一種緊湊型d-d中子發(fā)生器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種中子發(fā)生器，特別是一種可適用于中子活化分析或中子照相使用的緊湊型D-D發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002]強(qiáng)流氘氘(D-D)和氘氚(D-T)聚變反應(yīng)加速器中子源是重要的單能中子源(簡(jiǎn)稱中子發(fā)生器)，可廣泛應(yīng)用于核數(shù)據(jù)測(cè)量、核聚變堆基礎(chǔ)研究、軍工基礎(chǔ)研究、快中子應(yīng)用技術(shù)等各個(gè)方面。D-D和D-T聚變反應(yīng)的特點(diǎn)是，在較低的D束流能量下，有較大的反應(yīng)截面，即可用低能加速器加速D離子束，轟擊氘鈦(TiD)靶或氚鈦(TiT)靶發(fā)生氘氘(D-D)或氘氚(D-T)聚變反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)的快中子。
[0003]目前，D-D和D-T中子發(fā)生器有兩個(gè)發(fā)展方向，一個(gè)是利用倍壓式加速器將約幾十mA的D離子束加速到300-400keV能量，轟擊高速旋轉(zhuǎn)水冷氘鈦(TiD)靶或氚鈦(TiT)靶，產(chǎn)生強(qiáng)流快中子，D-D和D-T反應(yīng)快中子產(chǎn)額分別可達(dá)到Ι-δΧΚ^ s1和1-5Χ1012 s 1量級(jí)。這種強(qiáng)流中子發(fā)生器體積較大，無(wú)法用于中子活化分析、中子照相等小型化可移動(dòng)式中子應(yīng)用技術(shù)裝置，主要用于科研實(shí)驗(yàn)室，以開展核數(shù)據(jù)測(cè)量、核聚變堆及軍工等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究；另一個(gè)發(fā)展方向是小型化的密封中子管，其工作方式是，將0.1-0.2mA的D束流加速到100-120keV能量，轟擊氘鈦(TiD)靶或氚鈦(TiT)靶，其D-D和D-T反應(yīng)快中子產(chǎn)額一般大于107 s1和109 s1量級(jí)，其優(yōu)點(diǎn)是體積微小，缺點(diǎn)是中子產(chǎn)額難于進(jìn)一步提高，同時(shí)，密封中子管為一次性真空密封元件，靶材耗盡后整個(gè)密封中子將報(bào)廢，使用壽命短，成本高。目前，國(guó)內(nèi)的中子管壽命只能達(dá)到幾百小時(shí)，國(guó)際上的中子管壽命可達(dá)上千小時(shí)。
[0004]另外，相比較而言，D-T中子管雖然中子產(chǎn)額高，但要使用放射性氣體氚，其環(huán)保安全性差，D-D中子管不使用放射性氣體氚，有更高的環(huán)保安全性，但D-D中子管107 s 1的中子產(chǎn)額指標(biāo)偏低，無(wú)法很好的滿足小型化可移動(dòng)式中子應(yīng)用技術(shù)裝置的要求。
[0005]現(xiàn)已有多種形式的中子發(fā)生器公開并申請(qǐng)了專利。例如:1、中國(guó)專利CN102548181A【申請(qǐng)公布日:2012年7月4日】公布了一個(gè)小直徑射頻驅(qū)動(dòng)氘氘中子管，其特點(diǎn)是體積很小，尤其適用于中子測(cè)井應(yīng)用。此中子管DD中子產(chǎn)額雖然可達(dá)IX 10s s1量級(jí)，但由于采取了一次性真空密封結(jié)構(gòu)，1000小時(shí)的靶壽命到達(dá)后只能整體報(bào)廢，無(wú)法滿足工業(yè)在線活化分析及其他中子應(yīng)用技術(shù)對(duì)使用壽命的要求。2、中國(guó)專利CN102548181A【申請(qǐng)公布日:2012年12月24日】公布了一個(gè)小型高產(chǎn)額氘氘中子發(fā)生器，該專利給出了4個(gè)實(shí)施方案:1) D束能量100keV，D束流強(qiáng)100mA，采用純鈦靶，靶上束流功率10kw ;2)將方案1中的D束流強(qiáng)提高到400mA，采用陶瓷靶，靶上束流功率40kw ;3)D束能量200keV，D束流強(qiáng)1000mA，采用純鈦靶，靶上束流功率200kw ;4)將方案3中的鈦靶換成陶瓷靶，束流提高到4000mA，靶上束流功率8000kw。以上四種實(shí)施方案從理論上講，可以實(shí)現(xiàn)DD中子產(chǎn)額大于1011 ^，甚至可達(dá)川12 s1，但上述方案靶上束流功率太大，用方案中提到的油冷去無(wú)法保證對(duì)靶溫度的控制，靶壽命將很短，另外，此方案中子發(fā)生的高頻離子源的天線處于中子發(fā)生器的外段，天線發(fā)出的高頻電磁波將對(duì)中子發(fā)生器的電源及控制元件產(chǎn)生強(qiáng)的干擾，會(huì)造成運(yùn)行不穩(wěn)定。3、中國(guó)專利CN203748097U【授權(quán)公告日2014年7月3日】公布了小型定向中子發(fā)生器方案，其特點(diǎn)是在同軸電場(chǎng)加速下，轟擊長(zhǎng)形定向革G，在革E1軸線方向產(chǎn)生高通量的中子，但壽命短與中子管相當(dāng)。4、中國(guó)專利CN203761670U【授權(quán)公告日2014年8月6日】公布了一個(gè)采用柵極的一種中子發(fā)生器方案，其特點(diǎn)是采用柵極有效抑制二次電子反加速加速，產(chǎn)額不高，壽命短與中子管相當(dāng)。5、中國(guó)專利CN101978429B【授權(quán)公告日2015年4月29日】公布了一個(gè)壽命長(zhǎng)的高效中子發(fā)生器，該中子發(fā)生器采用了高頻線圈感應(yīng)式高頻離子源，其特點(diǎn)是D粒子束單原子離子比高(約80%)，效率高，但離子源的石英玻璃腔內(nèi)表面容易因離子濺射形成金屬膜，影響高頻電磁波饋入放電腔，需要定期清洗維護(hù)?，F(xiàn)有技術(shù)還存在一個(gè)共同的不足，即所產(chǎn)生的中子在裝置的周圍散射，造成使用中的不便，另一方面也會(huì)使產(chǎn)生的中子能量衰減而不利于其應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種可克服現(xiàn)有技術(shù)不足的、可適用于中子活化分析或中子照相使用的緊湊型D-D中子發(fā)生器。
[0007]本發(fā)明的緊湊型D-D中子發(fā)生器包括:真空腔體；離子源系統(tǒng)；束流引出加速系統(tǒng)；靶系統(tǒng)；高壓饋入系統(tǒng)及真空栗系統(tǒng)；其中由離子源產(chǎn)生的離子束流被引出、加速并與靶系統(tǒng)上的氘靶發(fā)生D-D聚變核反應(yīng)放出中子，其特征在于真空腔體為一段管狀構(gòu)件，其兩端分別用離子源陽(yáng)極法蘭和第二法蘭與離子源系統(tǒng)和束流引出加速系統(tǒng)、靶系統(tǒng)、高壓饋入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。真空腔體與離子源陽(yáng)極法蘭和高壓饋入系統(tǒng)法蘭間分別通過(guò)第一和第二“0”型圈實(shí)現(xiàn)真空密封，同時(shí)由真空栗系統(tǒng)抽氣保持真空腔體內(nèi)為高真空。所述的離子源為雙等離子源，其內(nèi)通有D氣體通過(guò)放電產(chǎn)生等離子體，通過(guò)機(jī)械壓縮和磁壓縮實(shí)現(xiàn)高的等離子體密度，能容易引出大于2mA的D離子束流，其束流的D單原子離子比約為50%。
[0008]本發(fā)明的一種緊湊型D-D中子發(fā)生器的實(shí)施例中，其真空腔體用不銹鋼制造，其管壁上設(shè)置有連通真空栗的管路，且真空腔體接地；所述的束流引出加速系統(tǒng)包括:一個(gè)由不銹鋼制成的引出加速電極，由高壓饋入系統(tǒng)將負(fù)高壓饋入到引出加速電極上，在離子源陽(yáng)極和引出加速電極之間形成電場(chǎng)，從離子源中引出并加速D離子束，D離子束穿過(guò)引出加速電極孔到靶上。
[0009]本發(fā)明的一種緊湊型D-D中子發(fā)生器的實(shí)施例中，其引出加速電極為一筒狀結(jié)構(gòu)，筒狀的引出加速電極內(nèi)的筒底上與離子源的離子輸出位置相對(duì)應(yīng)位置開設(shè)有一個(gè)供離子進(jìn)入并作用于靶材上的準(zhǔn)直孔，靶系統(tǒng)設(shè)置于筒狀的引出加速電極內(nèi)，所述的靶系統(tǒng)包括靶托、靶片和靶片安裝法蘭構(gòu)成，靶片用靶片安裝法蘭和第三“0”型密封圈安裝在靶托上，靶托上設(shè)有與冷卻管道連通的冷卻槽，冷卻液經(jīng)冷卻管道和冷卻槽對(duì)靶片進(jìn)行良好冷卻。
[0010]本發(fā)明的一種緊湊型D-D中子發(fā)生器，其高壓饋入系統(tǒng)包括:其兩端帶有凸緣的管狀陶瓷高壓絕緣構(gòu)件、用于固定引出加速電極并實(shí)現(xiàn)電聯(lián)接的的第一法蘭、第二法蘭和高壓電纜，其中:管狀陶瓷高壓絕緣構(gòu)件的兩端凸緣與第一法蘭和第二法蘭間分別用活套法蘭和螺釘固定安裝，管狀陶瓷高壓絕緣構(gòu)件的兩端凸緣與活套法蘭間用第四“0”型密封圈實(shí)現(xiàn)真空密封；管狀陶瓷高壓絕緣構(gòu)件的內(nèi)腔插入高壓電纜；高壓電纜的外緣設(shè)置有冷卻液管道，管狀陶瓷構(gòu)件的內(nèi)腔與高壓電纜外緣和冷卻管道的間隙間充有如變壓器油類的絕緣介質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的良好高壓絕緣性能。
[0011]本發(fā)明的一種緊湊型D-D中子發(fā)生器，其冷卻液管道為絕緣材料制成的繞于高壓電纜外緣的螺旋狀管道。
[0012]本發(fā)明的一種中子發(fā)生器，其特征在于圓筒形真空腔體壁上和筒狀束流引出加速電極的筒壁上相對(duì)應(yīng)位置分別設(shè)置有中子輸出窗口。
[0013]本發(fā)明由于在真空腔體上采用法蘭聯(lián)接離子源和靶系統(tǒng)等，因此可以很方便地更換離子源或靶片等系統(tǒng)及其它的內(nèi)設(shè)部件，這樣就可大大方便其應(yīng)用，同時(shí)大大降低了使用的成本。
[0014]本發(fā)明由于采用了雙等離子源，其內(nèi)通過(guò)管路與D氣體源連通，這一結(jié)構(gòu)使避免了現(xiàn)有技術(shù)中將離子源設(shè)置于石英玻璃腔內(nèi)，造成其表面容易因離子濺射形成金屬膜的敝病。
[0015]本發(fā)明中在筒狀結(jié)構(gòu)的引出加速電極內(nèi)的筒底上與離子源的離子輸出位置相對(duì)應(yīng)位置開設(shè)有一個(gè)供離子進(jìn)入并作用于靶材上的準(zhǔn)直孔，而將靶系統(tǒng)設(shè)置于筒狀的引出加速電極內(nèi)，通過(guò)靶托和靶片安裝法蘭將靶片固定，同時(shí)在靶托上設(shè)有與冷卻管道連通的冷卻槽，這一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶片的良好冷卻，同時(shí)用“0”型密封圈實(shí)現(xiàn)密封，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且也更方便靶片的更換。
[0016]本發(fā)明中將高壓饋入系統(tǒng)管狀陶瓷高壓絕緣構(gòu)件之內(nèi)，并在這一管狀陶瓷高壓絕緣構(gòu)件的內(nèi)部設(shè)置高壓電纜，在其一端設(shè)置加速電極，在現(xiàn)有技術(shù)中陶瓷高壓絕緣構(gòu)件與金屬的聯(lián)接是非常難以解決的問(wèn)題，現(xiàn)采用的聯(lián)接技術(shù)措施是將陶瓷與金屬件進(jìn)行焊接，其成品率低，且費(fèi)用很高。本發(fā)明中采用了其兩端帶有凸緣的管狀陶瓷高壓絕緣構(gòu)件，并用活套法蘭和螺釘實(shí)現(xiàn)陶瓷部件與金屬部件的聯(lián)接，采用“0”型密封圈實(shí)現(xiàn)聯(lián)接部位的真空密封，其結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單且具有極佳的聯(lián)接與密封效果，解決了現(xiàn)有技術(shù)長(zhǎng)期未能解決的技術(shù)難題。
[0017]本發(fā)明的冷卻液管道為絕緣材料制成的繞于高壓電纜外緣的兩層螺旋狀管道，本發(fā)明采用螺旋狀管道增加了冷卻液管路的長(zhǎng)度，可有效增大冷卻液電阻，采用電阻率20kQ純凈水作為冷卻液，即可保證有較小的高壓漏電流，避免現(xiàn)有技術(shù)中冷卻液使用變壓器油所造成的冷卻效果差的缺陷。
[0018]本發(fā)明的一種中子發(fā)生器，其特征在于圓筒形真空腔體壁上和筒狀束流引出加速電極的筒壁上相對(duì)應(yīng)位置分別設(shè)置有中子輸出窗口。窗為1_厚的不銹鋼，可有效降低窗材料與快中子的相互作用幾率，以降低對(duì)中子能譜和中子通量的影響。
[0019]本發(fā)明的一個(gè)緊湊型D-D中子發(fā)生器的實(shí)施例其外形長(zhǎng)度1000mm，直徑Φ 300mm，D-D中子產(chǎn)額可大