一种紧凑型D-D中子发生器制造技术

本实用新型专利技术公开一种紧凑型D-D中子发生器。本实用新型专利技术包括：真空腔体、离子源系统、束流引出加速系统、靶系统、高压馈入系统及真空泵系统，其中由离子源产生的离子束流被引出、加速并与靶系统上的氘靶发生D-D聚变核反应放出中子，其真空腔体的两端分别用离子源阳极法兰和第二法兰与离子源系统和束流引出加速系统、靶系统、高压馈入系统实现联接，真空腔体与离子源阳极法兰和高压馈入系统法兰间通过 “O”型圈实现密封，所述的离子源为双等离子源，其内通有D气体。本实用新型专利技术中子产额可大于1×108s-1量级，并可以很方便地更换离子源或靶片等系统及其它的内设部件，同时大大降低了使用的成本。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种中子发生器，特别是一种可适用于中子活化分析或中子照相使用的紧凑型D-D发生器。
技术介绍
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（简称中子发生器），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、快中子应用技术等各个方面。D-D和D-T聚变反应的特点是，在较低的D束流能量下，有较大的反应截面，即可用低能加速器加速D离子束，轰击氘钛（TiD）靶或氚钛（TiT）靶发生氘氘（D-D）或氘氚（D-T）聚变反应产生强的快中子。目前，D-D和D-T中子发生器有两个发展方向，一个是利用倍压式加速器将约几十mA的D离子束加速到300-400keV能量，轰击高速旋转水冷氘钛（TiD）靶或氚钛（TiT）靶，产生强流快中子，D-D和D-T反应快中子产额分别可达到1-5×1010s-1和1-5×1012s-1量级。这种强流中子发生器体积较大，无法用于中子活化分析、中子照相等小型化可移动式中子应用技术装置，主要用于科研实验室，以开展核数据测量、核聚变堆及军工等领域的基础研究；另一个发展方向是小型化的密封中子管，其工作方式是，将0.1-0.2mA的D束流加速到100-120keV能量，轰击氘钛（TiD）靶或氚钛（TiT）靶，其D-D和D-T反应快中子产额一般大于107s-1和109s-1量级，其优点是体积微小，缺点是中子产额难于进一步提高，同时，密封中子管为一次性真空密封元件，靶材耗尽后整个密封中子将报废，使用寿命短，成本高。目前，国内的中子管寿命只能达到几百小时，国际上的中子管寿命可达上千小时。另外，相比较而言，D-T中子管虽然中子产额高，但要使用放射性气体氚，其环保安全性差，D-D中子管不使用放射性气体氚，有更高的环保安全性，但D-D中子管107s-1的中子产额指标偏低，无法很好的满足小型化可移动式中子应用技术装置的要求。现已有多种形式的中子发生器公开并申请了专利。例如：1、中国专利CN102548181A【申请公布日：2012年7月4日】公布了一个小直径射频驱动氘氘中子管，其特点是体积很小，尤其适用于中子测井应用。此中子管DD中子产额虽然可达1×108s-1量级，但由于采取了一次性真空密封结构，1000小时的靶寿命到达后只能整体报废，无法满足工业在线活化分析及其他中子应用技术对使用寿命的要求。2、中国专利CN102548181A【申请公布日：2012年12月24日】公布了一个小型高产额氘氘中子发生器，该专利给出了4个实施方案：1）D束能量100keV，D束流强100mA，采用纯钛靶，靶上束流功率10kw；2）将方案1中的D束流强提高到400mA，采用陶瓷靶，靶上束流功率40kw；3）D束能量200keV，D束流强1000mA，采用纯钛靶，靶上束流功率200kw；4）将方案3中的钛靶换成陶瓷靶，束流提高到4000mA，靶上束流功率8000kw。以上四种实施方案从理论上讲，可以实现DD中子产额大于1011s-1，甚至可达1012s-1，但上述方案靶上束流功率太大，用方案中提到的油冷去无法保证对靶温度的控制，靶寿命将很短，另外，此方案中子发生的高频离子源的天线处于中子发生器的外段，天线发出的高频电磁波将对中子发生器的电源及控制元件产生强的干扰，会造成运行不稳定。3、中国专利CN203748097U【授权公告日2014年7月3日】公布了小型定向中子发生器方案，其特点是在同轴电场加速下，轰击长形定向靶，在靶轴线方向产生高通量的中子，但寿命短与中子管相当。4、中国专利CN203761670U【授权公告日2014年8月6日】公布了一个采用栅极的一种中子发生器方案，其特点是采用栅极有效抑制二次电子反加速加速，产额不高，寿命短与中子管相当。5、中国专利CN101978429B【授权公告日2015年4月29日】公布了一个寿命长的高效中子发生器，该中子发生器采用了高频线圈感应式高频离子源，其特点是D粒子束单原子离子比高（约80%），效率高，但离子源的石英玻璃腔内表面容易因离子溅射形成金属膜，影响高频电磁波馈入放电腔，需要定期清洗维护。现有技术还存在一个共同的不足，即所产生的中子在装置的周围散射，造成使用中的不便，另一方面也会使产生的中子能量衰减而不利于其应用。
技术实现思路
本技术提供一种可克服现有技术不足的、可适用于中子活化分析或中子照相使用的紧凑型D-D中子发生器。本技术的紧凑型D-D中子发生器包括：真空腔体；离子源系统；束流引出加速系统；靶系统；高压馈入系统及真空泵系统；其中由离子源产生的离子束流被引出、加速并与靶系统上的氘靶发生D-D聚变核反应放出中子，其特征在于真空腔体为一段管状构件，其两端分别用离子源阳极法兰和第二法兰与离子源系统和束流引出加速系统、靶系统、高压馈入系统实现联接。真空腔体与离子源阳极法兰和高压馈入系统法兰间分别通过第一和第二“O”型圈实现真空密封，同时由真空泵系统抽气保持真空腔体内为高真空。所述的离子源为双等离子源，其内通有D气体通过放电产生等离子体，通过机械压缩和磁压缩实现高的等离子体密度，能容易引出大于2mA的D离子束流，其束流的D单原子离子比约为50%。本技术的一种紧凑型D-D中子发生器的实施例中，其真空腔体用不锈钢制造，其管壁上设置有连通真空泵的管路，且真空腔体接地；所述的束流引出加速系统包括：一个由不锈钢制成的引出加速电极，由高压馈入系统将负高压馈入到引出加速电极上，在离子源阳极和引出加速电极之间形成电场，从离子源中引出并加速D离子束，D离子束穿过引出加速电极孔到靶上。本技术的一种紧凑型D-D中子发生器的实施例中，其引出加速电极为一筒状结构，筒状的引出加速电极内的筒底上与离子源的离子输出位置相对应位置开设有一个供离子进入并作用于靶材上的准直孔，靶系统设置于筒状的引出加速电极内，所述的靶系统包括靶托、靶片和靶片安装法兰构成，靶片用靶片安装法兰和第三“O”型密封圈安装在靶托上，靶托上设有与冷却管道连通的冷却槽，冷却液经冷却管道和冷却槽对靶片进行良好冷却。本技术的一种紧凑型D-D中子发生器，其高压馈入系统包括：其两端带有凸缘的管状陶瓷高压绝缘构件、用于固定引出加速电极并实现电联接的第一法兰、第二法兰和高压电缆，其中：管状陶瓷高压绝缘构件的两端凸缘与第一法兰和第二法兰间分别用活套法兰和螺钉固定安装，管状陶瓷高压绝缘构件的两端凸缘与活套法兰间用第四“O”型密封圈实现真空密封；管状陶瓷高压绝缘构件的内腔插入高压电缆；高压电缆的外缘设置有冷却液管道，管状陶瓷构件的内腔与高压电缆外缘和冷却管道的间隙间充有如变压器油类的绝缘介质，以实现该区域的良好高压绝缘性能。本技术的一种紧凑型D-D中子发生器，其冷却液管道为绝缘材料制成的绕于高压电缆外缘的螺旋状管道。本技术的一种中子发生器，其特征在于圆筒形真空腔体壁上和筒状束流引出加速电极的筒壁上相对应位置分别设置有中子输出窗口。本技术由于在真空腔体上采用法兰联接离子源和靶系统等，因此可以很方便地更换离子源或靶片等系统及其它的内设部件，这样就可大大方便其应用，同时大大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紧凑型D‑D中子发生器，包括：真空腔体；离子源系统；束流引出加速系统；靶系统；高压馈入系统及真空泵系统；其中由离子源产生的离子束流被引出、加速并与靶系统上的氘靶发生D‑D聚变核反应放出中子，其特征在于真空腔体为一段管状构件，其两端分别用离子源阳极法兰和第二法兰与离子源系统和束流引出加速系统、靶系统、高压馈入系统实现联接，真空腔体与离子源阳极法兰和高压馈入系统法兰间分别通过第一和第二“O”型圈实现真空密封，同时由真空泵系统抽气保持真空腔体内为高真空，所述的离子源为双等离子源，其内通有D气体。

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型D-D中子发生器，包括：真空腔体；离子源系统；束流引出加速系统；靶系
统；高压馈入系统及真空泵系统；其中由离子源产生的离子束流被引出、加速并与靶系统上
的氘靶发生D-D聚变核反应放出中子，其特征在于真空腔体为一段管状构件，其两端分别用
离子源阳极法兰和第二法兰与离子源系统和束流引出加速系统、靶系统、高压馈入系统实
现联接，真空腔体与离子源阳极法兰和高压馈入系统法兰间分别通过第一和第二“O”型圈
实现真空密封，同时由真空泵系统抽气保持真空腔体内为高真空，所述的离子源为双等离
子源，其内通有D气体。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型D-D中子发生器，其特征在于：所述的真空腔体用
不锈钢制造，其管壁上设置有连通真空泵的管路，且真空腔体接地；所述的束流引出加速系
统包括：一个由不锈钢制成的引出加速电极，由高压馈入系统将负高压馈入到引出加速电
极上，在离子源阳极和引出加速电极之间形成电场，从离子源中引出并加速D离子束，D离子
束穿过引出加速电极孔到靶上。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑型D-D中子发生器，其特征在于：引出加速电极为一
筒状结构，筒状的引出加速电极内的筒底上与离子源的离子输出位置相对应位置开设有一
个供离子进入并作用于靶材...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚泽恩，王俊润，张宇，韦铮，徐大鹏，卢小龙，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：新型
国别省市：甘肃;62