CN204029390U - 一种用于聚变反应加速器中子源的强流离子束加速管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于聚变反应强流加速器中子源的强流离子束加速管。本实用新型强流离子束加速管由多个绝缘陶瓷环、不锈钢真空密封法兰、筒状屏蔽电极、加速电极、置于陶瓷环的端面凹槽内的O型真空密封圏及置于陶瓷环圆周外缘面上的凹槽内的O型缓冲圏的构成，各相邻的绝缘陶瓷环用压环、螺栓、螺母相互固定。本实用新型解决了大直径强流加速管的真空封接问题，可使加速管内部的实际真空度可达10^-5Pa量级，同时完全避免了现有技术中用绝缘胶粘接技术造成的加速管抗拉强度低、易漏气、真空度不高等缺陷。

Description

一种用于聚变反应加速器中子源的强流离子束加速管

技术领域

 本实用新型涉及一种用于聚变反应强流加速器中子源的强流离子束加速管。

背景技术

强流氘氘（D-D）和氘氚（D-T）聚变反应加速器中子源是重要的单能中子源，可广泛应用于核数据测量、核聚变堆基础研究、军工基础研究等各个方面。这种中子源的基本原理是利用倍压高压加速器将氘（D）离子束加速到几百keV能量，轰击氘钛（TiD）靶或氚钛（TiT）发生氘氘（D-D）和氘氚（D-T）聚变反应产生快中子。

快中子的产额与加速并轰击在靶上的D束流强度成正比。为了实现D-D反应快中子产额达到1-5×10¹⁰ s^-1和D-T反应快中子产额达到1-5×10¹² s^-1的指标，要求加速并轰击在靶上的D束流强度要达到10-40mA的强流离子束量级，即几十mA强D束流的加速是需要解决的关键问题之一。

强流加速管是实现几十mA强流D束流加速的重要元件。几十mA强流D束流在加速管中加速时，束流空间电荷效应十分明显，束流发散快，束流包络大，故需要考虑以下问题：1）加速电极需要取较大的孔径，以保证强流束的加速与传输；2）加速电场分布要有强的径向聚焦力，以保证强流束的聚焦传输；3）要设置多个屏蔽电极，保护陶瓷绝缘瓷环内表面免遭强流束下大量杂散粒子的轰击，以防止杂散粒子溅射镀膜造成的绝缘瓷环内表面短路。

以上问题的解决会导致强流加速管及其绝缘陶瓷环孔径尺寸变大，给加速管的金属电极和陶瓷绝缘瓷环的真空封接带来困难。早先的加速管真空封接一般采用金属与陶瓷焊接或金属与陶瓷绝缘胶粘接技术。国内目前对小尺寸陶瓷绝缘瓷环与金属电极的焊接技术已发展的较为成熟，但对涉及孔径尺寸大于Φ500mm的强流加速管的焊接技术还不成熟，还无法保证大尺寸加速管的一次成品率。现国际上仅有少数公司能实现较大尺寸加速管的金属焊接，（如德国NTG公司，网址：http:// www. ntg.de/index.php?id=6&L=1；http://www.beijingoec.cn/ beijingoec_Product12391312 .html），但这一技术加工费用昂贵。现阶段国内一般采用绝缘胶粘接工艺实现大尺寸强流加速管金属电极和陶瓷绝缘瓷环的真空封接（如：兰州大学的ZF-300强流中子发生器的强流加速管-见下列文献：[1] S.U. Tongling, S.U.N. Biehe, Y. Baotai, et al.,An intense 14 MeV neutron source，Nucl. Instr.and Meth. A 287 (1990) 452；[2] Z.-E. Yao et al. ，Design status of an intense 14MeV neutron source forcancer therapy，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 490 (2002) 572 566–572）。但采用绝缘胶粘接的加速管存在抗拉强度低、易漏气、真空度不高等缺陷。

发明内容

本实用新型可克服现有绝缘胶粘接技术的不足，实现了大直径强流离子束加速管的“O”型圈真空密封装配式封接结构和工艺。具有轴向弹性好、真空度高等优点。

本实用新型的一种用于聚变反应加速器中子源的强流离子束加速管，由多个绝缘陶瓷环（2）、不锈钢真空密封法兰（4）、筒状屏蔽电极（7）、加速电极（6）和（8）相互连接而成，其特征在于在加速管中设有用于固定相邻的陶瓷环（2）、不锈钢真空密封法兰（4）的压环（12）和（5），其中，在每个陶瓷环（2）的两个端面上分别开设有用于放置真空密封的O型密封圏的凹槽（3），在与陶瓷环的真空密封端面相垂直的圆周外缘面上分别开设有用于放置O型缓冲圏的凹槽（10）；在不锈钢真空密封法兰（4）开设有连接孔（13）；所述的两个压环（12）和（5）上均设置有可与不锈钢真空密封法兰（4）上孔（13）位置对应的装配孔（15）和（16），且两个压环法兰12和5与陶瓷环2圆周面相接触处的环圈内为一斜面，在加速管装配状态下：槽（3）内放置O型密封圈（14），槽（10）内放置O型缓冲圏（11），固定螺栓穿过两个压环上的孔（15）、（16）以及法兰（4）上的孔（13），用螺栓和相配合的螺母的作用力将两个压环（12）和（5）与法兰（4）固定，同时通过两个压环（12）和（5）内圈的斜面向O型缓冲圏（11）施加轴向力将相邻的两个陶瓷环（2）相互固定。

本实用新型的用于聚变反应加速器中子源的强流离子束加速管中的各陶瓷环的内表面为一桶面，陶瓷环沿轴线的外表面呈“工”字形。

    本实用新型本实用新型强流离子束加速管装置中，两个压环法兰12和5与陶瓷环2圆周面相接触处的环圈内为30度斜面，在采用固定螺栓穿过两个压环上的孔15、16以及法兰4上的孔13连接相邻陶瓷环时，依靠 30度斜面挤压凹槽10内放置O型缓冲密封圏11，使连接具有弹性，以避免损坏陶瓷环2。

本实用新型采用O型圈真空密封装配结构实现装置的装配，并通过螺栓、螺母和压环12和5内圈的斜面向周向O型缓冲密封圏11施加轴向力而将相邻的两个陶瓷环2相互固定并实现真空密封。这一技术措施解决了大直径强流加速管的真空封接问题，可使加速管内部的实际真空度可达10^-5Pa量级，同时完全避免了现有技术中用绝缘胶粘接技术造成的加速管抗拉强度低、易漏气、真空度不高等缺陷。

    本实用新型强流离子束加速管装置的陶瓷环的结构剖面图见附图3。为柱状环形结构，陶瓷环2的内表面为一桶面，陶瓷环沿轴线的外表面呈“工”字形。这一结构可以增大暴露在大气中的外表面沿面的爬电距离，以提高加速管的整体耐压水平。

附图说明

附图1为本实用新型强流离子束加速管结构示剖面图。

附图2为附图1中A部位的放大视图。

附图3为陶瓷环的放大视图。

附图4为附图3中B部位局部放大视图。

附图中：1-离子源；2-陶瓷环；3-放置真空密封O型圏的凹槽；4-真空密封法兰；5-第二压环法兰；6-第一加速电极；7-屏蔽电极；8-第二加速电极；9-离子束加速传输方向；10-放置缓冲O型圏的凹槽；11-缓冲O型密封圏；12-第一压环法兰；13-法兰4上的连接螺孔；14-真空密封O型圏；15-第一压环上的螺孔；16-第二压环上的螺孔。

具体实施方式

    本实用新型实施例是一种耐压为400kV的强流离子束加速管，其结构参见附图1所示。本实用新型强流离子束加速管装置的具体结构剖面图参见见附图1和附图2，整体为类似圆柱形管状结构，由多个端面刻有真空密封凹槽的陶瓷环2、不锈钢真空密封法兰4、不锈钢屏蔽电极7、不锈钢加速电极6和8相互连接而成。其中，不锈钢屏蔽电极7、不锈钢加速电极6和8分别通过焊接与不锈钢密封法兰4连接；装置设有用于固定相邻陶瓷环2和不锈钢密封法兰4的两个不锈钢压环法兰12和5，且两个压环法兰12和5与陶瓷环2圆周面相接触处的环圈内为一斜面，在不锈钢密封法兰4、不锈钢压环法兰12和5上分别开设有连接螺孔13、15和16；陶瓷环的两个真空密封端面上分别开设有用于放置真空密封O型圏的凹槽3，与陶瓷环的真空密封端面相垂直的圆周外缘面上分别开设有用于放置O型缓冲圏的凹槽10。装置装配状态如下：凹槽3内放置O型密封圈14，凹槽10内放置O型缓冲密封圏11，固定螺栓穿过两个压环上的孔15、16以及法兰4上的孔13，用螺栓和相配合的螺母的作用力将两个压环12和5与法兰4固定，同时通过两个压环法兰12和5内圈的斜面向O型缓冲密封圏11施加轴向力，将相邻的两个陶瓷环2相互固定。

以下结合附图1对其实施方式进行说明。

由图1可见，本实用新型的强流离子束加速管是由多个陶瓷环2相互接连构成，陶瓷环为95%-Al₂O₃制成的绝缘环。图1 的实施例由11个陶瓷环2构成，在陶瓷环2内设置有用于屏蔽离子束的筒形不锈钢屏蔽电极7和加速电极6和8，不锈钢屏蔽电极7和加速电极6和8经焊接与不锈钢真空密封法兰4相接，法兰4上设置有与固定螺栓相配合的孔13。

    通过附图3还可见，本实用新型的陶瓷环2为柱状环形结构，陶瓷环2的剖面为“工”字形，主要目的是便于实现“O”型圈真空密封和“O”型圈缓冲装配式结构，并增大暴露在大气中的陶瓷环外表面沿面的爬电距离，以提高加速管的整体耐压水平。

本实用新型的各陶瓷环2间的联接参见附图2。

由附图2可见，本实用新型的陶瓷环2的陶瓷环的每个真空密封端面上分别开设有用于放置真空密封O型圏14的凹槽3，同时在陶瓷环2与其真空密封端面相垂直的圆周外缘面上分别开设有用于放置O型缓冲密封圏11的凹槽10。

本实用新型的各陶瓷环2间的联接通过两个不锈钢压环法兰，即第一压环12和第二压环5实现。第一压环12和第二压环5上均设置有与真空密封法兰4上所开螺栓孔13位置相对应的孔15和16，两个压环法兰12和5与陶瓷环2圆周面相接触处的环圈内为30度斜面。

本实用新型在装配状态下，在各凹槽10内分别放置O型缓冲密封圏11，在各凹槽3内分别设置O型真空密封圏14，本实用新型实施例中所用的O型密封圏均是O型的氟橡胶圈。装配采用塞规工装，将各元件按顺序竖直安装，以保证加速管的同轴度，然后用螺栓穿过法兰4和其两侧的第一、第二压环上所设的孔13、16和15中，再用螺母将螺栓锁紧。由于螺栓和相配合的螺母的作用力可将两个压环12和5与法兰4固定，同时通过两个压环12和5内圈的斜面挤压O型缓冲密封圏11施加轴向力将相邻的两个相邻的陶瓷环2及真空密封法兰4相互固定，真空密封O型圏14保证了加速管内部的真空密封，在压环和缓冲圈O型密封圈作用下不仅可使相邻两陶瓷环紧密联接固定，而且可使装配后的具有好的弹性。

本实用新型的实施例中的加速电极、屏蔽电极和压环均采用不锈钢材料，陶瓷环采用95%的Al₂O₃陶瓷制造。由11节陶瓷环组装成的强流加速管的最大外径尺寸为Φ620mm，长度为1320mm，每个陶瓷绝缘环外经为Φ510mm，内径为Φ390mm，长度为110mm，加速管总耐压400kV。

经实际应用测试，加速管真空度可达8×10^-5Pa，加速管水平装配于加速器时，通过加速器上两端的安装法兰给加速管施加从两端向中心的轴向力，足以保证加速管水平安装时的刚度和稳定性。

上述实施例仅是采用本实用新型的基本构思应用于强流离子束加速管，而本实用新型的实际应用并不局限于强流离子束加速管，也适用于其它各类的离子束流输运的装置。

Claims (3)

1.一种用于聚变反应加速器中子源的强流离子束加速管，由多个绝缘陶瓷环（2）、不锈钢真空密封法兰（4）、筒状屏蔽电极（7）、加速电极（6）和（8）相互连接而成，其特征在于加速管中设有用于固定相邻陶瓷环（2）、不锈钢真空密封法兰（4）的压环（12）和（5），其中：在每个陶瓷环的两个端面上分别开设有用于放置真空密封的O型密封圏的凹槽（3），在与陶瓷环的真空密封端面相垂直的圆周外缘面上分别开设有用于放置O型缓冲圏的凹槽（10）；在不锈钢真空密封法兰（4）开设有连接孔（13）；所述的两个压环（12）和（5）上均设置有可与不锈钢真空密封法兰（4）上孔（13）位置对应的装配孔（15）和（16），且两个压环法兰12和5与陶瓷环2圆周面相接触处的环圈内为一斜面，在加速管装配状态下：槽（3）内放置O型密封圈（14），槽（10）内放置周向O型缓冲密封圏（11），固定螺栓穿过两个压环上的孔（15）、（16）以及法兰（4）上的孔（13），用螺栓和相配合的螺母的作用力将两个压环（12）和（5）与法兰（4）固定，同时通过两个压环（12）和（5）内圈的斜面向O型缓冲密封圏（11）施加轴向力将相邻的两个陶瓷环（2）相互固定。

2.根据权利要求1所述的一种用于聚变反应加速器中子源的强流离子束加速管，其特征在于所述的陶瓷环（2）的剖面呈“工”字形。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于聚变反应加速器中子源的强流离子束加速管，其特征在于压环（12）和（5）内圈的斜面为30度。