CN216146500U - 一种中子发生器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种中子发生器装置，所述装置设置于一不锈钢外壳中，所述不锈钢外壳设有相互垂直设置的水平法兰接口与竖直法兰接口，所述不锈钢外壳中设有变压器油填充区与高真空区；还设有离子源部件、束流聚焦部件、旋转氚靶部件、α粒子探测器，其中，所述离子源部件设置于所述变压器油填充区内，所述束流聚焦部件与所述旋转氚靶设置于所述高真空区，所述α粒子探测器设置于所述竖直法兰接口内。本实用新型有益效果在于，提供具有100％的单原子氘离子比例，并能够有效降低高压加速打火概率，同时保证靶端无二次电子发射，可以在保证中子产额和小束斑要求下，有效降低束流强度，大幅增加工作寿命，是带伴随α粒子探测器中子发生器的理想选择。

Description

一种中子发生器装置

技术领域

本实用新型涉及核能技术领域，具体涉及一种中子发生器装置。

背景技术

在物质识别和探测领域，利用中子的质询技术有很多种，其中基于带伴随α粒子探测器的中子发生器，建立的标记中子识别方法，是一种重要和先进的探测方法，具有同时给出成分含量和位置信息的特点和优势，可以实现检测区域的三维空间定位检测和较高的空间分辨本领。

物质识别探测过程中，通过探测与中子产生相伴随的α粒子，结合中子飞行时间技术，由延时符合检测待测物质被中子诱发的特征γ射线和裂变中子，来识别和分析物质成分、含量和位置等信息。基于带伴随α粒子探测器的中子发生器的标记中子识别系统，具有结构简单、尺寸紧凑、分辨率高等特点，在隐匿物探测、核材料识别和检测等方面具有重要用途。

标记中子识别方法涉及的核心部件之一就是带伴随α粒子探测器的中子发生器，其关键性能参数有中子产额、寿命、可靠性和便携性等。现有技术的核心瓶颈问题是缺乏高产额、小束斑、长寿命的便携式带伴随α粒子探测器的中子发生器，这直接制约了该技术的可实用化。其中具体的技术存在缺陷有：

在离子源方面，现有技术均采用正离子源，如潘宁离子源，由于正离子源产生的离子成分复杂，单原子氘离子比例不高，使得束流效率偏低。另外还存在增加高压击穿打火概率和引起靶面次级电子发射等问题。

在束流光学方面，现有技术采用潘宁源正离子轴向引出，受离子源磁场以及引出孔烧蚀的影响，束流聚焦困难。另外为保证中子产额，正离子情况下的空间电荷效应将使束流更难聚焦，很难获得小的束斑尺寸。

在靶部件方面，现有技术下为实现小束斑的要求，将增加靶的烧蚀，降低使用寿命。

在制作工艺方面，现有技术涉及到氘氚气体的使用，这就存在氚气使用的辐射安全风险，工艺复杂，对制作场所和工艺调节要求高。

在装置性能方面，工作寿命与中子产额和分辨率正好相互制约，为获得高的中子产额和好的分辨率，现有技术需要提高束流强度，并减小束斑，这将加剧靶的烧蚀，从而降低工作寿命。

实用新型内容

鉴于现有技术的缺陷，本实用新型的目的是提供一种中子发生器装置，可以解决目前制约束斑尺寸和工作寿命的关键物理问题。

为了实现上述技术目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种中子发生器装置，所述装置设置于一不锈钢外壳中，所述不锈钢外壳设有相互垂直设置的水平法兰接口与竖直法兰接口，所述不锈钢外壳中设有变压器油填充区与高真空区；还设有离子源部件、束流聚焦部件、旋转氚靶部件、α粒子探测器，其中，所述离子源部件设置于所述变压器油填充区内，所述束流聚焦部件与所述旋转氚靶设置于所述高真空区，所述α粒子探测器设置于所述竖直法兰接口内；当所述离子源部件放电产生等离子体，负氘离子从引出电极被高压电场引出后，进入所述束流聚焦传输部件，经电场聚焦后，轰击所述旋转氚靶部件，在所述旋转氚靶部件内发生D-T核反应产生中子和α粒子；由于中子不带电，穿透力强，将从所述中子发生器装置中射出，相伴产生的α粒子轰击所述α粒子探测器，通过记录其位置和时间信号，从而标记出射的中子。

需要说明的是，所述旋转氚靶部件包括旋转电机、旋转靶座与氚靶，其中，所述旋转靶座设置于所述旋转电机的转轴上，所述氚靶设置于所述旋转靶座上；所述氚靶与束流方向的夹角为45度，且与α粒子探测器180度对称分布区域无所述旋转氚靶部件遮挡。

需要说明的是，所述束流聚焦部件包括高绝缘陶瓷管、加速电极和电子吸收电极，所述离子源部件与所述高绝缘陶瓷管的外侧面的一端焊接，所述加速电极焊接与所述高绝缘陶瓷管内另一端且与所述离子源部件的中心线位于同一轴线上。

需要说明的是，所述离子源部件包括离子源外壳、高压电源、离子源电源、储气剂激活电源、三芯同轴电缆、三芯同轴高压馈电接头、高压绝缘座、离子源永磁铁与离子源储气剂器件，其中，所述三芯同轴电缆与所述三芯同轴高压馈电接头连接，所述三芯同轴高压馈电接头安装于所述高压绝缘座上，所述离子源电源的输出与离子源阴极和对阴极连接，所述储气剂激活电源的输出与与离子源储气剂的电极连接。

需要说明的是，所述所述高绝缘陶瓷管的一端与所述离子源外壳焊接。

需要说明的是，所述离子源外壳、离子源永磁铁、高压绝缘座均浸泡于变压器油填充区。

需要说明的是，所述α粒子探测器的中心正对束流轰击旋转氚靶部件的氚靶的束斑中心。

需要说明的是，还设有吸气剂泵，所述吸气剂泵通过焊接或真空法兰固定方式安装于所述高真空区，维持所述高真空区的真空度达到1×10^-3Pa以下。

需要进一步说明的是，本实用新型的氚靶是环形氚靶，其通过螺钉或插接方式与旋转靶座固定，旋转靶座与旋转电机的转轴焊接固定，转轴与真空轴承安装，这样便可实现真空下的高速转动。

需要进一步说明的是，本实用新型中的变压器油通过油循环口填充满变压器油填充区，同时实现变压器油的循环流动，起到带走离子源端热量的作用。

需要进一步说明的是，氚靶可以根据工作参数的不同选择不同的转速，实际工作时，束流轰击束斑变为一圆环，降低束流沉积功率密度，减小氚靶烧蚀。

本实用新型有益效果在于：

1、采用负离子源技术，与现有技术采用的正离子源相比，可提供具有100％的单原子氘离子比例，并能够有效降低高压加速打火概率，同时保证靶端无二次电子发射，可以在保证中子产额和小束斑要求下，有效降低束流强度，大幅增加工作寿命，是带伴随α粒子探测器中子发生器的理想选择。

2、采用聚焦离子光学结构技术，可有效减小加速电极的电流，减少离子束流的碰壁损失。同时做到有效的三相点和带电粒子屏蔽，能够有效保证整管的高压绝缘，保证加速间隙空间束流处于电场约束聚焦力的作用，束流不会发散。当束流通过加速极后，将进入无场自由漂移区，能够保证即使在自身空间电荷效应作用而发散的情况下，轰击靶面时束斑也满足不大于2mm的要求。

3、采用旋转氚靶技术，在针对小束斑和长寿命的要求，特别是亚毫米束斑情况下，可有效解决束流沉积功率密度太大以及氘离子注入引起的氚原子稀释等问题，解决制约中子发生器寿命关键因素——氚靶寿命问题。

附图说明

图1是中子发生器装置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，本实用新型为一种中子发生器装置，所述装置设置于一不锈钢外壳1中，所述不锈钢外壳1设有相互垂直设置的水平法兰接口2与竖直法兰接口3，所述不锈钢外壳1中设有变压器油填充区100与高真空区200；还设有离子源部件、束流聚焦部件、旋转氚靶部件、α粒子探测器4，其中，所述离子源部件设置于所述变压器油填充区100内，所述束流聚焦部件与所述旋转氚靶设置于所述高真空区200，所述α粒子探测器4设置于所述竖直法兰接口3内；当所述离子源部件放电产生等离子体，负氘离子从引出电极被高压电场引出后，进入所述束流聚焦传输部件，经电场聚焦后，轰击所述旋转氚靶部件，在所述旋转氚靶部件内发生D-T核反应产生中子和α粒子；由于中子不带电，穿透力强，将从所述中子发生器装置中射出，相伴产生的α粒子轰击所述α粒子探测器，通过记录其位置和时间信号，从而标记出射的中子。

进一步的，如图1所示，所述旋转氚靶部件包括旋转电机5、旋转靶座6与氚靶，其中，所述旋转靶座6设置于所述旋转电机5的转轴上51，所述氚靶设置于所述旋转靶座上；所述氚靶与束流方向的夹角为45度，且与α粒子探测器4以180度对称分布区域无所述旋转氚靶部件遮挡。

进一步的，如图1所示，所述束流聚焦部件包括高绝缘陶瓷管7、加速电极和电子吸收电极，所述离子源部件与所述高绝缘陶瓷管7的外侧面的一端焊接，所述加速电极焊接与所述高绝缘陶瓷管7内且与所述离子源部件的中心线位于同一轴线上。

进一步的，如图1所示，所述离子源部件包括离子源外壳8、高压电源9、离子源电源10、储气剂激活电源11、三芯同轴电缆、三芯同轴高压馈电接头、高压绝缘座、离子源永磁铁与离子源储气剂器件，其中，所述三芯同轴电缆与所述三芯同轴高压馈电接头连接，所述三芯同轴高压馈电接头安装于所述高压绝缘座上，所述离子源电源10的输出与离子源阴极和对阴极连接，所述储气剂激活电源11的输出与与离子源储气剂的电极连接。

需要说明的是，所述所述高绝缘陶瓷管的一端与所述离子源外壳焊接。

需要说明的是，所述离子源外壳、离子源永磁铁、高压绝缘座均浸泡于变压器油填充区。

需要说明的是，所述α粒子探测器的中心正对束流轰击旋转氚靶部件的氚靶的束斑中心。

需要进一步说明的是，本实用新型的氚靶是环形氚靶，其通过螺钉或插接方式与旋转靶座固定，旋转靶座与旋转电机的转轴焊接固定，转轴与真空轴承安装，这样便可实现真空下的高速转动。

进一步的，如图1所示，本实用新型中的变压器油通过油循环口12填充满变压器油填充区，同时实现变压器油的循环流动，起到带走离子源端热量的作用。

进一步的，如图1所示，还设有吸气剂泵13，所述吸气剂泵13通过焊接或真空法兰固定方式安装于所述高真空区，维持所高真空区的真空度达到1×10^-3Pa以下

需要进一步说明的是，氚靶可以根据工作参数的不同选择不同的转速，实际工作时，束流轰击束斑变为一圆环，降低束流沉积功率密度，减小氚靶烧蚀。

实施例

离子源放电产生等离子体，负氘离子从引出电极被高压电场引出后，进入束流聚焦传输部件，经电场聚焦后，轰击旋转氚靶，在氚靶内发生D-T核反应产生中子和α粒子。中子不带电，穿透力强，向下从中子发生器中射出，相伴产生的α粒子向上轰击α粒子探测器，记录其位置和时间信号，从而起到标记中子的作用。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变，而所有的这些改变，或改为其他用途使用，都应该包括在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种中子发生器装置，所述装置设置于一不锈钢外壳中，所述不锈钢外壳设有相互垂直设置的水平法兰接口与竖直法兰接口，其特征在于，所述不锈钢外壳中设有变压器油填充区与高真空区；还设有离子源部件、束流聚焦部件、旋转氚靶部件、α粒子探测器，所述离子源部件设置于所述变压器油填充区内，所述束流聚焦部件与所述旋转氚靶设置于所述高真空区，所述α粒子探测器设置于所述竖直法兰接口内；其中：

所述旋转氚靶部件被配置为用于发生D-T核反应产生中子和α粒子；

所述离子源部件具有引出电极，所述离子源部件被配置为用于放电产生等离子体，使负氘离子被引出；

所述束流聚焦部件被配置为用于将负氘离子经电场聚焦后，轰击所述旋转氚靶部件；

所述α粒子探测器被配置为用于记录α粒子的位置和时间信号，且对出射的中子进行标记。

2.根据权利要求1所述的中子发生器装置，其特征在于，所述旋转氚靶部件包括旋转电机、旋转靶座与氚靶，其中，所述旋转靶座设置于所述旋转电机的转轴上，所述氚靶设置于所述旋转靶座上；所述氚靶与束流方向的夹角为45度，且与α粒子探测器180度对称分布区域无所述旋转氚靶部件遮挡。

3.根据权利要求1所述的中子发生器装置，其特征在于，所述束流聚焦部件包括高绝缘陶瓷管、加速电极和电子吸收电极，所述离子源部件与所述高绝缘陶瓷管的外侧面的一端焊接，所述加速电极焊接与所述高绝缘陶瓷管内另外一端且与所述离子源部件的中心线位于同一轴线上。

4.根据权利要求1或3所述的中子发生器装置，其特征在于，所述离子源部件包括离子源外壳、高压电源、离子源电源、储气剂激活电源、三芯同轴电缆、三芯同轴高压馈电接头、高压绝缘座、离子源永磁铁与离子源储气剂器件，其中，所述三芯同轴电缆与所述三芯同轴高压馈电接头连接，所述三芯同轴高压馈电接头安装于所述高压绝缘座上，所述离子源电源的输出与离子源阴极和对阴极连接，所述储气剂激活电源的输出与离子源储气剂的电极连接。

5.根据权利要求4所述的中子发生器装置，其特征在于，所述高绝缘陶瓷管的一端与所述离子源外壳焊接。

6.根据权利要求4所述的中子发生器装置，其特征在于，所述离子源外壳、离子源永磁铁、高压绝缘座均浸泡于变压器油填充区。

7.根据权利要求1所述的中子发生器装置，其特征在于，所述α粒子探测器的中心正对束流轰击旋转氚靶部件的氚靶的束斑中心。

8.根据权利要求1所述的中子发生器装置，其特征在于，还设有吸气剂泵，所述吸气剂泵通过焊接或真空法兰固定方式安装于所述高真空区，维持所述高真空区的真空度达到1×10-3Pa以下。

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