用于中子照相的定向高通量中子发生器设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国工程物理研究院核物理与化学研究所 作者:唐君

  近几年,在无损探伤领域,中子照相技术发展非常迅猛,对中子发生器提出了体积小、寿命长、通量高、准直比高的技术要求。为此设计了一台用于快中子照相的定向高通量小型中子发生器,采用矩形结构潘宁离子源。引出的具有一定长度和流强的带状氘离子或氘氚混合离子束,在离子源与靶构成的同轴高压电场加速下,轰击对应的长形定向自成靶,发生氘氘或者氘氚反应,在靶轴线方向产生高通量、高准直比的快中子束,中子产额5 × 1011 n /s。模拟结果表明,成像屏上的中子注量提高了两个数量级,不均匀度小于5 × 10-3 ,满足中子照相对高准直比和高通量的要求,因此成像质量高,照相时间短,工作效率高。解决了现有中子发生器体积大、有效中子通量低和靶寿命短的问题,可用于构建移动式快中子照相系统。

  中子具有穿透力强的特点,作为X 射线无损检测的互补手段,中子无损检测具有较大的发展潜力。随着中子应用技术的发展,对中子源提出了更多的需求。在中子应用上所用的中子源一般分为放射源中子源和人造中子源,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。人造中子源又分为反应堆中子源和加速器中子源,其中加速器中子源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(氘氘) 或D/T(氘氚) 聚变反应,在4π 方向上放出中子。

  国内中子应用技术起步较晚,目前多采用的大型固定加速器中子源。随着近几年中子应用技术的发展,该技术可使用于海关、机场、车站等各种场合。为了使该技术具有更广泛的应用前景,对中子源的小型化提出了进一步要求。虽然中子管体积小,可以很方便地移动,但其工作寿命短,中子产额不高。

  因此,本文设计了一种小型定向高通量中子发生器,该中子发生器具有在特定方向上输出高通量和高准直比中子束的特点。

  1、定向高通量中子发生器的原理及结构

  传统的中子发生器主要由离子源、加速管和靶室组成。离子源是通过电离产生的氘等离子体,在等离子体中的氘离子通过一个小孔被引出,引出的氘离子被加速到100 keV 以上轰击一块金属靶。靶片一般预载氘或氚,或者非常容易吸收氘氚的靶。D/D 与D/T 反应分别产生2.45 和14.1 MeV 能量的中子,如式(1) ,式(2) 所示。

用于中子照相的定向高通量中子发生器设计

  由于传统的中子发生器一般采用的是单孔引出系统,中子产额受限于离子源的性能和束流大小。D/D反应截面的中子通量要比D/T反应截面低两个量级,所以中子发生器一般使用D/T聚变反应产生中子。在传统中子发生器中,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杂,体积庞大,有运动机构,可靠性稍差,成本较高;三是采用气体靶的方法,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,真空系统庞大,造价高。

  因此,提出了一种小型中子发生器的设计,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在特定方向上通量低,准直性能差,或技术复杂,体积庞大,成本高的问题。本文采用潘宁离子源引出宽幅离子束,轰击同轴长形靶,既保证引出离子束流强不受限制,又保证靶上沉积功率不受限制,总的中子产额很高。更为有益的效果是在特定方向上可以输出高通量和高准直比中子束。

小型定向高通量中子发生器的结构示意图

图1 小型定向高通量中子发生器的结构示意图

  图1 是小型定向高通量中子发生器的结构示意图(1. 长形靶;2. 离子源;3. 高压引入芯线;4. 高压引入绝缘座;5. 陶瓷绝缘支撑;6. 储气材料;7. 高压圆筒电极;8. 靶屏蔽极;9. 圆柱形真空外壳;10. 冷却管路;11. 定向出射中子;12. 被照射物) 。小型定向高通量中子发生器主要由真空腔室、潘宁离子源、加速电极、供气系统和靶等组成。真空腔室内部真空度保持在10 -1 Pa。初始真空建立后,系统真空由吸气剂维持。吸气剂预先吸附了充足的D(氘) 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。

  与其他离子源比较,潘宁离子源具有以下优点:①因为没有灯丝,在活性气体中工作寿命长;②结构简单、易于清洗;③电源系统简单,因而在中子发生器高电位端选用潘宁源是比较合适的。离子源阴极上开一排引出孔或者长条形孔,引出宽离子束。调节孔径或开口尺寸,可以改变不同位置引出离子束的强度,在靶上产生需要的中子源密度分布。在离子源引出口和靶之间对应位置开一条尺寸略大于离子束的条形孔,形成离子束的入射通道。文献中表明,当放电电压为1200 V,真空度为10-2 Pa 时,离子束密度可达0.5 ~2.5 mA/cm2,总的束流可达250 mA。

  与靶之间施加- 300 V 的直流电位,阻止靶上产生的二次电子溢出到加速电场中。靶屏蔽极的尺寸比靶大,成圆柱形状,头部设置一个大尺寸的高压球壳,有效降低了表面场强,提升发生器的整体耐压性能。长形靶放置在高电位,内部有冷却结构,将离子束轰击产生的热量带走。长形定向靶面有一定倾斜角度,其上产生的中子可以顺利地在规定方向出射。靶截面形状和尺寸则可根据应用需要任意调整,在特定方向上获得所需的高通量、高准直比中子束。

  5、结论

  运用束流引出理论,设计了定向高通量中子发生器的引出系统和初聚焦系统,计算确定了它们的结构、几何参数以及其它主要技术参数。根据离子光学原理设计了定向高通量中子发生器的束流传输过程;设计上引入了离子光学解析和模拟计算相结合方式,运用PIC 方式计算了束流在束流光学系统中的传输情况,直观地反映了设计是否合理。模拟计算的结果表明设计的束流光学系统是合理的。定向高通中子发生器在成像屏上得到提高两个数量级的中子注量,且不均匀度小于5‰,满足中子照相对高准直比和高产额的要求,保证了成像质量,缩短了照相时间。

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