CN116582994A - 基于惯性静电约束聚变的同轴柱形d-d中子发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D‑D中子发生器，涉及中子发生器技术领域。包括外壳、栅形阳极、栅形阴极、高压接头组件和观察窗，外壳一端与所述高压接头组件相连，另一端安装有观察窗；外壳内部设置有低压腔体，栅形阳极与栅形阴极安装在低压腔体内，且分别与高压接头电连接，低压腔体内部填充有氘气。本发明具有结构简单、使用寿命长、维护简单、造价低廉等优点，能够满足反应堆点火、核材料检测、航空航天元件无损检测对小型化中子发生器的要求。
Description
技术领域
本发明涉及中子发生器技术领域，具体为一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器。
背景技术
中子源是开展中子照相、中子活化分析、中子爆炸物检测等中子应用技术所需的重要装置，在反应堆点火、核材料检测、航空航天元件(如航空发动机叶片、航天器及导弹点火装置)无损检测及反恐等方面有重要的应用价值。中子源的主要类型有反应堆中子源、同位素中子源和加速器中子源。
反应堆中子源，利用原子核在裂变过程中释放的裂变中子。反应堆中子源中子通量极高，是其他所有同位素中子源和一般加速器中子源无法比拟的，由于其中子通量高的特性，多用于辐照效应研究、同位素生产等方面工作。但是反应堆中子源中子能谱复杂、装置结构庞杂以及辐射安全性能差，这些因素制约了反应堆中子源在中子应用技术中的应用。
同位素中子源，通常是借助(α,n)、(γ,n)、自发裂变等核反应产生中子。对比反应堆中子源和加速器中子源，同位素中子源具有体积小、易于操作等优点，但是其辐射安全性能差、中子产额低、进口受限、以及价格昂贵。
加速器中子源，通常是利用(p,n)、(d,n)核反应产生中子，其中(p,n)反应通常具有反应阈值，不适用于小型化中子源设备。与此相反，几乎所有用于获得中子的(d,n)核反应都是强放热反应，反应没有阈值，能量接近零的氘核都能产生中子。绝大多数加速器中子源都是用氘核作为轰击粒子，与轻核素靶核发生(d,n)核反应获得中子。用得较多的靶核有2H、3H、7Li、9Be等，其中前两种反应发射单能的中子，后两种中子能谱较复杂，又由于3H为管制核材料且价格极其昂贵，所以D-D聚变反应常用于提供单能中子。当前，实验室研发的倍压型D-D中子发生器、紧凑型D-D中子发生器因其系统庞大、功率高、靶寿命有限等因素的限制，使其很难直接应用于中子应用技术现场。紧凑型、小型化、高产额中子源成为限制当前中子应用技术应用的主要瓶颈技术。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，其可以满足反应堆点火、核材料检测、航空航天元件无损检测对小型化中子发生器的要求。
为达上述目的，本发明提供了一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，包括：外壳、栅形阳极、栅形阴极、高压接头组件和观察窗，其中，所述外壳一端与所述高压接头组件相连，另一端安装有所述观察窗；外壳内部设置有低压腔体，所述栅形阳极与所述栅形阴极安装在所述低压腔体内，所述栅形阳极接地，所述栅形阴极通过所述高压接头电连接有高压电源，所述低压腔体内部填充有氘气。
进一步的，所述外壳上设置有分子泵接口，所述分子泵接口通过活套法兰连接分子泵，用于抽取低压腔体中的空气。
进一步的，所述外壳上设置有真空计接口，所述真空计接口通过活套法兰连接真空计，用于测量低压腔体中的真空度。
进一步的，所述外壳上设置有进气口，所述进气口设有连通氘气源的管道。
进一步的，所述管道上设置有流量阀，与流量控制器电连接，用于对进气量进行精确控制。
进一步的，所述外壳长度为600mm，外壁直径为110mm，壁厚为3mm。
进一步的，所述栅形阳极由24根不锈钢柱环形排列在半径45.5mm圆盘上，每根不锈钢柱长度为300mm，直径为3mm。
进一步的，所述栅形阴极由12根不锈钢柱环形排列在半径11.5mm圆盘上，长度为200mm，直径为3mm。
进一步的，高压接头组件包括陶瓷绝缘环、高压电缆、冷却管道以及不锈钢法兰，高压接头组件包括陶瓷绝缘环、高压电缆、冷却管道以及不锈钢法兰，所述高压电缆用于向栅形阴极馈入负高压，其周围包裹冷却管道，冷却管道周围包裹陶瓷绝缘环，陶瓷绝缘环外侧安装不锈钢法兰。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，利用辉光放电在栅形阴极周围形成高密度D+离子区，D+离子与D+离子相互作用发生D(d,n)3He(D-D)聚变反应，产生高产额的快中子场。由于该装置不存在靶结构，也不需要冷却系统，所以其具有结构简单、使用寿命长、维护简单、造价低廉等优点。本发明涉及一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，该设备能够满足反应堆点火、核材料检测、航空航天元件无损检测对小型化中子发生器的要求。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明所提供的高压接头组件结构示意图；
图3是本发明中子能谱分布图；
图4是本发明中子角产额分布图。
其中，图中：
1-外壳；2-栅形阳极；3-栅形阴极；4-分子泵接口；5-观察窗；6-真空计接口；7-低压腔体；8-进气口；9-高压接头组件；901-陶瓷绝缘环；902-高压电缆；903-冷却管道；904-不锈钢法兰。
具体实施方式
为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及构造，结合附图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能。
如图1-2所示，本发明提供了一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，包括：外壳1、栅形阳极2、栅形阴极3、高压接头组件9和观察窗5，其中，所述外壳1一端与所述高压接头组件9相连，另一端安装有所述观察窗5；外壳1内部设置有低压腔体7，所述栅形阳极2与所述栅形阴极3安装在所述低压腔体7内，所述栅形阳极2接地，所述栅形阴极3通过所述高压接头电连接有高压电源，所述低压腔体7内部填充有氘气，压强低于3Pa。所述外壳1上设置有分子泵接口4，所述分子泵接口4通过活套法兰连接分子泵，用于抽取低压腔体7中的空气。所述外壳1上设置有真空计接口6，所述真空计接口6通过活套法兰连接真空计，用于测量低压腔体7中的真空度。所述外壳1上设置有进气口8，所述进气口8设有连通氘气源的管道，所述氘气源可以是氘气瓶。所述管道上设置有流量阀，与流量控制器电连接，用于对进气量进行精确控制。
本发明栅形阳极2接地，栅形阴极3通过高压接头组件9中的高压电缆902连接高压电源，所述高压电源可以为其提供-100kV的负高压，在栅形阳极2和栅形阴极3之间会产生指向栅形阴极3的强电场；低压腔体7中的氘气在所述强电场的作用下，发生辉光放电，可以通过观察窗5观察到辉光放电现象，辉光放电过程中会产生等离子体，其中D+离子加速向栅形阴极3运动，穿过栅形阴极3的D+离子在反向电场作用下反向运动到栅形阴极3区域，在栅形阴极3周围会形成高密度D+离子区，D+离子与D+离子相互作用发生D(d,n)3He(D-D)聚变反应，放出能量为2.2～2.8MeV的D-D快中子，中子能谱如图3所示，中子角产额分布如图4所示。
其中外壳采用不锈钢外壳1，不锈钢外壳1为圆筒形结构，连接地线，确保在实验室及工业应用现场的高压安全性。高压接头组件9、观察窗5、分子泵接口4、真空计接口6以及进气口8均通过“O”形橡胶密封圈来实现实现与不锈钢外壳1的的真空密封，不锈钢外壳1为系统提供低气压环境，并在低压腔体7内充入氘气。
进一步的，所述外壳长度为600mm，外壁直径为110mm，壁厚为3mm。
本实施例中，所述栅形阳极2由24根不锈钢柱环形排列在半径45.5mm圆盘上，每根不锈钢柱长度为300mm，直径为3mm。所述栅形阴极3由12根不锈钢柱环形排列在半径11.5mm圆盘上，长度为200mm，直径为3mm。栅形阳极2、栅形阴极3均由一定数量的不锈钢柱组成，并在一定半径的圆上环形排列，其中栅形阳极2接地，栅形阴极3连接负高压；为避免出现尖端放电，所述栅形阴极3柱头、栅形阴极3柱尾和所述栅形阳极2柱尾采用半球形结构；栅形阳极2、栅形阴极3在强电场作用下发生放电现象，产生等离子体，D+离子加速向栅形阴极3运动，穿过栅形阴极3的D+离子在反向电场作用下反向运动到栅形阴极3区域，在栅形阴极3周围会形成高密度D+离子区，D+离子与D+离子相互作用发生D(d,n)3He(D-D)聚变反应，放出中子。
本实施例中，观察窗5由10mm厚的石英玻璃制成，其直径为110mm，开观察窗5的目的在于便于观测装置内部进行辉光放电时所发出的辉光。
本实施例中，高压接头组件9包括陶瓷绝缘环901、高压电缆902、冷却管道903以及不锈钢法兰904，高压接头组件9包括陶瓷绝缘环901、高压电缆902、冷却管道903以及不锈钢法兰904，所述高压电缆902用于向栅形阴极3馈入负高压，其周围包裹冷却管道903，冷却管道903周围包裹陶瓷绝缘环901，所述陶瓷绝缘环901为锯齿状，陶瓷绝缘环901外侧安装不锈钢法兰904。为保证高压接头内部的高压绝缘性能，在其内部密封空腔内注满变压器油。
本发明提供了一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，利用辉光放电在栅形阴极周围形成高密度D+离子区，D+离子与D+离子相互作用发生D(d,n)3He(D-D)聚变反应，产生高产额的快中子场。由于该装置不存在靶结构，也不需要冷却系统，所以其具有结构简单、使用寿命长、维护简单、造价低廉等优点。本发明涉及一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，该设备能够满足反应堆点火、核材料检测、航空航天元件无损检测对小型化中子发生器的要求。
本发明的工作原理：
首先密封进气口8，通过分子泵接口4抽真空，并进行多次洗气操作，确保低压腔体7内无残留杂质气体；通过进气口8向低压腔体7中充入氘气，并通过分子泵将其压强抽至3Pa以下。不锈钢外壳1接地，能确保在实验室及工业应用现场的高压安全性。在栅形阴极3上施加-100kV的负高压，栅形阳极2接地，则会在栅形阳极2和栅形阴极3之间产生指向栅形阴极3的强电场；氘气在强电场的作用下会发生辉光放电现象，产生等离子体，其中D+离子在电场的作用下加速向栅形阴极3运动，穿过栅形阴极3的D+离子在反向电场作用下反向运动到栅形阴极3区域，则在栅形阴极3周围会形成高密度D+离子区，D+离子与D+离子相互作用发生D(d,n)3He(D-D)聚变反应，放出能量为2.2～2.8MeV的D-D快中子。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，其特征在于，包括：外壳、栅形阳极、栅形阴极、高压接头组件和观察窗，其中，所述外壳一端与所述高压接头组件相连，另一端安装有所述观察窗；外壳内部设置有低压腔体，所述栅形阳极与所述栅形阴极安装在所述低压腔体内，所述栅形阳极接地，所述栅形阴极通过所述高压接头电连接有高压电源，所述低压腔体内部填充有氘气。
2.如权利要求1所述的一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，其特征在于，所述外壳上设置有分子泵接口，所述分子泵接口通过活套法兰连接分子泵，用于抽取低压腔体中的空气。
3.如权利要求1或2所述的一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，其特征在于，所述外壳上设置有真空计接口，所述真空计接口通过活套法兰连接真空计，用于测量低压腔体中的真空度。
4.如权利要求3所述的一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，其特征在于，所述外壳上设置有进气口，所述进气口设有连通氘气源的管道。
5.如权利要求4所述的一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，其特征在于，所述管道上设置有流量阀，与流量控制器电连接，用于对进气量进行精确控制。
6.如权利要求1所述的一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，其特征在于，所述外壳长度为600mm，外壁直径为110mm，壁厚为3mm。
7.如权利要求1所述的一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，其特征在于，所述栅形阳极由24根不锈钢柱环形排列在半径45.5mm圆盘上，每根不锈钢柱长度为300mm，直径为3mm。
8.如权利要求1或7所述的一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，其特征在于，所述栅形阴极由12根不锈钢柱环形排列在半径11.5mm圆盘上，长度为200mm，直径为3mm。
9.如权利要求1所述的一种基于惯性静电约束聚变的同轴柱形D-D中子发生器，其特征在于，高压接头组件包括陶瓷绝缘环、高压电缆、冷却管道以及不锈钢法兰，所述高压电缆用于向栅形阴极馈入负高压，其周围包裹冷却管道，冷却管道周围包裹陶瓷绝缘环，陶瓷绝缘环外侧安装不锈钢法兰。
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