[发明专利]小型定向高通量中子发生器

说明书

技术领域

本发明涉及核技术及应用领域，尤其涉及一种小型的加速器中子发生器。

背景技术

小型中子源一般分为放射源中子源和加速器中子源，放射源中子源是利用放射性核素来产生中子，产额较低，寿命短。加速器中子源产额高，关断电源后没有中子产生，使用方便，可控性好，安全性较高。

加速器中子源是利用离子源产生的氘离子或氘氚混合离子，经过加速电场的加速，获得较高的能量，在靶上发生D/D或D/T聚变反应，在4π方向上放出中子。离子束轰击靶时产生很高的能量沉积，即使在通水冷却的条件下，靶上能够承受的功率密度也必须控制在一个合理的范围，保证靶的正常使用。

要进一步提升中子产额，必须增加离子束流强度或者离子束能量，都会在靶上产生更大的沉积功率。目前采用三种方式提升靶承受沉积功率的能力：一是加大离子束束斑直径，这种方法的优点是靶上可以承受更多的离子束注入，总的中子产额增加，这种方法的缺点是中子源的点源特性变差，准直比降低，这在很多应用领域都是不利的，比如：快中子照相、中子治疗、爆炸物检测等。二是中国专利CN203057673U（公开日为2013年1月27日）公开了一种采用旋转靶方式增加靶面积的方法，该方法的优点是可以在不增加束斑尺寸的条件下，提升靶承受沉积功率的能力，进而提升中子产额和通量，该方法的缺点是结构复杂，体积庞大，有运动机构，可靠性稍差，成本较高；三是中国专利CN201010238639.5（公开日为2010年7月28日）公开了一种采用气体靶的方法，该方法的优点是无固定靶，产额高，靶寿命长，该方法的缺点是技术难度高，真空系统体积庞大，能耗高，造价高。上述三种方法，缺少增加离子源强度的空间，在进一步需要提升中子通量时，离子源引出强度不足将成为制约中子产额提升的瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种小型中子发生器，在特定方向上产生高通量高准直比中子束，解决目前高产额中子发生器要么在特定方向上通量低，准直性能差，要么技术复杂，体积庞大，成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种小型定向高通量中子发生器，其特征在于，包括矩形潘宁离子源、同轴结构加速段、长形定向靶，所述矩形潘宁离子源、长形定向靶安装在所述同轴结构加速段内，所述矩形潘宁离子源沿所述长形定向靶的长度方向安装，所述长形定向靶的轴向为中子出射方向。所述同轴结构加速段提供同轴电场，所述矩形潘宁离子源引出的氘离子或氘氚混合离子，在同轴电场加速下，轰击对应的长形定向靶，产生高通量中子。采用长形定向靶后，长度的变化不影响其轴向投影面积，中子产额却大幅度增加，因此，在此方向上，单位立体角内中子通量大幅度增加，尤其适合高通量高准直比的应用场合。

所述同轴结构加速段包括圆筒形电极、靶屏蔽极，高压电源产生的高电位施加在圆筒形电极上，所述圆筒形电极与靶屏蔽极形成离子束引出、加速、聚焦所需的电场。

所述矩形潘宁离子源放置在所述圆筒形电极内，圆筒形电极放置在高电位端，所述长形定向靶放置在地电位端，所述矩形潘宁离子源阴极上开有引出孔或者长条形孔，用于引出宽离子束。

所述长形定向靶包括长形定向靶本体和内部冷却水通道，所述内部冷却水通道位于所述靶本体内，所述内部冷却水通道与外部的冷却水接入管道相连接。

所述小型定向高通量中子发生器，还包括真空外壳，所述矩形潘宁离子源、同轴结构加速段、长形定向靶分别安装在所述真空外壳内，所述真空外壳上设有薄壁区，作为中子定向出射区，所述长形定向靶的轴向对准该薄壁区；所述真空外壳内还安装吸气剂，所述吸气剂预先吸附了充足的D气或D/T混合气体，通过改变吸气剂中加热子的加热功率，控制D或D/T混合气体的释放与吸收，保持系统内部真空度在合适的范围。

所述圆筒形电极通过高压绝缘座安装在所述真空外壳内，所述靶屏蔽极通过陶瓷绝缘结构支撑安装在所述真空外壳内。

所述靶屏蔽极罩在长形定向靶上；靶屏蔽极与所述长形定向靶之间存在电位差，用于抑制靶上二次电子进入加速段，保护离子源免于反向电子束的轰击。

靶屏蔽极成圆柱形状，头部设置一个大尺寸的高压球壳。这样有效降低了表面场强，提升发生器的整体耐压性能。

优选的，所述长形定向靶为长条形、长圆柱体形或长多面体结构，其轴向的投影面积小，轴向输出中子的点源特性很好。

所述矩形离子源的数量为一个或多个，沿所述长形定向靶的圆周放置，成倍增加离子束的强度；靶上对应位置成为轰击区域，中子产额成倍增加。