CN116017834A - 负高压中子源 - Google Patents

Abstract

本申请涉及中子发生器技术领域，具体提供一种负高压中子源，旨在解决现有中子源的靶系统支撑结构影响中子通量的问题。为此目的，本申请的负高压中子源包括：壳体，其内部形成有真空腔室；离子源，其设置于壳体上，用于产生离子束流，离子源的发射口位于真空腔室内；靶电极和连接于靶电极的靶，其均设置于真空腔室内；第一绝缘柱，其具有相对的第一端和第二端，第一端与壳体的内壁相连，第二端与靶电极相连，以支撑靶电极；以及电源模块，其与靶电极电连接，用于向靶电极提供负高压，以使离子束流在电场作用下轰击靶，从而产生中子。本申请减小了靶系统后端方向上的阻挡结构的体积，从而能降低绝缘材料对中子的慢化和散射作用。

Description

负高压中子源

技术领域

本发明涉及中子发生器技术领域，具体提供一种负高压中子源。

背景技术

中子成像作为一种重要的无损检测技术，其能够实现物体深度部位的检测，并能准确区分不同元素成分，因而在航空航天、材料学、生物医学等各领域中发挥着越来越重要的作用。

中子源作为中子成像系统中的重要部分，其通过内部离子源发射的离子束流在电场作用下加速然后轰击靶而产生中子。相关技术中，靶处于高电位，多是通过具有较大体积的绝缘材料进行支撑，然而，绝缘支撑材料会对中子起到慢化和散射作用，导致有效中子的减少，从而降低中子通量。

因此，本领域需要一种新的中子源来解决上述问题。

发明内容

本申请旨在解决上述技术问题，即为了解决现有中子源靶系统支撑结构影响中子通量的问题。

本申请提供一种负高压中子源，该负高压中子源包括：

壳体，其内部形成有真空腔室；

离子源，其设置于所述壳体上，用于产生离子束流，所述离子源的发射口位于所述真空腔室内；

靶电极和连接于所述靶电极的靶，其均设置于所述真空腔室内，所述靶电极和靶的电位相同；

第一绝缘柱，其具有相对的第一端和第二端，所述第一端与所述壳体的内壁相连，所述第二端与所述靶电极相连，以支撑所述靶电极；以及

电源模块，其与所述靶电极电连接，用于向所述靶电极提供负高压，以使所述离子束流在电场作用下轰击所述靶，从而产生中子。

可选地，所述负高压中子源还包括：

抑制电极，其包围于所述靶电极的外侧，所述电源模块还与所述抑制电极电连接，并能够向所述抑制电极提供负高压，所述抑制电极的电压不高于所述靶电极的电压；以及

第二绝缘柱，其具有相对的第三端和第四端，所述第三端与所述壳体的内壁相连，所述第四端与所述抑制电极相连，以支撑所述抑制电极。

可选地，所述负高压中子源还包括：

第一屏蔽环，所述第一屏蔽环包围于所述第二端，并与所述靶电极连接；和/或

第二屏蔽环，所述第二屏蔽环包围于所述第四端，并与所述抑制电极连接。

可选地，所述第一屏蔽环、所述第一绝缘柱的第二端以及所述靶电极压接固定；和/或

所述第二屏蔽环、所述第二绝缘柱的第四端以及所述抑制电极压接固定。

可选地，所述第一绝缘柱沿所述靶电极的周向均匀分布有多个；并且/或者

所述第二绝缘柱沿所述抑制电极的周向均匀分布有多个。

可选地，所述第一绝缘柱和/或所述第二绝缘柱由陶瓷、氟金云母微晶玻璃、聚乙烯、环氧树脂或聚酰亚胺制成。

可选地，所述第一绝缘柱和/或所述第二绝缘柱的侧表面沿轴向间隔设置有凸起。

可选地，所述抑制电极的电压低于所述靶电极的电压。

可选地，所述负高压中子源还包括冷却系统，所述冷却系统与所述靶相连，用于对所述靶进行冷却。

可选地，所述冷却系统包括：

冷却机，用于提供冷却剂；

冷却剂馈入装置，所述冷却剂馈入装置的输入端连通所述冷却机，所述冷却剂馈入装置的输出端伸进所述真空腔室内并连通所述靶；以及

冷却剂排出装置，所述冷却剂排出装置的输入端连通所述靶，所述冷却剂排出装置的输出端伸出所述真空腔室外。

在采用上述技术方案的情况下，本申请通过在靶电极的后端采用第一绝缘柱进行支撑，或者在抑制电极的后端采用第二绝缘柱进行支撑，减小了靶系统后端方向上的阻挡结构的体积，从而能够最大程度降低绝缘材料对中子的慢化和散射作用，使得更多中子能够穿过壳体，增强了中子通量。

进一步地，通过在三相点的周围设置屏蔽环结构，使得三相点处的电子无法直接在电场作用下移向地电位腔室，避免高压放电。

附图说明

下面结合附图来描述本申请的优选实施方式，附图中：

图1是本申请实施例给出的负高压中子源的第一实施方式的示意图；

图2是本申请实施例给出的负高压中子源的第二实施方式的示意图。

图中，附图标记指代如下：

1、壳体；2、离子源；3、靶电极；4、抑制电极；5、第一绝缘柱；51、第一端；52、第二端；6、第二绝缘柱；61、第三端；62、第四端；7、第一屏蔽环；8、第二屏蔽环。

具体实施方式

下面参照附图来描述本申请的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本申请的技术原理，并非用于限制本申请的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示相关装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，序数词“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参照图1和图2，为本申请实施例公开的一种负高压中子源，其包括壳体1、离子源2、靶系统和电源模块(图中未示出)。

壳体1作为负高压中子源的载体，其内部形成有真空腔室。

离子源2固定安装在壳体1上，离子源2的发射口位于真空腔室内，并能够发射离子束流。

靶系统设置于真空腔室内。电源模块与靶系统电连接，电源模块向靶系统提供负高压，在离子源2与靶系统之间形成电场，离子束流在电场作用下轰击靶系统的靶，从而产生中子。

需要说明的是，靶系统包括靶电极和连接于靶电极的靶，在一些可能的实现方式中，靶系统还可包括抑制电极。

参照图1，在其中一种实现方式中，靶系统包括靶电极3，靶电极3上连接有靶，靶电极3和靶同电位，实际中靶电极3和靶可以为分体式结构，也可以为一体式结构，本申请不作限制。此时，负高压中子源包括第一绝缘柱5，第一绝缘柱5具有相对的第一端51和第二端52，第一端51与壳体1的内壁相连接，第二端52与靶电极3相连接，从而能够支撑靶电极3。

参照图2，在另一种实现方式中，靶系统还包括抑制电极4，抑制电极4包围于靶电极3的外侧，电源模块还与抑制电极4电连接，并能够向抑制电极4提供负高压，应当理解的是，离子束流轰击靶的过程中会产生二次电子，抑制电极4的作用是对产生的二次电子起到屏蔽作用，防止二次电子向阳极，即离子源2方向移动，从而损伤离子源2的发射口以及其内部的微波窗，因此，可以理解的是，抑制电极4的电压不高于靶电极3的电压，在一些可能的实现方式中，抑制电极4的电压低于靶电极的电压，此时，抑制电极4相对靶电极3和靶来讲，相当于阴极，使得二次电子在电场作用下束缚在靶电极3和靶附近。

在采用抑制电极4的方式下，负高压中子源包括第二绝缘柱6，第二绝缘柱6具有相对的第三端61和第四端62，第三端61与壳体1的内壁相连接，第四端62与抑制电极4相连接，从而能够支撑抑制电极。

应当理解的是，在靶系统包括抑制电极4的情况下，靶电极3也可以选择通过第一绝缘柱5固定于壳体1的内壁，当然也可以选择采用其它方式，本申请不作限定。

可选地，第一绝缘柱5和/或第二绝缘柱6为陶瓷柱。

本申请通过在靶电极3的后端采用第一绝缘柱5进行支撑，或者在抑制电极4的后端采用第二绝缘柱6进行支撑，减小了靶系统后端方向上的阻挡结构的体积，从而能够尽可能降低绝缘材料对中子的慢化和散射作用，使得更多中子能够穿过壳体1，增强了中子通量。

参照图1和图2，在本申请一种可能的实现方式中，负高压中子源还包括第一屏蔽环7和/或第二屏蔽环8。第一屏蔽环7包围于第二端52，并与靶电极3连接；第二屏蔽环8包围于第四端62，并与抑制电极4连接。

在高压状态下，第一绝缘柱5、靶电极3以及真空三界面结合点易发射电子，在电场的作用下易形成沿面闪络或真空击穿，造成高压打火，通过在三相点的周围设置第一屏蔽环7，使得三相点处的电子无法直接在电场作用下移向地电位腔室，避免高压放电。同样地，第二屏蔽环8的作用与第一屏蔽环7相同。

可选地，第一屏蔽环7、第一绝缘柱5的第二端52以及靶电极3压接固定。第二屏蔽环8、第二绝缘柱6的第二端62以及抑制电极4压接固定。采用压接固定的方式，能够尽可能避免狭小缝隙或尖端部位的出现，从而降低局部电场强度，降低高压打火的风险，提高安全性。

在本申请一些可能的实现方式中，为了增强靶电极3和/或抑制电极4的稳定性，将第一绝缘柱5沿靶电极3的周向均匀分布多个，并且/或者将第二绝缘柱6沿抑制电极4的周向均匀分布多个，以增加支撑点位，同时多个第一绝缘柱5或第二绝缘柱6周向分布，在中子发射方向上不会造成阻挡。

可选地，第一绝缘柱5和/或第二绝缘柱6的侧表面沿轴向间隔设置有凸起，使得其侧表面呈波浪形。波浪形的设置能够起到延长爬电距离的作用，通过延长电荷爬电距离，降低沿面闪络、打火的风险。可以理解的是，为达到延长爬电距离的目的，第一绝缘柱5和/或第二绝缘柱6还可采用锯齿状、伞状等形状。

作为本申请一种可能的实现方式，负高压中子源还包括冷却系统，离子源轰击靶的过程中会产生大量热量，冷却系统与靶相连，在此过程中对靶进行冷却，从而将热量及时散发出去。

可选地，冷却系统包括冷却机、冷却剂馈入装置以及冷却剂排出装置。冷却机用于提供冷却剂，其中，冷却剂可以为液态冷却剂，也可以为气态冷却剂，即可以采用液冷和气冷等方式，本申请不作具体限定。冷却剂馈入装置的输入端连通冷却机、输出端伸进真空腔室内并与靶内部的冷却腔连通。冷却剂排出装置的输入端位于真空腔室内，且连通靶内的冷却腔，输出端伸出真空腔室外。冷却机、冷却剂馈入装置、靶以及冷却剂排出装置组成一个完整的循环回路，将离子束流轰击靶的过程中产生的热量及时排出，确保靶系统安全稳定运行。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负高压中子源，其特征在于，包括：

壳体，其内部形成有真空腔室；

离子源，其设置于所述壳体上，用于产生离子束流，所述离子源的发射口位于所述真空腔室内；

靶电极和连接于所述靶电极的靶，其均设置于所述真空腔室内，所述靶电极和靶的电位相同；

第一绝缘柱，其具有相对的第一端和第二端，所述第一端与所述壳体的内壁相连，所述第二端与所述靶电极相连，以支撑所述靶电极；以及

电源模块，其与所述靶电极电连接，用于向所述靶电极提供负高压，以使所述离子束流在电场作用下轰击所述靶，从而产生中子。

2.根据权利要求1所述的负高压中子源，其特征在于，所述负高压中子源还包括：

抑制电极，其包围于所述靶电极的外侧，所述电源模块还与所述抑制电极电连接，并能够向所述抑制电极提供负高压，所述抑制电极的电压不高于所述靶电极的电压；以及

第二绝缘柱，其具有相对的第三端和第四端，所述第三端与所述壳体的内壁相连，所述第四端与所述抑制电极相连，以支撑所述抑制电极。

3.根据权利要求2所述的负高压中子源，其特征在于，所述负高压中子源还包括：

第一屏蔽环，所述第一屏蔽环包围于所述第二端，并与所述靶电极连接；和/或

第二屏蔽环，所述第二屏蔽环包围于所述第四端，并与所述抑制电极连接。

4.根据权利要求3所述的负高压中子源，其特征在于，所述第一屏蔽环、所述第一绝缘柱的第二端以及所述靶电极压接固定；和/或

所述第二屏蔽环、所述第二绝缘柱的第四端以及所述抑制电极压接固定。

5.根据权利要求2所述的负高压中子源，其特征在于，所述第一绝缘柱沿所述靶电极的周向均匀分布有多个；并且/或者

所述第二绝缘柱沿所述抑制电极的周向均匀分布有多个。

6.根据权利要求2所述的负高压中子源，其特征在于，所述第一绝缘柱和/或所述第二绝缘柱由陶瓷、氟金云母微晶玻璃、聚乙烯、环氧树脂或聚酰亚胺制成。

7.根据权利要求2所述的负高压中子源，其特征在于，所述第一绝缘柱和/或所述第二绝缘柱的侧表面沿轴向间隔设置有凸起。

8.根据权利要求2所述的负高压中子源，其特征在于，所述抑制电极的电压低于所述靶电极的电压。

9.根据权利要求1所述的负高压中子源，其特征在于，所述负高压中子源还包括冷却系统，所述冷却系统与所述靶相连，用于对所述靶进行冷却。

10.根据权利要求9所述的负高压中子源，其特征在于，所述冷却系统包括：

冷却机，用于提供冷却剂；

冷却剂馈入装置，所述冷却剂馈入装置的输入端连通所述冷却机，所述冷却剂馈入装置的输出端伸进所述真空腔室内并连通所述靶；以及

冷却剂排出装置，所述冷却剂排出装置的输入端连通所述靶，所述冷却剂排出装置的输出端伸出所述真空腔室外。

Images