CN116634648A - 一种采用激光辐照方式的无线热释电中子发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及中子发生器技术领域，特别涉及一种采用激光辐照方式的无线热释电中子发生器，包括接地壳体、热释电部件、离子产生部件、磁性部件、标靶和可调节功率的激光发射机构；本申请通过采用激光辐射加热代替传统温度控制方式，可以用激光同时产生用于加速的高压电场和离子，进而使得离子轰击靶体时能有效提高中子产额，以及提升了中子产额的重复性，并且大大简化了结构的复杂性，解决了现有技术存在的问题。

Description

一种采用激光辐照方式的无线热释电中子发生器
技术领域
本发明涉及中子发生器技术领域，特别涉及一种采用激光辐照方式的无线热释电中子发生器。
背景技术
中子发生器自问世以来在各个领域发挥了巨大的作用。它利用微型加速器产生离子束并轰击靶，通过发生不同的核反应以产生中子，但现有的中子发生器存在中子产额难提高、中子产额重复性差以及发生器结构复杂这三大问题。
中子产额难提高主要体现在现有的热释电中子发生器采用尖端场致电离的方式产生氘离子，这种离子产生方式限制了束流强度和加速电压的提升，从而最终限制了中子产额的提升；中子产额重复性差主要体现在离子发生尖端电极易发生烧蚀损坏，导致尖端场强降低，这将影响每次热循环离子产生的效率，从而降低中子产额的重复性；发生器结构复杂主要体现在现有的温度控制方式一般采用电阻式加热器、热电冷却器(thermoelectric cooler，TEC)以及液氮冷却器来实现，导致结构复杂。
因此，研究一种中子产额高、中子产额重复性好以及结构简单的中子发生器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用激光辐照方式的无线热释电中子发生器，以解决现有中子发生器中子产额难提高、中子产额重复性差以及装置复杂问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种采用激光辐照方式的无线热释电中子发生器，包括接地壳体、热释电部件、离子产生部件、磁性部件、标靶和可调节功率的激光发射机构；所述接地壳体的一端设有透明开窗，所述接地壳体内具有真空空间；所述热释电部件、所述离子产生部件、所述磁性部件和所述标靶均设于所述真空空间内；所述离子产生部件设于所述热释电部件和所述透明开窗之间，所述热释电部件与所述离子产生部件固定连接，所述热释电部件与所述离子产生部件均面朝所述透明开窗；所述激光发射机构的激光通过所述透明开窗照射至所述离子产生部件以及所述热释电部件；所述离子产生部件用于在激光照射后产生离子；所述离子产生部件用于在激光照射后产生离子；所述热释电部件用于在激光照射后形成离子加速电场，所述离子加速电场用于使离子轰击所述标靶；所述磁性部件设于所述接地壳体的内壁上，所述磁性部件用于屏蔽离子轰击所述标靶产生的二次电子；所述标靶设于所述磁性部件的内壁上，所述标靶用于在离子轰击后生成中子，该装置及中子的产生方法可稳定地控制中子的产额，以及提高中子产额的重复性。
在其中一个实施例中，所述接地壳体包括金属散热底座、绝缘管和金属管；沿所述无线热释电中子发生器的轴线方向上，所述金属散热底座、所述绝缘管、所述金属管和所述透明开窗依次密封连接以形成所述真空空间，形成的真空空间可降低离子或中子的损耗。
在其中一个实施例中，所述热释电部件的一端面被所述金属散热底座表面覆盖；所述热释电部件的另一端面被所述离子产生部件表面覆盖，金属散热底座将热释电部件覆盖可使热释电部件更好地散热，离子产生部件将热释电部件覆盖可避免热释电部件的损坏。
在其中一个实施例中，所述金属散热底座包括金属盖、金属座、散热件和金属块；所述金属盖与所述金属座螺纹连接，所述金属座上设有插口；所述散热件通过所述插口与所述金属座插拔连接；所述金属块粘连在所述散热件和所述热释电部件之间，所述金属块与所述散热件和所述热释电部件均固定连接，散热底座可更好地控制热释电部件的温差，进而实现电场的控制。
在其中一个实施例中，所述散热件包括散热片和散热臂；所述散热片与所述散热臂固定连接，所述散热片可插拔地设于所述金属座内，所述散热臂的一端通过所述金属管和所述透明开窗夹紧固定，所述散热臂的另一端通过所述金属座和所述金属盖夹紧固定，所述散热臂与所述绝缘管和所述金属管抵接可传导金属管的热量，并使金属管可导地。
在其中一个实施例中，所述离子产生部件为至少包含有钼和氘化钛化合物。
在其中一个实施例中，所述离子产生部件包括钼衬底和吸收有氘的钛层，所述钛层包裹于所述钼衬底外，所述钼衬底具备导热性好、强度高的特性，所以是良好的基底材料。
在其中一个实施例中，标靶至少包含有氘化物。
在其中一个实施例中，标靶为氘化钛靶。
在其中一个实施例中，所述磁性部件为圆筒状磁铁；所述标靶包括第一半圆筒靶体和第二半圆筒靶体；所述第一半圆筒靶体和所述第二半圆筒靶体均固定于所述磁性部件的内壁上，所述第一半圆筒靶体和第二半圆筒靶体相对布置，可提高加工的精度。
在其中一个实施例中，所述磁性部件的磁场强度为0.1～0.8T。
在其中一个实施例中，还包括吸气剂泵；所述吸气剂泵包括加热主体和导线；所述加热主体与所述金属管抵接，所述导线与所述加热主体固定连接，所述加热主体用于在通电加热后吸收所述真空空间内的气体，可维持装置的真空，以降低电击穿风险。
本发明的有益效果如下：
由于离子产生部件设于热释电部件和透明开窗之间，热释电部件与离子产生部件固定连接，热释电部件与离子产生部件均面朝透明开窗；激光发射机构的激光通过透明开窗照射至离子产生部件以及热释电部件；磁性部件设于接地壳体的内壁上，标靶设于磁性部件的内壁上，所以在进行应用时，低功率的激光照射至离子产生部件表面，激光的辐射热量会传递至热释电部件，热释电部件会产生高压电势，高压电势在接地壳体接地后在内部产生离子用的加速电场，由于未达到离子产生所需的激光照射功率，所以离子产生部件不会产生离子，随后提高激光的功率，使高功率的激光照射至离子产生部件表面而产生离子，离子会在加速电场的加速下轰击标靶，从而产生中子，另外，离子轰击标靶产生的二次电子，会被磁性部件产生的磁场所屏蔽，避免了二次电子返回离子产生部件和绝缘管壁，降低了功率损耗并减小造成击穿的概率。
在此过程中的有益效果包括，第一，因为激光等离子体产生的离子流强一般在μA～mA量级，远高于场致电离产生的nA级束流，能提高离子产出额，进而有助于提高中子产额；第二，由于激光脉冲能量和脉宽重复性好，对电离效率影响小，所以中子产额重复性亦会较高；第三，热释电中子发生器相较于传统的便携式中子发生器，去掉了高压电源，结构简单，无论在成本还是在体积上，都具有较大的优势；最后，由于通过激光的照射即可同时产生等离子体和加速电场，使得整个装置结构简单，无需额外配电源。
并且由于所述热释电部件、所述离子产生部件、所述磁性部件和所述标靶均设于所述真空空间内，有效避免了环境气压引起的高压击穿和离子损失等问题。
综上所述，本申请通过采用激光辐射加热代替传统温度控制方式，可以用激光同时产生用于加速的高压电场和氘离子，有效提高了中子产额，提升了中子产额的重复性，并且大大简化了结构的复杂性，解决了现有技术存在的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术原理图示意图；
图2是本发明原理示意图；
图3是本发明优选实施方式提供的整体外观的结构示意图；
图4是本发明优选实施方式提供的整体结构的爆炸示意图；
图5是本发明优选实施方式提供的整体结构的剖面示意图；
图6是本发明优选实施方式提供的散热件的结构示意图一；
图7是本发明优选实施方式提供的散热件的结构示意图二；
图8是本发明优选实施方式提供的金属管的结构示意图；
图9是本发明优选实施方式提供的吸气剂泵的结构示意图；
图10是本发明优选实施方式提供的绝缘管连接部位的局部大样图；
图11是本发明优选实施方式提供的金属管的局部大样图；
图12是本发明优选实施方式提供的吸气剂泵连接部位的局部大样图。
附图标记如下：
1、接地壳体；10、金属散热底座；100、金属盖；101、金属座；102、散热件；1020、散热片；1021、散热臂；103、金属块；11、绝缘管；12、金属管；120、定位槽；121、走线开孔；13、透明开窗；130、玻璃窗端盖；131、外端橡胶垫圈；132、玻璃窗；133、密封圈；134、定位环；135、橡胶垫圈；
2、热释电部件；3、离子产生部件；4、磁性部件；5、标靶；6、吸气剂泵；60、加热主体；61、导线；7、真空空间；8、激光发射机构；9、等离子体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
中子发生器自问世以来在各个领域发挥了巨大的作用，它利用微型加速器产生离子束并轰击靶，通过发生不同的核反应以产生中子，如今热释电中子发生器是最为常见的中子发生器，其基本原理是利用温度控制器，调节热释电晶体的温度变化，在其表面产生高压电势，并形成高压电场，进而加速电离产生的氘离子，轰击富含氘的靶，发生氘氘(D-D)核反应，以产生中子，这类中子发生器体积尺寸紧凑，强度可控，无放射性污染，不需要额外高压电源供电，干扰小。
现有技术的原理图可见图1，热释电晶体负责产生高压电场，尖端离子源负责产生氘离子，温度控制器的温度变化形式决定了热释电晶体的电响应特性，稀薄氘气环境是尖端场致电离产生氘离子的前提，氘离子轰击金属氘化物靶，在上面发生氘氘反应产生中子，而真空腔室提供真空环境，即使现有的热释电中子发生器原理已得到验证并在某些领域得到应用，但依然存在三大问题。
一是中子产额难以提高。从理论上讲，加速电压高低和束流强度大小，直接影响中子产额的高低，然而，现有的热释电中子发生器采用尖端场致电离的方式产生氘离子，这种离子产生方式限制了束流强度和加速电压的提升，从而最终限制了中子产额的提升。
其次，场致电离使得工作气压限制在10-1Pa到1Pa，因为过高的气压虽然能够增加尖端附近氘气分子的电离概率，但同时增加了离子与气体分子碰撞损失的概率，从而降低了打靶离子数量，过低的气压虽然能够获得较好的耐压，但尖端附近电离概率降低，产生离子的数量同样降低。
最后，研究发现，只有D2 +离子可以通过纳米尖端上的场增强效应产生，而D+离子很难产生。这种情况下，每个原子核的动能是加速能量的一半，这大大降低了发生D-D核反应的概率，因而中子产额降低。
二是每次热循环中子产额重复性差。半径几十nm的尖端电极易发生烧蚀损坏，导致尖端场强降低，这将影响每次热循环离子产生的效率，从而降低中子产额的重复性。
实验研究了钨尖端在热释电产生中子实验中的烧蚀情况，经过10次热循环实验后，尖端发生明显烧蚀，尖端直径从140nm增加到2.5μm，该结果与中子产额重复性结果正好匹配。为了进一步降低氘气电离的不确定性对中子产额的影响，D.J.Gillich等人，又利用垂直排列的钨纳米棒结合钨尖端，来增强场致电离效率，降低烧蚀损伤，以增加中子产额和重复性，其中子产额可提高四倍以上，这说明场致电离的原理限制了中子产额的重复性，需要一种新的电离方式以替代场致电离。
三是装置复杂性高且稳定性一般。现有的温度控制方式一般采用电阻式加热器、热电冷却器(thermoelectric cooler,TEC)、液氮冷却器等来实现，这些装置控制温度的速率通常较慢(一般0.02～0.2K·s-1)，而且需要额外的供电或者维护，增加了结构的复杂性。
当热释电晶体采用线性温度变化方式时，温度变化速度是影响热释电电压以及中子辐射产生的关键因素，其存在最优的温度变化速度值，所以对温度控制器提出了较高要求，当温度变化特性曲线设置不合理时，晶体表面电荷分布不均匀，并会发生漏电，影响表面最大电势，降低中子产额品质，进而导致温度控制装置结构相当复杂。
有基于此，为了解决上述三大问题，本申请提供一种采用激光辐照方式的无线热释电中子发生器，请参照图2至图12，包含带有透明开窗13的接地壳体1、设于接地壳体1外可调节功率的激光发射机构8，以及设于真空接地壳体1内的热释电部件2、离子产生部件3、磁性部件4、标靶5，如图2所示，核心思路在于用激光辐射加热代替传统温度控制方式，从而提高等离子体9产生的效率，进而提高中子的产额以及中子产额的重复性，具体的，下文将以详细的优选实施例进行阐述。
在本申请的一些实施例中，有关上述的接地壳体1，请参照图3至图5，接地壳体1的前端(即图5中左侧)包括圆柱形状的金属散热底座10和绝缘管11，接地壳体1的前端长度为40mm，直径为45mm，接地壳体1的后端(即图5中右侧)包括金属管12，接地壳体1的后端长度为49.3mm，直径为50mm；沿无线热释电中子发生器的轴线方向上，金属散热底座10、绝缘管11、金属管12和透明开窗13依次密封连接以形成真空空间7，在采用此种设置方式后，激光可通过透明开窗13射入真空空间7内，以发生核反应而产生中子，避免了环境气压引起的高压击穿和离子损失等问题，有助于提高稳定性。
需要指出的是，如图10所示，金属散热底座10与绝缘管11采用可伐封接的连接方式，类似的，绝缘管11与金属管12亦采用可伐封接的连接方式，封接工艺选用匹配封接以保证腔体真空度。
在本申请的一些实施例中，对于金属散热底座10而言，如图5至图7所示，金属散热底座10包括带有内螺纹的金属盖100、带有外螺纹的金属座101、散热件102和金属块103；金属盖100与金属座101螺纹连接，金属座100上设有插口；散热件102通过插口与金属座101插拔连接；金属块103通过导电导热胶粘连在散热件102和热释电部件2之间，金属块103与散热件102和热释电部件2均固定连接，在采用此种设置方式后，热释电部件2的热量可通过金属块103的传递，传递至散热件102内进散热，使得热释电部件2可形成离子加速用电场。
由于金属盖100、金属座101、散热件102和金属块103均为金属导电物质，可使得整个无线热释电中子发生器接地，防止电磁干扰或电击穿，可提高装置的安全性和使用寿命。
需要指出的是，金属盖100、金属座101、散热件102和金属块103的金属导电物质优选采用铜，本领域技术人员可根据自身实际需求进行选择。
在本申请的一些实施例中，针对上述散热件102，如图6和图7所示，散热件102包括圆片状散热片1020和七字型散热臂1021；散热片1020可插拔地设于金属座101内，散热臂1021的一端通过所述金属管和所述透明开窗夹紧固定，散热臂1021的另一端通过所述金属座和所述金属盖夹紧固定，散热臂1021与绝缘管11和金属管12抵接，在采用此种设置方式后，绝缘管11外壁和金属管12外壁的热量将传递至散热臂1021内进行散热，并且可使整个装置外壁接地。
其中，散热片1020与散热臂1021一体化固定连接，散热片1020与散热臂1021内均中空并通过液冷管道相互连通，散热片1020内的管道走线为工字型管道走线；而散热臂1021包括有前臂、中臂和后臂，前臂与散热片1020连通，前臂与中臂垂直布置并连通，中臂与后壁错开布置并连通，以符合接地壳体1的结构。
需要指出的是，散热片1020与散热臂1021内采用的液冷方式散热，液冷的冷却液包括但不限于水或电子氟化冷却液。
在本申请的一些实施例中，对于绝缘管11而言，如图5和图10所示，热释电部件2固定于金属散热底座10上，热释电部件2的侧壁均位于绝缘管11的内壁范围内，热释电部件2的侧壁被绝缘管11的侧壁全覆盖，由于热释电部件2与接地壳体1的内壁距离仅为4.5mm，并且金属底座与整个发生器管壁接地，所以在采用这种设置方式后，氘氘反应发生的靶压在100kV以上，热释电部件2与绝缘管11处电势差为100kV以上，加之距离非常短，若采用金属管12壁则极容易出现电击穿的情况，绝缘管11的设置则可避免击穿现象的发生，提高装置的安全性。
在本申请的一些实施例中，绝缘管11优选采用为玻璃，玻璃与金属热膨胀系数相当，可更好的完成可伐封接，在采用此种设置方式后，便于使用者观察激光打在热释电部件2及离子产生部件3上的束斑情况。
在本申请一些可能的实施例中，绝缘管11的材料包括但不限于氮化硅、氮化铝、95瓷、99瓷、石英玻璃以及硼酸铅玻璃等，只要满足防止电压击穿的需求，本领域技术人员即可根据自身实际需求进行选择。
在本申请的一些实施例中，对于金属管12而言，如图8、图11和图12所示，金属管12内设有磁性部件4和标靶5，金属管12的内壁上设有定位槽120，用于磁性部件4和标靶5的固定，并且金属管12的内壁上还设有走线开孔121，以供吸气剂泵6的进入；而金属管12的外壁面上也设有散热夹槽，散热夹槽用于供散热臂1021的固定，金属管12邻近透明开窗13的一端设有外螺纹以供透明开窗13的螺纹连接。
需要指出的是，走线开孔121处可以用橡胶密封保证真空度，以防止外围空气进入真空空间7内，破坏了真空度。
在本申请的一些实施例中，对于透明开窗13而言，如图3至图5所示，沿激光入射方向上，透明开窗13包括依次橡胶密封连接的玻璃窗端盖130、外端橡胶垫圈131、玻璃窗132、密封圈133、定位环134和橡胶垫圈135；在橡胶垫圈135上设有走线开口，以供吸气剂泵6的进入；定位环134为金属结构，用于固定密封圈133；密封圈133在定位环134和玻璃窗132挤压下共同形成密封结构的主体，可应用在要求真空度高达10-6mbar的场合；玻璃窗132用于与密封圈133组成密封结构以及透光，激光通过玻璃窗132打到离子产生部件3上；玻璃窗端盖130在与橡胶垫圈135接触处预留凹槽，玻璃窗端盖130内设有内螺纹，玻璃窗端盖130与金属管12螺纹连接，因为玻璃窗端盖130扭转时外端橡胶垫圈131可能产生变形，在接触平面上留有缝隙，影响真空度，故接触面越小越好，玻璃窗端盖130在螺纹靠内一侧留有一圈凹槽以减小与外端橡胶垫圈接触面积。
需要指出的是，密封圈133优选采用采用橡胶材料；玻璃窗132优选采用石英玻璃，其他透光度高的材料亦可进行选用。
在一些可能的实施例中，沿激光入射方向上，透明开窗13包括依次焊接密封连接的玻璃窗端盖130、玻璃窗132、定位环134和橡胶垫圈135，其与通过直接将玻璃窗端盖130边缘与金属管12管壁进行密封焊接处理，可省去外端橡胶垫圈131和橡胶垫圈135的设置。
在本申请的实施例中，有关上述的热释电部件2，请参照图4和图5，晶体状热释电部件2设于真空空间7内，热释电部件2的一面(下称+z面)与金属散热底座10的金属块103粘合固定连接，热释电部件2的另一面(下称-z面)与离子产生部件3粘合固定连接，热释电部件2的-z面朝透明开窗13，在采用此种设置后，激光可通过透明开窗13照射至离子产生部件3，并通过离子产生部件3将热量传递至热释电部件2上，热释电部件2由于其材料特性，在有激光照射加热的面(-z面)上的聚集正电荷，在金属散热装置上的一面(+z面)接地，形成100kV以上电势差，用来加速氘离子轰击标靶5。
本申请中对于热释电部件2的温度控制方式，结构简单，一方面可以控制激光射入的强度控制-z面的温度以控制正电荷聚集，另一方面可以通过金属散热底座10控制+z面的温度且将该面接地，两者共同作用，第一，可调节加速电场的强度，使离子得到合适的速度以撞向标靶5，可有效提高中子产额；第二，热释电部件2采用线性温度变化方式时，温度变化速度是影响热释电电压以及中子辐射产生的关键因素，存在最优的温度变化速度值，相比现有的温度控制方式一般采用电阻式加热器、热电冷却器(thermoelectric cooler，TEC)、液氮冷却器等来实现，本申请控制温度的速率较快，可根据需求控制温度变化特性曲线，避免热释电部件2表面电荷分布不均匀，以及出现漏电，从而影响表面最大电势，进而降低中子产额品质的情况。
在本申请的一些实施例中，热释电部件2采用热释电晶体，其材料优选采用钽酸锂LiTaO3，尺寸为直径Φ30mm，厚度10mm，z型切割，其余的热释电材料及不同尺寸本领域技术人员可根据自身实际需求进行选择使用。
在本申请的一些实施例中，热释电部件2的一端面(+z面)被金属散热底座10表面覆盖；热释电部件2的另一端面(-z面)被离子产生部件3表面覆盖，在采用此种设置方式后，金属散热底座10可提高与热释电部件2的接触面积，提高(+z面)的散热控制效率，而离子产生部件3与热释电部件2的接触，可使激光先加热离子产生部件3再将热量传导至热释电晶体上，使热释电部件2(-z面)的受热更加均匀，避免由于大量的非均匀热应力对热释电部件2的晶体造成损坏，即减小激光对LiTaO3的损伤。
在本申请的实施例中，有关上述的离子产生部件3，如图4和图5所示，离子产生部件3设于真空空间7内，离子产生部件3与热释电部件2粘合固定连接，离子产生部件3覆盖氘化钛的一面朝透明开窗13，在采用此种设置方式后，激光可通过透明开窗13照射至离子产生部件3，离子产生部件3会在激光脉冲的作用下产生等离子体(即为氘离子，下同)，氘离子在加速电场的加速后，轰击标靶5产生中子。
在本申请的一些实施例中，离子产生部件3采用至少包含有钼、氘和钛的混合物，优选地，离子产生部件3包括吸收有氘的钼基和吸收有氘的钛层，钛层包裹于钼基外，更优选地，离子产生部件3为钼基氘化钛，即在0.5mm厚Mo基底上镀钛膜，再饱和吸附氘气，形成TiDx(氘化钛)，(x一般在1.6～1.7)。其余的氘化物材料和不同尺寸，本领域技术人员可根据自身实际需求进行选择使用。
需要指出的是，钼做基底的原因是其导热性好且强度高。
在本申请的一些实施例中，如图2所示，对于轰击离子产生部件3的激光发射机构8，激光发射机构8为功率可调的，激光发射机构8对准透明开窗13，并设于整个装置外，在采用此种设置方式后，进行应用时，激光发射机构8先照射出低能激光脉冲至离子产生部件3上，离子产生部件3将能量传递至热释电部件2上产生加速电场，由于未达到离子产生所需的激光照射功率，所以离子产生部件3不会产生离子，随后激光发射机构8照射出高能激光脉冲至离子产生部件3上以产生等离子体，利用不同功率密度的激光，先后辐照表面覆盖金属氘化物的热释电晶体，当处于高功率激光辐射状态时可同时提供用于加速的高压电场和氘离子，这种采用激光辐照加热这种远程控制加热的方法，可以通过准确控制激光参数和辐照时间，来获得持续的或者短脉宽的加热，进一步研究温度参数变化对热释电材料电响应特性的影响规律。
其中，低能激光能量控制在103～104W/cm2，在该低能激光辐射下，钼基氘化钛(离子产生部件3)表面只升温而不发生其它物理现象，高能激光能量控制在108～1010W/cm2，在该高能激光辐射下，钼基氘化钛表面主要产生氘离子。
需要指出的是，激光与材料相互作用时，不同激光功率密度下材料表面的物理现象也不同，对于钼基氘化钛，激光功率密度为103～104W/cm2时，其表面只发生加热，当激光功率密度为104～106W/cm2时，表面发生熔融，当激光功率密度为106～108W/cm2时，钼基氘化钛表面发生气化，当激光功率密度为108～1010W/cm2时，钼基氘化钛表面产生等离子体，因此，在低功率激光功率辐射下，热释电部件会产生加速电场而钼基氘化钛不会产生等离子体，在高功率激光功率辐射下，热释电部件会产生加速电场并且钼基氘化钛会产生等离子体，从而实现加速电场和等离子体的同时产生。
当然，激光发射机构8的选择非常多样，只要激光发射机构的可调节功率满足上述激光功率的需求，本领域技术人员即可进行选择。
本申请的激光辐射加热的离子产生方式，相比于场致电离，有三点好处。
第一，离子产生的产额高。场致电离中控制尖端电离产生离子是关键，但由于尖端电离控制难度高，导致离子产生量较低，而本申请，无需采用纳米尖端，避免了纳米尖端导致离子产额低的问题，并且本申请中的激光辐射加热产生离子流强一般在μA～mA量级，远高于场致电离产生的nA级束流，有效提高了中子产额。
第二，离子产额的重复性好。场致电离中的尖端容易在重复的实验中出现明显烧蚀，导致中子产额重复性大大降低，而本申请中采用的激光脉冲能量和脉宽重复性好，对电离效率影响小，可预见中子产额重复性好。
第三，减小结构复杂性。场致电离中，控制加速电场和离子产生的结构相当复杂，而本申请中，仅利用激光的不同功率的先后照射，并保持在高功率激光辐射下即可同时产生加速电场和离子，大大简化了装置结构，并且相较于传统的便携式中子发生器，去掉了高压电源，无论在成本还是在体积上，都具有较大的优势。
在本申请的实施例中，有关上述的磁性部件4，请参照图4和图5，筒状的磁性部件4设于真空空间7内，磁性部件4套设于金属管12段内，并通过金属管12的内壁上的定位槽120进行固定，在采用此种设置方式后，氘离子被电场加速后，加速轰击标靶5，在氘离子轰击标靶5时会产生二次电子，磁性部件4的纵向磁场使得二次电子重新回到金属管12的内壁，能够有效屏蔽产生的二次电子，避免二次电子反向加速至离子产生部件3，降低束流功率及击穿概率，同时增加中子产生效率。
具体的说，离子轰击标靶时，靶标表面部分原子的外层电子会吸收能量并激发，生成二次电子，如果不加以抑制，二次电子会在电场力作用下回到阳极，也即钼基氘化钛上，少部分会游离到绝缘管内壁，如果二次电子移动到阳极，会降低阳极表面电势，减小氘离子动能，同时也会中和掉一部分氘离子，这将降低中子产生效率。二次电子移动到绝缘段内壁，可能会造成击穿，影响安全性，而本申请中由于永磁体产生的强纵向磁场，在洛伦兹力作用下大部分电子返回到阴极，最终接地被导走，有效屏蔽了二次电子。
在本申请的一些实施例中，磁性部件4为圆筒状磁铁，磁铁优选采用钕铁硼磁铁(NdFeB)，轴向磁场设置是通过在标靶5外套一个圆筒状的NdFeB永磁铁来实现的。
在本申请的一些实施例中，磁场的好场区尺寸约50mm*50mm，磁场强度为0.1～0.8T，磁场强度优选为0.7T。
在本申请的实施例中，有关上述的标靶5，请参照图4和图5，筒状的标靶5设于设于真空空间7内，标靶5固定地设于磁性部件4的磁场范围内，在采用此种设置方式后，氘离子可有效轰击标靶5。
在本申请的一些实施例中，标靶5包括第一半圆筒靶体和第二半圆筒靶体；第一半圆筒靶体和第二半圆筒靶体均固定于磁性部件4的内壁上，第一半圆筒靶体和第二半圆筒靶体相对布置，标靶5被分成了两块半圆筒的设置目的是，一方面钛吸氢之后容易发生氢脆，整块加工难度较大，容易出现裂纹。另一方面，采用两半圆筒的方式来制作可以提高镀膜均匀性，保证TiDx靶(氘化钛)质量。
在本申请的一些实施例中，标靶5采用至少包含有氘化物，包括但不限于氘化锂、氘化锆、氘化铈和氘化钛等金属氘化物，优选地，标靶5采用氘化钛靶。
在本申请的一些实施例中，无线热释电中子发生器还设有吸气剂泵6，请参照图5、图9和图12，吸气剂泵6包括加热主体60和导线61；加热主体60与所述金属管12固定连接，导线61通过橡胶垫圈135和金属管12壁预留的走线孔与加热主体60固定连接，加热主体60用于在通电加热后吸收真空空间7内的气体，在采用此种设置方式后，通过通电加热，便可长期吸收气体，特别是可抽除封接时管内残留的气体，也可抽除中子发生器工作时所释放的气体，来维持管内真空度，使得整个装置工作在高真空环境(优于10-4Pa)，避免了环境气压引起的高压击穿和离子损失等问题，有助于提高稳定性。
需要指出的是，有关通电加热的回路，激活时，电流从导线61流入，由于中子发生器整个管壁都已接地，定位环134与金属管12壁相连通，故吸气剂泵6负极直接搭载定位环134上即可形成回路，具体的回路，如图12所示。
在本申请的一些实施例中，对于加热主体60而言，加热主体60包括多个线圈相互并联布置连接而成，每个线圈用Φ0.1mm钨丝和Φ0.18mm钛丝互绕而成。
在一些可能的实施例中，吸气剂泵6可采用无热子的吸气剂泵6，将直接置于管内，通过风管排气时进行加热激活，但该结构复杂，容易影响真空密封程度，本领域技术人员根据自身需求进行选择。
特别说明的是，上述的粘合固定连接或粘合连接优选采用的是导电导热胶，导电导热胶优选采用耐受温度927℃，体电阻率只有0.0002Ω·cm的型号及材料，本领域技术人员可根据自身实际需求进行选择。
另外作为中子标定源使用时，又兼具背景干扰低、中子强度可控、无放射性污染等优势。
除此之外，热释电中子发生器还可以作为一种动态控制组件在反应堆以及实验台上得以应用。其模块化的设计和几何尺寸适合反应堆堆芯的通道，中子可控性允许工作在脉冲模式下，并可控制重复频率和持续时间，在优化反应堆的堆芯中子通量分布时，能够增加灵活性。
因此本申请是一种十分具有应用前景的紧凑型中子发生器，该发明提出的激光驱动热释电中子发生器是对现有中子发生器类型的有益补充。
由上可知，本申请的基本结构，下文将以结合具体装置的设计过程进行可行性描述。
首先明确本申请的原理，是用低能激光脉冲热辐射热释电部件2以产生加速电场，再用高能激光脉冲轰击离子产生部件3以产生等离子体，这样氘离子在加速电场作用下获得能量，并在磁性部件4的引导下轰击圆筒状氘化钛靶发生D-D反应产生中子。
而本申请的设计过程采用模拟加实验相结合的方法，一方面是分析温度变化特性和热释电特性的内在联系与机制，另一方面是分析中子产生机制及影响中子产额和重复性的关键因素。
设计过程主要从三方面入手。
内容1采用激光辐照加热控温方式。相较于电阻式加热、热点冷却器等，激光辐照加热的重点在于控制激光脉冲的能量、重复频率、加载时间、光斑尺寸等参数，调控温度变化范围和速率。激光辐照加热的优势有两个，首先激光脉冲的能量可调范围大，控温速率更大，可远高于0.02～0.2K·s-1。热释电晶体表面总电荷、电势和输出电流的大小的近似公式：
Q＝γAΔT
(其中γ是材料的热释电系数，A是晶体材料表面面积，ε0和εcr分别是真空介电常数和晶体的相对介电常数，d是晶体材料的厚度。)
根据近似公式可知，控温范围ΔT越大，热释电晶体表面电势越高，氘离子获得的动能也就越大。
其次，采用激光辐照加热代替传统温度控制方式，可以用激光同时产生用于加速的高压电场和氘离子，大大简化了结构的复杂性。将原本的微纳尖锥电极和热释电晶体下面的热电偶等用激光取代，只要在场外用纳秒脉冲激光辐照即可实现相同的效果，提高了装置的稳定性。
内容2根据钽酸锂-钼基氘化钛(LiTaO3-Mo-TiDx)电响应特性，设计得到其由于温度变化引起的电荷和电势分布，且要通过其表面电荷径向分布结果，得到加速间隙电场分布。
内容3设计激光辐照钽酸锂-钼基氘化钛(LiTaO3-Mo-TiDx)引起的束流传输特性，通过模拟得到束流传输轨迹变化规律以及轴向磁场对二次电子的抑制效果，再通过实验直接测量激光等离子体的离子成分及强度信息和束流强度随激光参数的变化规律。
通过内容1至内容3可以为内容4激光辐照钽酸锂-钼基氘化钛(LiTaO3-Mo-TiDx)的D-D中子产额提供实验基础，通过数值模拟得到中子产额，再通过实验得到中子产额，最后测量结果进行对比分析。
通过以上设计分析，可以得到热释电晶体的类型、尺寸，覆钼基氘化钛的厚度，磁场的约束条件及对应的磁铁布局、氘化钛靶与热释电晶体的距离等参数，为中子发生器结构的设计提供参数信息。基于以上参数，结合功能需求和加工工艺限制，原材料成本控制等因素，便可得到激光驱动热释电中子发生器的具体结构。
设计得出的本申请装置，长度为90mm，直径为45～50mm，外壳材料包括有铜、不锈钢等金属、玻璃、陶瓷，固定方法可通过绳索或杠悬挂固定，激光辐射方式可为场外辐照或固定接口近距辐照，中子产额为1～104s-1。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用激光辐照方式的无线热释电中子发生器，其特征在于，
包括接地壳体、热释电部件、离子产生部件、磁性部件、标靶和可调节功率的激光发射机构；
所述接地壳体的一端设有透明开窗，所述接地壳体内具有真空空间；
所述热释电部件、所述离子产生部件、所述磁性部件和所述标靶均设于所述真空空间内；
所述离子产生部件设于所述热释电部件和所述透明开窗之间，所述热释电部件与所述离子产生部件固定连接，所述热释电部件与所述离子产生部件均面朝所述透明开窗；
所述激光发射机构的激光通过所述透明开窗照射至所述离子产生部件以及所述热释电部件；
所述离子产生部件用于在激光照射后产生离子；
所述热释电部件用于在激光照射后形成离子加速电场，所述离子加速电场用于使离子轰击所述标靶；
所述磁性部件设于所述接地壳体的内壁上，所述磁性部件用于屏蔽离子轰击所述标靶产生的二次电子；
所述标靶设于所述磁性部件的内壁上，所述标靶用于在离子轰击后生成中子。
2.根据权利要求1所述的一种无线热释电中子发生器，其特征在于，
所述接地壳体包括金属散热底座、绝缘管和金属管；
沿所述无线热释电中子发生器的轴线方向上，所述金属散热底座、所述绝缘管、所述金属管和所述透明开窗依次密封连接以形成所述真空空间。
3.根据权利要求2所述的一种无线热释电中子发生器，其特征在于，
所述热释电部件的一端面被所述金属散热底座表面覆盖；
所述热释电部件的另一端面被所述离子产生部件表面覆盖。
4.根据权利要求2所述的一种无线热释电中子发生器，其特征在于，
所述金属散热底座包括金属盖、金属座、散热件和金属块；
所述金属盖与所述金属座螺纹连接，所述金属座上设有插口；
所述散热件通过所述插口与所述金属座插拔连接；
所述金属块夹于所述散热件和所述热释电部件之间，所述金属块与所述散热件和所述热释电部件均固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种无线热释电中子发生器，其特征在于，
所述散热件包括散热片和散热臂；
所述散热片与所述散热臂固定连接，所述散热片可插拔地设于所述金属座内，所述散热臂的一端通过所述金属管和所述透明开窗夹紧固定，所述散热臂的另一端通过所述金属座和所述金属盖夹紧固定，所述散热臂与所述绝缘管和所述金属管抵接。
6.根据权利要求1所述的一种无线热释电中子发生器，其特征在于，
所述离子产生部件为至少包含有钼和氘化钛化合物。
7.根据权利要求6所述的一种无线热释电中子发生器，其特征在于，
所述离子产生部件包括钼衬底和吸收有氘的钛层，所述钛层包裹于所述钼衬底外。
8.根据权利要求1所述的一种无线热释电中子发生器，其特征在于，
所述磁性部件为圆筒状磁铁；
所述标靶包括第一半圆筒靶体和第二半圆筒靶体；
所述第一半圆筒靶体和所述第二半圆筒靶体均固定于所述磁性部件的内壁上，所述第一半圆筒靶体和第二半圆筒靶体相对布置。
9.根据权利要求1所述的一种无线热释电中子发生器，其特征在于，
所述磁性部件的磁场强度为0.1～0.8T。
10.根据权利要求1所述的一种无线热释电中子发生器，其特征在于，
还包括吸气剂泵；
所述吸气剂泵包括加热主体和导线；
所述加热主体与所述金属管抵接，所述导线与所述加热主体固定连接，所述加热主体用于在通电加热后吸收所述真空空间内的气体。
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