CN114582542A - 中子发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中子发生器，该中子发生器包括壳体、设置在壳体内的离子源以及设置在壳体内的靶组件，靶组件与离子源相对应地设置，离子源通过第一隔板固定在壳体的内壁上，离子源包括第一阴极、第二阴极以及设置在第一阴极和第二阴极之间的阳极，阳极包括至少两个阳极筒，第一阴极和第二阴极分别包括与至少两个阳极筒相对应的至少两个阴极子。通过提供具有包括至少两个阴极子的第一阴极和第二阴极以及相应地包括至少两个阳极筒的阳极的多离子源结构，以使在阴极和阳极之间电离的离子能够以多束的形式引出，增大束流的引出面积，由此降低了单位面积靶膜上的溅射速率，延长靶组件的使用寿命。

Description

中子发生器

技术领域

本发明涉及核技术领域，具体涉及一种用于产生中子的装置。

背景技术

由离子源生成的离子可用于多种应用，包含但不限于用于质谱分析、医疗设备和诊断以及半导体制造的粒子加速器。由离子源生成的离子可以朝着靶材加速并用于产生核反应，包含产生中子的核反应。常规的中子源采用分立的设备进行电离物质的电离、加速和靶材聚变。这些中子源可以包含各种离子生成方法的应用，以及特定于粒子加速器的功能。中子源已被开发用于多种应用，例如中子射线照相术、材料科学、凝聚态物理以及材料的无损检测和评估。

现有技术中已经开发了中子管和中子发生器，其中的中子管为主要用于石油测井的小直径中子管，其因靶的使用寿命以及离子源金属溅射造成陶瓷管绝缘性能下降的原因，工作寿命较短，一般为数百小时；中子发生器通常为中/大型中子加速器,其虽然具有较长的工作寿命，但是其需要配备真空系统和冷却系统等附属设备，因此导致其体积庞大、价格昂贵，并且不适于用作中子活化在线分析设备。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的中子发生器。

根据本发明的一个方面，提供了一种中子发生器，该中子发生器包括：

壳体；

设置在所述壳体内的离子源；以及

设置在所述壳体内的靶组件，所述靶组件与所述离子源相对应地设置；

其中，所述离子源通过第一隔板固定在所述壳体的内壁上，所述离子源包括第一阴极、第二阴极以及设置在所述第一阴极和第二阴极之间的阳极，所述阳极包括至少两个阳极筒，所述第一阴极和所述第二阴极分别包括与所述至少两个阳极筒相对应的至少两个阴极子。

根据本发明的中子发生器通过提供具有包括至少两个阴极子的第一阴极和第二阴极以及相应地包括至少两个阳极筒的阳极的多离子源结构，以使阴极和阳极之间电离的离子能够以多束的形式引出，增大束流的引出面积，由此降低了单位面积靶膜上的溅射速率，延长靶组件的使用寿命。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明的中子发生器的剖视示意图；

图2是根据本发明的中子发生器的第一阴极的仰视图；

图3是根据本发明的中子发生器的阳极的俯视图；

图4是根据本发明的中子发生器的设置有第二阴极的第一隔板的俯视图；

图5是根据本发明的中子发生器的设置有屏蔽凸缘的第一隔板的仰视图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明的实施例提供一种中子发生器，通过该中子发生器能够实现多束离子源，降低离子源金属溅射对陶瓷绝缘部件的影响，延长靶的使用寿命，同时不需配备真空系统、冷却系统等辅助设备，因此能够大幅降低制造和使用成本，此外还具有携带方便、产额稳定等特点，适于用作中子活化在先分析设备。

如图1所示，示出根据本发明的中子发生器10的剖视示意图，该中子发生器10包括壳体12、设置在壳体12内的离子源14以及设置在壳体12内的靶组件16，该靶组件16与离子源14相对应地设置。离子源14用于产生离子，比如为等离子体，靶组件16用于对来自离子源14的离子进行加速并打靶，以产生中子。靶组件16与离子源14相对应地设置指的是靶组件16和离子源14沿着离子的加速方向对齐设置，以使离子沿着直线方向加速。在此，离子源14通过第一隔板18固定在壳体12的内壁上，比如壳体12可以设计成圆筒形结构，则第一隔板18可以为圆盘形结构，第一隔板18则可以通过焊接等方式固定在壳体12的内壁上。在根据本发明的图1所示的实施例中，离子源14包括第一阴极142、第二阴极144以及设置在第一阴极142和第二阴极144之间的阳极146，阳极146包括至少两个阳极筒1462，第一阴极142和第二阴极144分别包括与至少两个阳极筒1462相对应的至少两个阴极子。

在本发明的如附图所示的中子发生器10的实施例中，阳极146包括六个阳极筒1462，相应地，第一阴极142和第二阴极144也分别包括六个阴极子，当然，在此阳极146的阳极筒1462的个数以及第一阴极142和第二阴极144的阴极子的个数不限于六个，其可以为二个、三个、四个、五个或更多个。通过将阳极筒和阴极子的个数设置成多个能够使中子发生器的离子源形成为蜂窝式多离子源结构，从而增大了束流引出面积，由此降低单位面积靶膜的溅射速率，以便延长靶件的使用寿命。

在此，至少两个阳极筒1462为空心圆筒并且关于阳极146的中心对称地分布。在如附图3所示实施例的阳极146中，其包括六个阳极筒1462，六个阳极筒1462关于阳极146的中心对称分布。换一种说法，阳极146的结构形成为在整体的大圆柱体中分别车削除去至少两个小尺寸圆柱体，由此在大圆柱体中形成至少两个空心圆筒，以形成阳极146的阳极筒1462。阳极筒1462可以提供离子通过路径。

第一阴极142包括阴极板体1422以及围绕阴极板体1422的中心对称地形成在阴极板体1422的朝向阳极146的一侧上的至少两个第一阴极子1424，至少两个第一阴极子1424从阴极板体1422朝向阳极146凸出，如图2示出根据本发明的中子发生器10的离子源14的第一阴极142的仰视图。第一阴极子1424可以是设置在阴极板体1422上的突起部，比如可以为如图所示的圆柱形突起部，或者也可以为立方体突起部、锥形突起部、圆台形突起部或棱台形突起部，或者其他形式的突起部。

第一阴极子1424在平行于阳极146的中心轴线的方向上与阳极筒1462相对应地设置。也就是说，在如图2所示的第一阴极142的实施例中，第一阴极142包括均匀设置的六个第一阴极子1424，相应地，如图3所示的阳极146的实施例，阳极146包括围绕其中心轴线对称地分布的六个阳极筒1462，每一个第一阴极子1424均分别对应一个阳极筒1462。

离子源14的第二阴极144则可以包括至少两个中空的锥形阴极子1442，中空的锥形阴极子1442的小端朝向阳极146，并且中空的锥形阴极子1442中的每一个与阳极筒1462中的每一个对齐地设置。在如附图4和附图5所示的实施例中，第二阴极144共包括六个中空的锥形阴极子1442，每一个中空的锥形阴极子1442与相应的一个阳极筒1462相对应，由此使得穿过阳极筒1462的离子能够穿过中空的锥形阴极子1442的通孔。每一个中空的锥形阴极子1442呈喇叭状，其小端或小口朝向阳极146的阳极筒1462，其大端或大口朝向靶组件16。

在此，本发明的离子源14的阳极146可以采用无磁材料制成，比如为无磁金属材料、无磁合金材料等。第一阴极142和第二阴极144则可以采用软磁材料制成，比如为铁硅合金、软磁铁氧体等材料。

第二阴极144通过第一隔板18设置在壳体12的内壁上，至少两个中空的锥形阴极子1442围绕第一隔板18的中心轴线对称地分布。在附图4和附图5所示的实施例中，六个中空的锥形阴极子1442中心对称地分布在第一隔板18上。如前所述，在此可以根据第一阴极142的第一阴极子1424和阳极146的阳极筒1462的数量来确定第二阴极144的中空的锥形阴极子1442的数量，只需确保三者数量相同并且位置一一对应即可。中空的锥形阴极子1442可以通过以下方式设置在第一隔板18上。

可以在第一隔板18上围绕第一隔板18的中心对称地设置有至少两个通孔，至少两个中空的锥形阴极子1442中的每一个设置在至少两个通孔中的每一个中，以使中空的锥形阴极子1442与阳极筒1462对齐。在此，中空的锥形阴极子1442通过其大端固定在第一隔板18上，即，中空的锥形阴极子1442的大端固定地设置在第一隔板18的通孔内。

根据本发明的中子发生器10的离子源14的第二阴极144还可以包括设置在中空的锥形阴极子1442的大端侧上的屏蔽凸缘1444。该屏蔽凸缘1444为筒状并且围绕中空的锥形阴极子1442的大端的外周缘设置。在此，屏蔽凸缘1444可以是圆筒状，其可以直接固定地设置在中空的锥形阴极子1442的大端的端面上，并沿远离锥形阴极子1442的小端的方向延伸。另外，屏蔽凸缘1444也可以固定地设置在第一隔板18上，比如屏蔽凸缘1444设置在第一隔板18的通孔内，或者围绕第一隔板18的通孔设置。屏蔽凸缘1444可以由金属钼制成。屏蔽凸缘1444可以用作离子的屏蔽体，用于对离子的传输路径进行限制或约束。屏蔽凸缘1444的表面可以进行抛光处理，以便使其能够承受更高的电压。

根据本发明的中子发生器10的离子源14还包括围绕第一阴极142、第二阴极144和阳极146设置的环形磁体148。环形磁体148能够在由第一阴极142、第二阴极144和阳极146形成的空间内提供磁场，以对空间中运动的离子提供作用力。环形磁体148与阳极146同轴地设置，以使环形磁体148在阳极146的每一个阳极筒1462内产生均匀的磁场。

离子源14还可以包括设置在第一阴极142的远离阳极146的一侧的端盖150，端盖150通过环绕地包围第一阴极142、第二阴极144和阳极146设置的环壁152进行固定，环壁152的与端盖150相反的端部固定地设置在第一隔板18上。在端盖150上设置有用于固定第一阴极142的固定杆1502、用于为阳极供电的阳极供电部件1504、用于抽吸气体的吸气元件1506以及用于为吸气元件1506供电的吸气供电部件1508。在此，可以围绕第一阴极142的中心轴线均匀地设置多个固定杆1502，比如可以设置二个、三个、四个或更多个固定杆1502，以使多个固定杆1502能够为第一阴极142提供稳定的支撑。吸气元件1506可以为锆-石墨吸气元件，通过控制通过吸气元件的电流，维持离子源区域稳定的气压。第一阴极142的阴极板体1422外周缘也可以固定在环壁152的内壁上。此外，可以在端盖150中设置多个通孔，比如用于使阳极供电部件1504穿过的第一通孔，用于使吸气供电部件1508穿过的第二通孔。类似地，在第一阴极142的阴极板体1422的中心设置有使阳极供电部件1504穿过的第三通孔1426，在此，阳极供电部件1504与阴极板体1422彼此绝缘。阳极供电部件1504通过设置在阳极146的中心处的第四通孔1464固定在阳极146上，在此，第四通孔1464也可以设置成盲孔形式。

在端盖150上设置有排气管1510，用于对容纳第一阴极142、第二阴极144和阳极146的密封腔进行抽真空以及充注工作介质，在此，排气管1510穿过端盖150设置。可以将排气管1510与专用高温真空除气系统相连接，将密封腔内的空气抽吸干净，以提供一定的真空度。在真空除气的基础上，再通过充气系统向密封腔内充入一定量的工作介质，在此工作介质为氘气/氚气，然后对排气管1510进行密封处理，以便形成密封腔。在此，排气管1510可以由无氧铜制成，在通过排气管1510对密封腔内充注工作介质之后，可以对排气管1510执行冷掐处理，以形成充注工作介质的密封腔。

靶组件16包括靶件162、设置在靶件162与离子源14之间的加速部件164以及为靶件162和加速部件164供电的高压供电部件(附图中未示出)，高压供电部件通过高压供电线166与靶件162和加速部件164电连接，并为靶件162和加速部件164供电。在此，靶件162整体上可以为柱体结构，优选为圆柱体，其在柱体结构的朝向离子源14的一侧上设置有至少两个倒锥形盲孔1622，至少两个倒锥形盲孔1622与设置在第一隔板18上的至少两个第二阴极144相对应。倒锥形盲孔指的是圆锥体的底面朝向离子源14的方向，圆锥体的顶点朝向远离离子源14的方向。进一步地，靶件162的基体材料可以采用无氧铜材料，在靶件162的朝向离子源14的表面上涂覆厚度为5微米-8微米的高纯钛膜。

靶组件16的加速部件164形成为包括至少两个加速筒1642的形式，加速筒1642形成为圆台或棱台的形状，其小端朝向离子源14，大端朝向靶件162。加速筒1642可以采用可伐合金制成，并且其表面可以经过抛光处理。在根据本发明的实施例中，由于第一阴极142的第一阴极子1424、第二阴极144的锥形阴极子1442的数量以及阳极146的阳极筒1462的数量均为六个，因此加速筒1642的个数对应地也为六个。虽然本发明的附图中所示出的第一阴极子1424、锥形阴极子1442、阳极筒1462、加速筒1642以及倒锥形盲孔1622的数量均为六个，但是上述部件的数量不局限于六个，其可以根据实际情况进行改变，比如可以为两个、三个、四个、五个、七个、八个或更多个。

靶组件16通过第二隔板20固定在壳体12的内壁上，并且第二隔板20与靶组件16和壳体12的内壁密封地连接。由此能够在壳体12、离子源14与第二隔板20之间形成密封空腔，以便在密封空腔内产生中子。

根据本发明的中子发生器10的靶组件16还包括用于将靶件162支承在第二隔板20上的陶瓷管件168，陶瓷管件168的内部设置有为靶件162和加速部件164供电的高压供电线166。陶瓷管件168与靶件162同轴地设置，在如图1所示的实施例中，陶瓷管件168设置在靶件162的正下方，并且陶瓷管件168的外径尺寸小于靶件162的外径尺寸。陶瓷管件168的外周壁形成为螺旋结构1682或形成有多个凸环。陶瓷管件168的这种设计减小了离子源金属溅射对陶瓷绝缘的影响，由此延长中子发生器10的使用寿命。

靶组件16进一步包括二次电子抑制部件170，在此，该二次电子抑制部件170设置在靶件162的基体中，比如可以在靶件162的背离设置有倒锥形盲孔1622的一侧形成有容纳部1624，在容纳部1624内设置有二次电子抑制部件170，二次电子抑制部件170可以由磁钢制成，用于抑制靶件162的底部的二次电子。

在第二隔板20的远离离子源14的一侧，第二隔板20与壳体12形成密封空间，可以对密封空间进行抽真空处理，在达到一定的真空度之后，可以再向密封空间内充注4-6个大气压的六氟化硫绝缘气体。高压供电线166可以穿过该密封空间，与设置在密封空间外部的高压电源连接，由此可以向靶件162、二次电子抑制部件170以及加速部件164提供不小于-120kV的负高压电源。

在利用根据本发明的中子发生器10产生中子时，首先将排气管1510接入高温真空除气系统，进行高温真空除气处理，包括离子源14的密封腔的最高除气温度为550℃，除气时间应不少于24小时，确保密封腔中彻底除气。除气完毕之后，接入充氘/氚气体系统，向中子发生器10的密封腔中充入10-15Ci的氚气及等体积比例的氘气，然后将由铜制成的排气管1510进行冷掐处理以对密封腔进行密封，形成密闭真空器件。同时对第二隔板20的与离子源14相背离的一侧的密封空间进行抽真空处理，然后充入4-6个大气压的六氟化硫绝缘气体。分别控制阳极供电部件1504和吸气供电部件1508向阳极146和吸气元件1506供电，同时控制外部高压电源通过高压供电线166向二次电子抑制部件170、靶件162和加速部件164供给负高压电。

通过向吸气元件1506供电以使其工作，能够维持离子源区域附近的气压。氘/氚气体在第一阴极142、阳极146和第二阴极144之间的电场作用下电离，产生阳离子和电子，同时在环形磁体148的磁场的作用下，阳离子朝向第二阴极144的引出口处运动。进一步地，阳离子在加速部件164和靶件162的负高电压作用下朝向靶件162加速，穿过加速部件164的加速筒1642，并与吸附在靶件162的靶膜上的氘/氚气体发生聚变反应，从而产生中子。

根据本发明的中子发生器采用了蜂窝式潘宁离子源结构，该离子源的阳极包括多个阳极筒，同时第一阴极和第二阴极分别设置有与多个阳极筒中的每一个相对应的阴极子，即阳极的阳极筒与两个阴极的阴极子形成一一对应关系，由此形成蜂窝式多离子源结构。根据本发明的多离子源共用同一环形磁体，比如为环形磁钢，由于环形磁体与阳极同轴，因此阳极的每个阳极筒中的磁场强度相同，并且均匀一致。根据本发明的中子发生器的多离子源结构与单离子源结构相比，其增大了束流引出面积，由此降低了单位面积靶膜上的溅射速率，从而延长靶组件的使用寿命。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

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，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (21)

1.一种中子发生器，包括：

壳体，

设置在所述壳体内的离子源；以及

设置在所述壳体内的靶组件，所述靶组件与所述离子源相对应地设置；

其特征在于，所述离子源通过第一隔板固定在所述壳体的内壁上，所述离子源包括第一阴极、第二阴极以及设置在所述第一阴极和第二阴极之间的阳极，所述阳极包括至少两个阳极筒，所述第一阴极和所述第二阴极分别包括与所述至少两个阳极筒相对应的至少两个阴极子。

2.根据权利要求1所述的中子发生器，其特征在于，所述至少两个阳极筒为空心圆筒并且关于所述阳极的中心对称地分布。

3.根据权利要求2所述的中子发生器，其特征在于，所述第一阴极包括阴极板体以及围绕所述阴极板体的中心对称地形成在所述阴极板体的朝向所述阳极的一侧上的至少两个第一阴极子，所述至少两个第一阴极子从所述阴极板体朝向所述阳极凸出。

4.根据权利要求3所述的中子发生器，其特征在于，所述第一阴极子在平行于所述阳极的中心轴线的方向上与所述阳极筒相对地设置。

5.根据权利要求2所述的中子发生器，其特征在于，所述第二阴极包括至少两个中空的锥形阴极子，所述锥形阴极子的小端朝向所述阳极，所述中空的锥形阴极子在平行于所述阳极的中心轴线的方向上与所述阳极筒相对地设置。

6.根据权利要求5所述的中子发生器，其特征在于，在所述第一隔板上围绕所述第一隔板的中心对称地设置有至少两个通孔，所述至少两个中空的锥形阴极子中每一个通过所述至少两个通孔之一设置在所述第一隔板上。

7.根据权利要求6所述的中子发生器，其特征在于，所述中空的锥形阴极子通过其大端固定在所述第一隔板上。

8.根据权利要求5所述的中子发生器，其特征在于，所述第二阴极还包括设置在所述中空的锥形阴极子的大端侧上的屏蔽凸缘。

9.根据权利要求8所述的中子发生器，其特征在于，所述屏蔽凸缘为筒状并且围绕所述中空的锥形阴极子的大端的外周缘设置，所述屏蔽凸缘从所述中空的锥形阴极子的大端朝向所述靶组件延伸。

10.根据权利要求1所述的中子发生器，其特征在于，所述离子源还包括设置在所述第一阴极的远离所述阳极的一侧的端盖，所述端盖通过环绕地包围所述第一阴极、所述第二阴极和所述阳极设置的环壁进行固定，所述环壁的与所述端盖相反的端部固定地设置在所述第一隔板上。

11.根据权利要求10所述的中子发生器，其特征在于，所述离子源还包括围绕所述第一阴极、所述第二阴极和所述阳极设置的环形磁体，所述环形磁体设置在所述环壁的外周上。

12.根据权利要求10所述的中子发生器，其特征在于，在所述端盖上设置有用于固定所述第一阴极的固定杆、用于为所述阳极供电的阳极供电部件、用于抽吸气体的吸气元件以及用于为所述吸气元件供电的吸气供电部件。

13.根据权利要求10所述的中子发生器，其特征在于，在所述端盖上设置有排气管，用于对包括所述第一阴极、所述第二阴极和所述阳极的密封腔进行抽真空以及充注工作介质。

14.根据权利要求1所述的中子发生器，其特征在于，所述靶组件包括靶件、设置在所述靶件与所述离子源之间的加速部件以及为所述靶件和所述加速部件供电的高压供电部件。

15.根据权利要求14所述的中子发生器，其特征在于，所述靶件整体上为柱体结构，在所述柱体结构的朝向所述离子源的一侧上设置有至少两个倒锥形盲孔，所述至少两个倒锥形盲孔与所述第二阴极的至少两个阴极子相对应。

16.根据权利要求14所述的中子发生器，其特征在于，所述加速部件形成为包括至少两个加速筒，所述加速筒形成为圆台或棱台的形状，所述圆台或棱台的小端朝向所述离子源，所述圆台或棱台的大端朝向所述靶件。

17.根据权利要求14所述的中子发生器，其特征在于，所述靶组件通过第二隔板固定在所述壳体的内壁上，并且所述第二隔板与所述靶组件和所述壳体的内壁密封地连接。

18.根据权利要求17所述的中子发生器，其特征在于，所述靶组件包括用于将所述靶件支承在所述第二隔板上的陶瓷管件，所述陶瓷管件的内部设置有用于将所述高压供电部件电连接至所述靶件和所述加速部件的高压供电线。

19.根据权利要求18所述的中子发生器，其特征在于，所述陶瓷管件的外周壁形成为螺旋结构或形成有多个凸环。

20.根据权利要求15所述的中子发生器，其特征在于，所述靶组件还包括二次电子抑制部件，所述二次电子抑制部件设置在所述靶件的基体中。

21.根据权利要求20所述的中子发生器，其特征在于，在所述靶件的背离设置有所述倒锥形盲孔的一侧形成有容纳部，在所述容纳部内设置所述二次电子抑制部件。

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