CN109831868B - 一种一体化小型氘氘中子发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化小型氘氘中子发生器，该发生器的圆筒状陶瓷外壳内设置半球状金属头部，金属头部内设置离子源和离子源电源；金属头部的金属板与发生器底板之间设置内外两层陶瓷绝缘筒，两层陶瓷绝缘筒之间设置隔离供电系统和高压电源，内陶瓷绝缘筒内设置的引出加速电极的后端伸出发生器后与底板外设置的靶托连接，靶托内设置靶，靶位于地电位，靶托设冷却水接口。本发明中靶处于地电位，可以利用0度方向出射的氘氘快中子，降低样品和靶点的距离，提高样品面上的中子通量，冷却系统简单；且高压输出端直接与中子发生器连接，不需要对中子发生器进行馈电，提高了氘束流的能量，进一步提高了中子发生器的中子产额，一体化程度高，移动方便。

Description

一种一体化小型氘氘中子发生器

技术领域

本发明属于中子发生器技术领域，尤其涉及一种一体化小型氘氘中子发生器。

背景技术

氘氘聚变反应中子发生器是利用离子源产生的氘离子，经过加速电场的加速获得能量，在靶上发生氘氘中子聚变的一种加速器中子源，该类型的中子源由于具有产额高，成本低，关机无辐射等特点而在活化分析、中子照相和科学研究中有着重要的应用。特别是，对于可移动式中子照相以及现场中子活化分析而言，由于需要经常性的移动中子发生器，因此需要在保证中子产额的前提下尽可能的减小中子发生器的体积、提高中子发生器的整体化程度和可移动性。

一般来讲，氘氘中子发生器的中子产额随着氘离子能量的提高呈指数增长，随着氘离子流强的提高呈线性增长，因此，可通过提高入射氘离子能量和流强的方式或者增加分析束的方式提高中子产额，且在相同功率下，提高氘离子能量比增加氘离子束流对中子产额的提高更有效。因此，通常都通过提高入射氘离子能量来提高中子产额。但是，高的入射氘离子能量和流强将会导致靶上的功率过大，导致靶冷却的难度加大。虽然采用旋转靶结构可以改善靶上散热情况，但旋转靶装置的结构复杂，体积较大，而在活化分析等领域，期望到达样品的中子通量尽可能高。因此，在中子发生器研制中不但要关注总体产额，还要考量样品面上的中子通量，样品距中子发生器靶点应尽可能小，而旋转靶装置的样品至靶点的距离较大，这也不利于设备整体的小型化。此外，氘氘反应产生的中子具有一定的角度分布，在0度角方向，也就是束流入射方向具有最大的中子强度，因此在实际应用中需要采取措施对0度方向的中子进行利用。

中国专利CN102548181A(申请布日2012.01.19)公开了一种小直径射频驱动氘氘中子管，虽使装置的体积很小，但该中子管的D-D中子产额最大只能达到1×10⁸s^-1量级，且由于中子管采用了真空密封结构，致使靶寿命到达后只能整体报废，无法持续再用。中国专利CN101978429 B(申请日2015.04.29日)和CN105407621B(申请日2015.11.13)分别公开了一种寿命长的高效中子发生器和一种紧凑型D-D中子发生器，这两种中子发生器中靶片都处于高电位端，中子产额较高的0度方向中子无法被利用，且高压馈入和靶片冷却结构复杂，导致靶冷却系统线路较长，水阻较大。中国专利CN104244560A(申请日2014.07.16)公开了一种小型高产额氘氘中子发生器，该中子发生器采用了多孔引出结构，但靶片仍然处于高电位端，且靶片中子发生器内部样品与靶距离较大，靶点发散，导致中子利用效率较低，不能满足中子照相等应用中对小靶点的需求。此外，该发明中没有对中子发生器内部进行不透光屏蔽，长期使用时离子溅射将会导致其陶瓷绝缘支座表面导电，失去绝缘功效。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)靶处于高电位端，增加了靶片冷却系统的复杂程度、降低了冷却系统的效率；对高压馈入要求较高，而且受限于高压电缆的耐压，中子发生器工作电压只能在较低范围内调整；此外，高电位端的靶导致样品与靶片的距离较大，0度方向中子无法被利用，中子利用效率较低，样品面的中子通量低。

(2)中子发生器与高压电源采用分离结构，没有根据中子发生器的用电需求对中子发生器和高压电源进行一体化设计，中子发生器的一体化程度低，不利于中子发生器使用过程中的移动。

发明内容

针对上述背景中指出的现有技术存在的不足，本发明提供了一种一体化小型氘氘中子发生器，提高了氘束流的能量，进一步提高了中子发生器的中子产额，可以对0度方向出射的氘氘快中子加以利用，还降低了样品和靶点的距离，提高了样品面上的中子通量，且该中子发生器冷却结构简单，一体化程度高，使用寿命长，运行稳定性高。

本发明是这样实现的，一种一体化小型氘氘中子发生器，包括圆筒状外壳、圆筒状陶瓷外壳、底板、靶及离子源，所述圆筒状外壳的后端设置底板使圆筒状外壳和底板围成中子发生器的外壳，所述圆筒状外壳的内壁上设置圆筒状陶瓷外壳，所述圆筒状陶瓷外壳内前端设置金属头部，所述金属头部呈半球状，所述金属头部内设置离子源和离子源电源；所述金属头部的金属板与底板之间贴于圆筒状陶瓷外壳的内壁设置外陶瓷绝缘筒，所述外陶瓷绝缘筒内设置内陶瓷绝缘筒，所述外陶瓷绝缘筒与内陶瓷绝缘筒之间设置隔离供电系统和高压电源，所述隔离供电系统与离子源电源电性连接，所述高压电源的输出端与金属头部连接，所述外陶瓷绝缘筒和内陶瓷绝缘筒的前后端分别固定于金属板和底板上；所述内陶瓷绝缘筒内设置引出加速电极，所述引出加速电极的后端伸出底板与底板外侧设置的靶托连接，所述靶托内设置靶，所述靶位于地电位，所述靶托上设置循环冷却水接口，所述中子发生器外设置真空泵。

优选地，所述内陶瓷绝缘筒内金属板的壁上设置离子源引出板，所述离子源引出板上设置不透光屏蔽电极，不透光屏蔽电极将引出加速电极的前端包围在内，所述高压电源与离子源引出板、不透光屏蔽电极连接。不透光屏蔽电极能够防止离子溅射使陶瓷绝缘筒表面导电而失去绝缘功效，提高了中子发生器的寿命和运行稳定性。

优选地，所述引出加速电极为圆筒电极结构，引出加速电极的轴线与离子源的轴线重合。

优选地，所述引出加速电极的外壁上固定永磁铁，所述永磁铁的后端与底板的内壁连接，永磁铁用于抑制二次电子。

优选地，所述引出加速电极的前端头部倒成圆角。

优选地，所述引出加速电极与底板焊接连接。

优选地，所述靶托可拆卸的固定于所述引出加速电极的尾端，所述靶可拆卸的安装于靶托中，能够对靶进行更换。

优选地，所述离子源为潘宁离子源。

优选地，所述圆筒状外壳、金属头部、底板、引出加速电极、不透光屏蔽电极均为不锈钢材料制成。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将氘氘中子发生器的引出加速电极和供电系统集成到了一体，高压输出端直接与中子发生器连接，不需要通过高压电缆对中子发生器进行馈电，可以提高氘束流的能量，进一步提高了中子发生器的中子产额。

(2)本发明中靶处于地电位，一方面可以利用0度方向出射的氘氘快中子，另一方面降低了样品和靶点的距离，大大提高样品面上的中子通量。此外，靶处于地电位，可以直接利用普通水对靶进行冷却，不但降低了对冷却水的要求，而且缩短了冷却系统的回路长度，简化了冷却系统的结构，提高了冷却效率。

(3)本发明中引出加速电极和内陶瓷绝缘筒之间设置不透光屏蔽电极，避免了离子溅射导致的绝缘磁环性能下降，提高了中子发生器的寿命和运行稳定性。

(4)本发明将中子发生器的引出加速电极和供电系统集成到了一体，一体化程度高，便于使用中经常性的移动中子发生器。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种一体化小型氘氘中子发生器的结构示意图。

图中：1-圆筒状外壳，2-陶瓷外壳，3-金属头部，4-外陶瓷绝缘筒，5-隔离供电系统，6-内陶瓷绝缘筒高压电源，7-底板，8-市电输入端，9-永磁铁，10-冷却水入口，11-靶，12-靶托，13-冷却水出口，14-真空泵，15-引出加速电极，16-高压电源，17-离子源引出板，18-离子源，19-不透光屏蔽电极，20-离子源电源，21-金属板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，一种一体化小型氘氘中子发生器，由圆筒状外壳1及其后端设置的底板7围成中子发生器的外壳，圆筒状外壳1的内壁上设置圆筒状陶瓷外壳2，其采用95瓷加工而成。圆筒状陶瓷外壳2内前端设置金属头部3，金属头部3呈半球状，金属头部3内设置离子源18和离子源电源20。

金属头部3的金属板21与底板7之间贴于圆筒状陶瓷外壳2的内壁设置外陶瓷绝缘筒4，外陶瓷绝缘筒4内设置内陶瓷绝缘筒6，外陶瓷绝缘筒4与内陶瓷绝缘筒6之间设置隔离供电系统5和高压电源16，隔离供电系统5与离子源电源20电性连接，高压电源16的输出端与金属头部3连接，高压电源16通过市电输入端8进行供电，高压电源16输出高压最高为400kV，输出电流为200mA。隔离供电系统5上设置市电输入端8，隔离供电系统5为离子源电源20供电，隔离供电系统5可以隔离300kv高压，离子源电源20为离子源18供电，离子源18可采用潘宁离子源，离子源18最高可引出50mA氘离子束。

外陶瓷绝缘筒4和内陶瓷绝缘筒6的前后端分别固定于金属板21和底板7上，使内陶瓷绝缘筒6内形成密闭空腔，中子发生器外设置真空泵14，真空泵14为内陶瓷绝缘筒6的空腔提供真空环境。内陶瓷绝缘筒6内设置引出加速电极15，引出加速电极15的后端伸出底板7与底板7外侧设置的靶托12连接，为了更好的固定引出加速电极15，将引出加速电极15与底板接触处焊接。靶托12内设置靶11，靶11位于地电位，从离子源18引出的氘离子在引出加速电极15内漂移一段距离后到达处于地电位的靶11并与靶11上的材料发生反应产生中子，不仅可以利用0度方向出射的氘氘快中子，而且可以在应用时将样品紧贴靶头外部，降低了样品和靶点的距离，大大提高样品面上的中子通量。

将氘氘中子发生器的引出加速电极15和供电系统集成形成一体，高压输出端直接与中子发生器连接，不需要通过高压电缆对中子发生器进行馈电，可以提高氘束流的能量，进一步提高了中子发生器的中子产额；另外，一体化的结构便于使用中进行移动。

靶托12通过可拆卸的方式固定于引出加速电极15的尾端，靶11可拆卸的安装于靶托12中，能够对靶11进行更换。

靶托12上设置循环冷却水接口，由于靶处于地电位，可以直接利用普通水对靶进行冷却，例如，在靶托12的顶上设置冷却水入口10，底部设置冷却水出口13，通过循环冷却水对靶托12进行冷却，不但降低了对冷却水的要求，而且缩短了冷却系统的回路长度，简化了冷却系统的结构，提高了冷却效率。

内陶瓷绝缘筒6中具体结构的设置为：在内陶瓷绝缘筒6内金属板21的壁上设置离子源引出板17，离子源引出板17上设置不透光屏蔽电极19，不透光屏蔽电极19将引出加速电极15的前端包围在内，避免了离子溅射导致的绝缘磁环性能下降，提高了中子发生器的寿命和运行稳定性，引出加速电极15可采用圆筒电极结构，且引出加速电极15的轴线与离子源18的轴线重合，引出加速电极15的前端头部可进行倒圆角处理。高压电源16与离子源引出板17、不透光屏蔽电极19连接。

为了抑制二次电子，在引出加速电极15的外壁上固定永磁铁9，永磁铁9的后端与底板7的内壁连接固定。

圆筒状外壳1、金属头部3、底板7、引出加速电极15、不透光屏蔽电极19均为不锈钢材料制成。

本发明经过实际运行与测试，结果表明，采用潘宁离子源，在高压为400kV，靶上束流100mA时，中子产额大于1.8×10¹¹s^-1量级，在距离靶10cm处样品面中子通量高于3×10⁸cm^-2s^-1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种一体化小型氘氘中子发生器，其特征在于，包括圆筒状外壳、圆筒状陶瓷外壳、底板、靶及离子源，所述圆筒状外壳的后端设置底板，使圆筒状外壳和底板围成中子发生器的外壳，所述圆筒状外壳的内壁上设置圆筒状陶瓷外壳，所述圆筒状陶瓷外壳内前端设置金属头部，所述金属头部呈半球状，所述金属头部内设置离子源和离子源电源；所述金属头部的金属板与底板之间贴于圆筒状陶瓷外壳的内壁设置外陶瓷绝缘筒，所述外陶瓷绝缘筒内设置内陶瓷绝缘筒，所述外陶瓷绝缘筒与内陶瓷绝缘筒之间设置隔离供电系统和高压电源，所述隔离供电系统与离子源电源电性连接，所述高压电源的输出端与金属头部连接，所述外陶瓷绝缘筒和内陶瓷绝缘筒的前后端分别固定于金属板和底板上；所述内陶瓷绝缘筒内设置引出加速电极，所述引出加速电极的后端伸出底板与底板外侧设置的靶托连接，所述靶托内设置靶，所述靶位于地电位，所述靶托上设置循环冷却水接口，所述中子发生器外设置真空泵。

2.如权利要求1所述的一体化小型氘氘中子发生器，其特征在于，所述内陶瓷绝缘筒内金属板的壁上设置离子源引出板，所述离子源引出板上设置不透光屏蔽电极，不透光屏蔽电极将引出加速电极的前端包围在内，所述高压电源与离子源引出板、不透光屏蔽电极连接。

3.如权利要求2所述的一体化小型氘氘中子发生器，其特征在于，所述引出加速电极为圆筒电极结构，引出加速电极的轴线与离子源的轴线重合。

4.如权利要求3所述的一体化小型氘氘中子发生器，其特征在于，所述引出加速电极的外壁上固定永磁铁，所述永磁铁的后端与底板的内壁连接。

5.如权利要求4所述的一体化小型氘氘中子发生器，其特征在于，所述引出加速电极的前端头部倒成圆角。

6.如权利要求1-5任一项所述的一体化小型氘氘中子发生器，其特征在于，所述引出加速电极与底板焊接连接。

7.如权利要求1所述的一体化小型氘氘中子发生器，其特征在于，所述靶托可拆卸的固定于所述引出加速电极的尾端，所述靶可拆卸的安装于靶托中。

8.如权利要求1所述的一体化小型氘氘中子发生器，其特征在于，所述离子源为潘宁离子源。

9.如权利要求2所述的一体化小型氘氘中子发生器，其特征在于，所述圆筒状外壳、金属头部、底板、引出加速电极、不透光屏蔽电极均为不锈钢材料制成。

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