本發(fā)明涉及核技術及應用領域，具體涉及一種氣態(tài)靶中子源。

背景技術：

氘氚聚變中子源利用強流氘離子束轟擊氚靶發(fā)生氘氚聚變反應產(chǎn)生14MeV高能聚變中子，可應用于中子物理、醫(yī)學物理、輻射防護及核技術應用等研究領域，是先進核能與核技術應用研究的必備大科學裝置。

現(xiàn)有技術中通常采用固態(tài)靶構成10¹¹n/s-10¹³n/s的強流氘氚聚變中子源；但隨著中子產(chǎn)額為10¹⁴n/s-10¹⁵n/s的超高流強氘氚聚變中子源發(fā)展，由于強流離子束的大量能量沉積在靶片上，造成靶點的熱流密度超過其承受能力，引起靶片熔穿，造成中子源毀損和氚大量釋放的嚴重事故。

因而出現(xiàn)氣態(tài)靶代替固態(tài)靶的中子源，但目前氣態(tài)靶中子源裝置的實現(xiàn)存在較多難點，使得中子源源強較低。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種氣態(tài)靶中子源，以解決現(xiàn)有技術中氣態(tài)靶中子源源強較低的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種氣態(tài)靶中子源，包括依次連接的離子注入系統(tǒng)、差分真空系統(tǒng)和氣態(tài)靶；

所述離子注入系統(tǒng)用于產(chǎn)生單束或多束平行離子束流，每束所述離子束流的包絡小于所述差分真空系統(tǒng)的內(nèi)徑；

所述差分真空系統(tǒng)用于將所述離子束流傳輸至所述氣態(tài)靶；

所述氣態(tài)靶中包括反應氣體，所述反應氣體與所述離子束流發(fā)生聚變反應，產(chǎn)生中子。

優(yōu)選地，所述離子注入系統(tǒng)包括依次連接的離子源、加速管、真空獲得系統(tǒng)、和磁鐵系統(tǒng)，其中，所述磁鐵系統(tǒng)用于對所述離子束流進行聚焦。

優(yōu)選地，所述離子注入系統(tǒng)還包括束流分離裝置，所述束流分離裝置用于將單束離子束流分離為所述多束平行離子束流。

優(yōu)選地，所述氣態(tài)靶包括多個氣態(tài)靶室，所述氣態(tài)靶室的個數(shù)與所述多束平行離子束流的個數(shù)相同，且與所述多束平行離子束流一一對應。

優(yōu)選地，所述氣態(tài)靶還包括多個束流收集裝置，每個所述束流收集裝置與每個所述氣態(tài)靶室相連，用于回收未與所述反應氣體發(fā)生聚變反應的所述離子束流。

優(yōu)選地，所述差分真空系統(tǒng)包括至少一級差分真空系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述差分真空系統(tǒng)包括一級差分真空系統(tǒng)和二級差分真空系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述一級差分真空系統(tǒng)和所述二級差分真空系統(tǒng)之間的管道壁外還設置有四象限磁鐵，所述四象限磁鐵用于對所述離子束流進行聚焦。

優(yōu)選地，所述一級差分真空系統(tǒng)包括與所述一級差分真空系統(tǒng)相連的第一真空泵；所述二級差分真空系統(tǒng)包括與所述二級差分真空系統(tǒng)相連的第二真空泵。

優(yōu)選地，所述差分真空系統(tǒng)包括小孔徑法蘭、小直徑管道、間歇閥門、真空泵中的至少一種。

優(yōu)選地，所述氣態(tài)靶還包括氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)，所述氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)的一端與所述第一真空泵和第二真空泵(24)連接；另一端與所述氣態(tài)靶室連接；所述氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)用于提純所述反應氣體，并回收提純后的反應氣體，再將所述提純后的反應氣體輸入至所述氣態(tài)靶室進行聚變反應。

優(yōu)選地，所述離子束流為氘束流或氘氚混合束流。

優(yōu)選地，所述反應氣體為氘氣、氘化物、氚氣、氚化物，或氘氣、氘化物、氚氣、氚化物的任意至少兩種的混合氣體。

經(jīng)由上述的技術方案可知，本發(fā)明提供的氣態(tài)靶中子源，包括：離子注入系統(tǒng)、差分真空系統(tǒng)和氣態(tài)靶，所述離子注入系統(tǒng)能夠產(chǎn)生單束或多束平行離子束流，每束所述離子束流的包絡小于所述差分真空系統(tǒng)的內(nèi)徑，使得所述離子束流包絡小于差分真空系統(tǒng)中各個管道或法蘭內(nèi)徑，避免束流轟擊管壁造成能量損失，相對于現(xiàn)有技術中離子束流包絡較大的單束離子束流而言，由于本申請將單束離子束流包絡較小，能夠減少單束離子束流傳輸過程中的損耗，能夠更加容易提供較高中子源的源強；或將單束離子束流分為多束平行的離子束流，使得每束離子束流的包絡減小，同樣能夠減少傳輸過程中的損耗，從而提高了到達氣態(tài)靶的離子束流的流強，進而能夠提高中子源的源強。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種氣態(tài)靶中子源結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的另一種氣態(tài)靶中子源結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

現(xiàn)有技術中采用氣態(tài)靶代替固態(tài)靶，一般氣態(tài)靶中子源通過加速器加速后的氘束流直接轟擊反應氣體腔室內(nèi)的氣態(tài)氚或氘來產(chǎn)生高能中子。因氚或氘呈氣體狀態(tài)，束流能量可分散在氣態(tài)靶整個反應氣體腔室內(nèi)，因此沒有固態(tài)靶因靶點熱量過于集中而形成的散熱難題；同時氣態(tài)靶中的氚或氘可循環(huán)利用，降低裝置運行成本。但氣態(tài)靶的主要技術難點是壓強的獲得和控制。

而且，一方面高能中子的產(chǎn)生需要大量的氚或氘，因此在氣體腔室內(nèi)氚氣或氘氣壓力需要在10³Pa量級。另一方面離子束在傳輸過程中因電子俘獲和碰撞散射與氣體分子發(fā)生碰撞使離子損失掉，因此，真空度越好，真空室內(nèi)剩余氣體分子越少，越減少與離子的碰撞，從而降低離子的損失，表現(xiàn)為減少離子束的能量損失，因此束流需要在真空環(huán)境下傳輸，以降低束流損失，同時方便束流聚焦，因此加速器末端的真空在10^-5Pa量級。綜上所述，在氘束流從加速器傳輸至氣態(tài)靶過程中，需要跨越從壓強10^-5Pa至10³Pa的空間，而在連通的空間內(nèi)，氣體會自動從高壓強流向低壓強，為保持壓強差，一方面需要使用真空抽氣設備對氣態(tài)靶各反應氣體腔室進行實時抽氣；另一方面需要通過等離子體窗、小孔徑管道、間歇式閥門等方式，減低各級腔室之間的流導，從而減少各級腔室之間流動的氣體量。

需要說明的是，為獲得真空差分，管道直徑達到毫米量級，且束流需要通過長度約3-4米的低真空環(huán)境，而針對源強越高的中子源，基于一個氘和一個氚反應產(chǎn)生一個中子，所需源強(每秒多少個中子)越高，則所需的氘離子也越多，因此所需氘束流強度越高，由于同電位離子的相斥作用，離子密集度越高，排斥力越大，離子與離子之間的距離加大，表現(xiàn)為離子束的包絡變大；高流強氘束流的束流包絡大，在通過小直徑長距離差分管道中會導致大量的束流損失，從而降低中子源源強，因此針對基于氣態(tài)靶的高源強中子源，單束氘束流引出存在較大技術難點。

基于此，本發(fā)明提供一種氣態(tài)靶中子源，如圖1所示，圖1為本發(fā)明實施例提供的氣態(tài)靶中子源，其中，包括：依次連接的離子注入系統(tǒng)1、差分真空系統(tǒng)2和氣態(tài)靶3；離子注入系統(tǒng)1用于產(chǎn)生單束或多束平行離子束流，每束離子束流的包絡小于差分真空系統(tǒng)2的內(nèi)徑；差分真空系統(tǒng)2用于將離子束流傳輸至氣態(tài)靶3；氣態(tài)靶3中包括反應氣體，反應氣體與離子束流發(fā)生聚變反應，產(chǎn)生中子。

本實施例中離子注入系統(tǒng)1包括依次連接的離子源11、加速管12、真空獲得系統(tǒng)13、和磁鐵系統(tǒng)14，其中，離子源11中將氘氣或氚氣進行電離并引出氘束流或氚束流，或者可以將氘氣和氚氣的混合氣體進行電離引出氘氚混合束流，離子源可以引出較高流強的離子束流。加速管12加速經(jīng)離子源11引出的離子束流至一定能量，用于后續(xù)離子束流的傳輸。真空獲得系統(tǒng)13用于維持離子注入系統(tǒng)的真空度，確保離子束流傳輸?shù)恼婵窄h(huán)境。

需要說明的是，本實施例中磁鐵系統(tǒng)14用于對離子束流進行聚焦。磁鐵系統(tǒng)14能夠產(chǎn)生磁場，通過磁場對穿過磁場區(qū)域的帶電離子束流進行聚焦，帶電離子在磁場作用下會朝一個方向運動；使得離子束流包絡小于差分真空系統(tǒng)2中各個管道與法蘭的內(nèi)徑，從而能夠避免離子束流轟擊管壁造成升溫及束流損失。

需要說明的是，本實施例中對差分真空系統(tǒng)2的級數(shù)不做限定，本實施例中差分真空系統(tǒng)2包括至少一級差分真空系統(tǒng)。即差分真空系統(tǒng)2可以是一級差分真空系統(tǒng)，也可以包括多級差分真空系統(tǒng)，當一級差分真空系統(tǒng)不能滿足壓強差的情況下就需要多級差分真空系統(tǒng)，需要說明的是，使用多級差分真空系統(tǒng)會延長束流線長度，造成束流傳輸距離延長，對離子束流的控制難度加大，因此，本發(fā)明中可以根據(jù)實際需求選擇差分真空系統(tǒng)的級數(shù)，本實施例中可選地，如圖1所示，差分真空系統(tǒng)2包括一級差分真空系統(tǒng)21和二級差分真空系統(tǒng)23。

一級差分真空系統(tǒng)21和二級差分真空系統(tǒng)23之間的管道壁外還設置有四象限磁鐵(圖1中未示出)，四象限磁鐵用于對離子束流進行聚焦，四象限磁鐵提高了單束離子束流傳輸效率。

差分真空系統(tǒng)2可以通過小直徑管道、小孔徑法蘭、間歇式閥門、大抽速真空泵方式中的一種或多種組合，本實施例中對此不做限定。需要說明的是，本發(fā)明實施例中定義所述小直徑管道和小孔徑法蘭的直徑范圍為3mm-50mm，包括端點值。差分真空系統(tǒng)2實現(xiàn)管道節(jié)流、氣體抽除和壓強跨越，實現(xiàn)加速管12至氣態(tài)靶3最高8個數(shù)量級的壓強跨越。本實施例中可選地，一級差分真空系統(tǒng)21包括與一級差分真空系統(tǒng)21相連的第一真空泵；二級差分真空系統(tǒng)23包括與二級差分真空系統(tǒng)23相連的第二真空泵，真空泵用于實現(xiàn)氣體抽除。

本實施例中氣態(tài)靶3包括單個氣態(tài)靶室31，氣態(tài)靶室31包括反應氣體，用于與離子束流發(fā)生聚變反應，產(chǎn)生中子。本實施例中離子注入系統(tǒng)1中的加速管12產(chǎn)生的一定能量的離子束流進入氣態(tài)靶室31，與氣態(tài)靶中的反應氣體發(fā)生聚變反應產(chǎn)生高能中子。本實施例中氣態(tài)靶室31中的氣體壓強最高可超過10³Pa量級。

本實施例中，氣態(tài)靶3還可以包括束流收集裝置32，束流收集裝置32與氣態(tài)靶室31相連，用于回收未與反應氣體發(fā)生聚變反應的離子束流，未完全反應的束流沉積在束流收集裝置上，能量損失，離子就被吸收，從而收集至束流收集裝置32中。

另外，為防止放射性氣體擴散及降低運行成本，本實施例中，氣態(tài)靶3還包括氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)33，氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)33的一端與第一真空泵和第二真空泵24連接；另一端與氣態(tài)靶室31連接；氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)33用于在線或不在線提純反應氣體，并回收提純后的反應氣體，再將提純后的反應氣體輸入至氣態(tài)靶室31進行聚變反應。具體的，進入氣體循環(huán)回收裝置33的氣體，包括了氘、氚、氧、油、水或其他分子，但氣態(tài)靶需要的僅僅是高純度的反應氣體，因此氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)按照需要將這些混合氣體進行分離提純，分離的方法包括分子篩吸附、低溫吸附、金屬釉吸附等，氣體經(jīng)過分離提純后，回收循環(huán)后可再次利用。

需要說明的是，本發(fā)明實施例中離子束流為氘束流或氘氚混合束流。本實施例中對此不做限定。而對應的，反應氣體為氘氣、氘化物、氚氣、氚化物，或氘氣、氘化物、氚氣、氚化物的任意至少兩種的混合氣體，從而可以發(fā)生氘氘(D-D)聚變反應或氘氚(D-T)聚變反應，產(chǎn)生中子。當然，在本發(fā)明的其他實施例中，所述離子束流還可以為氚束流，對應的所述反應氣體為含有氘的氣體即可，同樣可以發(fā)生氘氚(D-T)聚變反應，產(chǎn)生中子，本實施例中對此不做限定。

本發(fā)明提供的氣態(tài)靶中子源，包括：離子注入系統(tǒng)、差分真空系統(tǒng)和氣態(tài)靶，離子注入系統(tǒng)能夠產(chǎn)生單束離子束流，單束離子束流的包絡小于差分真空系統(tǒng)的內(nèi)徑，使得單束離子束流包絡小于差分真空系統(tǒng)中各個管道或法蘭內(nèi)徑，避免束流轟擊管壁造成能量損失，從而提高了到達氣態(tài)靶的離子束流的流強，進而能夠提高中子源的源強。

進一步地，本發(fā)明還提供一種氣態(tài)靶中子源，如圖2所示，圖2為本發(fā)明實施例提供的另一種氣態(tài)靶中子源結構示意圖，與上一實施例中不同的是，本實施例中離子注入系統(tǒng)1還包括束流分離裝置15，束流分離裝置15用于將單束離子束流分離為平行的多束離子流。也即本發(fā)明實施例中提供的離子注入系統(tǒng)可以引出平行多束離子束流。需要說明的是，當離子束流為多束時，本實施例中氣態(tài)靶3包括多個氣態(tài)靶室31，氣態(tài)靶室31的個數(shù)與多束離子束流的個數(shù)相同，且與多束離子束流一一對應。

另外，本發(fā)明實施例中，差分真空系統(tǒng)2一級差分真空系統(tǒng)21和二級差分真空系統(tǒng)23。差分真空系統(tǒng)2可以通過小孔徑管道、小孔徑法蘭、間歇式閥門、大抽速真空泵方式中的一種或多種組合，本實施例中對此不做限定。差分真空系統(tǒng)2實現(xiàn)管道節(jié)流、氣體抽除和壓強跨越，實現(xiàn)加速管12至氣態(tài)靶3最高8個數(shù)量級的壓強跨越。本實施例中可選地，一級差分真空系統(tǒng)21包括與一級差分真空系統(tǒng)21相連的第一真空泵；二級差分真空系統(tǒng)23包括與二級差分真空系統(tǒng)23相連的第二真空泵，真空泵用于實現(xiàn)。

本實施例差分真空系統(tǒng)中，一級差分真空系統(tǒng)21和二級差分真空系統(tǒng)23之間的管道壁外還設置有四象限磁鐵22，四象限磁鐵22用于對離子束流進行聚焦，四象限磁鐵22提高了多束離子束流傳輸效率。

需要說明的是，本發(fā)明實施例中離子束流為氘束流或氘氚混合束流。本實施例中對此不做限定。而對應的，反應氣體為氘氣、氘化物、氚氣、氚化物，或氘氣、氘化物、氚氣、氚化物的任意至少兩種的混合氣體，從而可以發(fā)生氘氘(D-D)聚變反應或氘氚(D-T)聚變反應，產(chǎn)生中子。當然，在本發(fā)明的其他實施例中，所述離子束流還可以為氚束流，對應的所述反應氣體為含有氘的氣體即可，同樣可以發(fā)生氘氚(D-T)聚變反應，產(chǎn)生中子，本實施例中對此不做限定。

因本實施中離子注入系統(tǒng)可以產(chǎn)生多束離子束流，且每個離子束流的包絡小于差分真空系統(tǒng)的內(nèi)徑，使得所述單束離子束流包絡小于差分真空系統(tǒng)中各個管道或法蘭內(nèi)徑，避免束流轟擊管壁造成能量損失，從而提高了到達氣態(tài)靶的離子束流的流強，進而能夠提高中子源的源強。

需要說明的是，本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。