隙5进行分压,消除束流散射到正加速间隙3和负加速间隙5上带来的电压波动,进而解决束流散射导致的中子产额降低和中子发生器可靠性降低。
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 (3)
1.一种两端电位悬浮的中子发生器,其特征在于,该中子发生器包括正高压平台(2)、离子源(1)、正加速间隙(3)、真空腔室(4)、负加速间隙(5)、靶(6)和负高压平台(7),其特征在于:离子源(1)安装在正高压平台(2)上,并与正加速间隙(3)相连,正加速间隙(3)与负加速间隙(5)通过真空腔室(4)相连,靶(6)安装在负高压平台(7)上,并与负加速间隙(5)相连;离子源(1)和靶(6)分别同时位于正高压平台(2)和负高压平台(7)上;正高压平台(2)位于第一金属腔(8)内,第一金属腔(8)内填充气态或液态绝缘介质Ⅰ(12);负高压平台(7)位于第二金属腔(18)内,第二金属腔(18)内为液态绝缘介质Ⅱ(19);离子源(1)的类型为永磁微波离子源,采用隔离波导(9)与第一金属腔(8)相连;所述正加速间隙(3)由2-10个金属电极构成,所述正加速间隙(3)为:5个金属电极(10)和4个绝缘环(11)交替叠放,金属电极(10)之间通过第三压敏电阻(24)进行电连接;所述负加速间隙(5)和负高压平台(7)的一种具体设计为:地电极Ⅰ(13)、中间电极(14)和负高压电极Ⅰ(16)通过绝缘筒(22)相连,地电极Ⅰ(13)、中间电极(14)和负高压电极Ⅰ(16)之间通过第二压敏电阻(23)进行电连接,靶(6)通过绝缘套(17)固定在负高压电极Ⅰ(16)后,通过第一压敏电阻(20)进行电连接,高压电缆Ⅰ(15)从第二金属腔(18)通过液态绝缘介质Ⅱ(19)与负高压电极Ⅰ(16)相连,绝缘介质Ⅱ(19)通过绝缘导管(21)流至靶(6)背面,并填充在整个第二金属腔(18)内;
所述负加速间隙(5)和负高压平台(7)的另一种具体设计为:地电极Ⅱ(30)安装在第二金属腔(18)上,和负高压电极Ⅱ(25)之间通过绝缘支座(26)进行连接,靶(6)安装在绝缘支座(26)上,位于负高压电极Ⅱ(25)内部,通过第四压敏电阻(29)进行与负高压电极Ⅱ(25)电连接,高压电缆Ⅱ(27)穿过绝缘支座(26)上的孔与负高压电极Ⅱ(25)相连,冷却液(28)通过绝缘支座(26)上的孔流至靶(6)。
2.根据权利要求1所述的中子发生器,其特征在于,所述正高压平台(2)的电压工作范围为0kV~500kV,电压形式为脉冲或直流;负高压平台(7)的电压工作范围为0kV~-500kV,电压形式为脉冲或直流。
3.根据权利要求1所述的中子发生器,其特征在于,所述负加速间隙(5)由2~10个金属电极构成。
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