一种强流纳秒脉冲中子发生器

1.本发明涉及中子发生器技术领域，具体涉及一种强流纳秒脉冲中子发生器。


背景技术：

2.中子发生器属于粒子加速器领域，是一种能够产生中子束的加速器中子源装置，其利用各种加速原理加速带电粒子轰击不同的靶材料，发生核反应后产生不同能量和不同强度的中子束。中子发生器有直流工作、重频脉冲、猝发脉冲等工作方式，其中脉冲中子发生器可以产生具有特征时间结构的脉冲中子束，在地质资源勘探、物质识别和探测、中子科学研究等行业和领域具有广泛的应用。
3.现有技术中采用静电高压或射频加速器，通过引入切割器和聚束器形成纳秒脉冲离子束，再打靶产生纳秒脉冲中子的方式，其单个脉冲中子产额偏低，装置结构复杂，束流利用率低；因此有必要进行改进。


技术实现要素：

4.本发明为解决上述的技术问题而提供一种强流纳秒脉冲中子发生器，其结构紧凑，加速电压高，离子流强大，脉冲宽度短。
5.为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
6.本公开至少一实施例提供一种强流纳秒脉冲中子发生器，其特征在于，包括：强流脉冲氘离子源、氘靶和直线感应电压叠加机构。
7.所述强流脉冲氘离子源用于产生强流脉冲的氘离子，并提供前级预加速。
8.所述氘靶用于发生d-d核反应产生中子。
9.所述直线感应电压叠加机构用于叠加至少两个感应电压并产生脉冲高压对氘离子加速，致使氘离子获得能量后轰击所述氘靶产生单能脉冲中子。
10.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述强流脉冲氘离子源包含有：阳极、阴极、绝缘柱和离子源放电电源；
11.其中，所述阳极中部配置有中心孔；所述阴极配置为与所述阳极呈轴对称分布；所述绝缘柱配置在所述阳极和直线感应电压叠加机构之间，所述绝缘柱用于防止所述阳极和直线感应电压叠加机构之间发生高压击穿；所述离子源放电电源配置为两端分别与所述阳极和阴极连接，所述离子源放电电源用于使所述阳极获得一个正偏压给氘离子提供预加速。
12.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述直线感应电压叠加机构具有内电极杆、至少两个感应腔组件、高压同轴电缆和脉冲功率源。
13.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述感应腔组件包含有：感应腔和磁芯；
14.其中，所述感应腔具有外壳；所述磁芯配置在所述感应腔内；所述脉冲功率源配置为一路输出通过所述高压同轴电缆与所述初级回路相连，另一路与所述外壳相连；所述外
壳为接地设置。
15.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述氘靶包含有：偏压电阻和表面镀膜的靶衬底；
16.其中，所述偏压电阻一端与所述外壳连接，所述偏压电阻另一端与所述表面镀膜的靶衬底连接，所述偏压电阻用于供打靶离子电流流过并形成偏置电压。
17.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述感应腔内配置有螺线管线圈，所述螺线管线圈用于在所述感应腔中心漂移段产生聚焦磁场。
18.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，还包含有：外部延时控制器；其中，所述强流脉冲氘离子源和直线感应电压叠加机构均与所述外部延时控制器电性连接。
19.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述离子源放电电源为带偏压的大弧流微秒脉冲电源。
20.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述内电极杆为中空筒状设置，且所述内电极杆的外径沿离子传输方向逐渐增加。
21.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述阴极包含有至少两个彼此绝缘的金属氘化物圆柱。
22.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述阴极为圆柱形金属氘化物，材料为氘化钛、氘化锆、氘化钪、氘化钇及其上述元素的二元或多元氘化物合金中的一种。
23.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述磁芯材料有铁氧体、坡莫合金、硅钢片和铁基非晶态磁性材料中的一种。
24.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述偏压电阻为线性高功率电阻、非线性电阻和稳压二极管中的一种。
25.本公开的至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器中，所述表面镀膜的靶衬底的基材为高热导率圆片，材料为钼或铜，表面蒸镀一层金属氘化物薄膜，薄膜厚度1-5μm，金属氘化物为氘化钛、氘化锆、氘化钪和氘化钇中的一种。
26.本发明的有益效果为：结构紧凑，加速电压高，离子流强大，脉冲宽度短，脉冲中子产额高，伴随射线本底低，装置外壳接地，安全可靠，是一种理想的强流脉冲中子源。在中子核数据测量、中子共振法测量材料温度、模拟惯性约束热核聚变中子辐射场、中子闪光照相以及中子相关的科学研究领域具有重要的应用价值。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明一种强流纳秒脉冲中子发生器的部件连接框图。
29.图2为本发明一种强流纳秒脉冲中子发生器的结构示意图。
30.图中：
31.1、强流脉冲氘离子源；2、直线感应电压叠加机构；3、氘靶；10、阴极；11、阳极；12、绝缘柱；13、离子源放电电源；14、感应腔；15、磁芯；16、脉冲功率源；17、高压同轴电缆；18、内电极杆；19、偏压电阻；20、表面镀膜的靶衬底。
具体实施方式
32.下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。
33.在实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
34.另外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，安装、连接和相连等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.实施例
36.如图1至2所示，一种强流纳秒脉冲中子发生器，包括强流脉冲氘离子源1、直线感应电压叠加机构2、氘靶3和外部延时控制器(未图示)。
37.强流脉冲氘离子源1包括阴极10、阳极11、绝缘柱12和离子源放电电源13。
38.阴极10为圆柱形金属氘化物电极杆，直径为10mm，长度为50mm，材料为氘化钪，钪原子与氘原子之比为0.5。
39.阳极11为中心有孔的不锈钢电极圆盘，外径为200mm，中心孔径为11mm，厚度为10mm，阴极10与阳极11呈轴对称方式安装，阴极10直径略小于阳极中心孔直径，阴极10端面与阳极11中心孔直线距离为0.8mm。
40.离子源放电电源13为一带偏压大弧流微秒脉冲电源，提供正偏压50kv，提供弧流1ka，提供5μs脉宽，离子源放电电源13，一端与阴极10连接，另一端与阳极11连接，可以使阳极11获得一个50kv的正偏压。
41.绝缘柱12高度为100mm，材料为al2o3陶瓷，安装于阳极11与直线感应电压叠加机构2外壳之间，用于防止两者之间发生高压击穿。
42.直线感应电压叠加机构2具有内电极杆18、5个模块化的感应腔组件、脉冲功率源16和高压同轴电缆17，感应腔组件包括感应腔14、磁芯15，感应腔14具有外壳，多个感应腔组件共用内电极杆18。
43.磁芯15置于感应腔14内，磁芯尺寸内径为200mm，外径为250mm，厚度为30mm，材料采用铁基非晶态磁性材料。
44.5个模块化的感应腔组件轴向串接并分成5级，可将5个感应腔组件的感应电压在内电极杆18上叠加形成5倍的高压输出。
45.脉冲功率源16采用marx发生器和blumlein形成线，给直线感应电压叠加机构2的初级回路提供脉冲电压，其一路输出通过高压同轴电缆17与直线感应电压叠加机构2的初级回路相连，另一路与外壳相连，外壳接地。
46.内电极杆18为中空金属筒，外径沿离子传输方向逐渐增加，以匹配各级感应腔组件的阻抗；内电极杆18的外径最大处值为175mm，外径最小处值为30mm，壁厚为2mm，端部开口尺寸为15mm。
47.感应腔14包裹住磁芯15，直线感应电压叠加机构2的次级回路还用于在内电极杆18上产生感应电压，感应腔采用无磁不锈钢306l材质，外径为350mm，内径为180mm，单级厚度为50mm。
48.氘靶3包括偏压电阻19和表面镀膜的靶衬底20，偏压电阻19一端与感应腔14的外壳连接，另一端与表面镀膜的靶衬底20连接，用于打靶离子电流流过后，形成偏置电压，该偏置电压将抑制离子打靶产生的二次电子出射，偏压电阻采用非线性zno电阻，形成稳定偏置电压；
49.表面镀膜的靶衬底20为钼材料的圆片，尺寸外径为170mm，厚度为3mm，表面蒸镀一层氘化钪金属氘化物薄膜，钪原子与氘原子之比为2.0，薄膜厚度为5μm。
50.阴极10采用多根金属氘化物圆柱形电极组成，彼此之间绝缘，通过多路离子源放电电源分别供电，可形成多路氘离子的组合输出，能进一步提高氘离子流强，并提高脉冲中子产额。
51.感应腔14中加入螺线管线圈(未图示)，可在每个感应腔中心漂移段产生聚焦磁场，以对束流进行有效的约束和调控，避免束流发散碰壁损失。
52.在一些实施例中，脉冲功率源采用固态脉冲调制器技术，采用固态陶瓷介质脉冲形成线和固态半导体开关，可实现khz-mhz高重复频率下连续运行，从而进一步提高该脉冲中子发生器的平均中子产额。
53.在一些实施例中，氘靶可更换为氚靶，发生d-t核反应，可产生更高能量的单能脉冲中子，且中子产额可进一步提高，在200kev加速能量下，中子产额能提高两个量级，在1mev加速能量下，中子产额能提高一个量级以上。
54.下面根据本公开至少一实施例中的强流纳秒脉冲中子发生器的工作方法进一步说明本公开的原理。
55.本公开至少一实施例提供的强流纳秒脉冲中子发生器的工作方法包括以下步骤：
56.step1，由外部延时控制器控制离子源放电电源输出大电流，使强流脉冲氘离子源的阴极和阳极间放电，形成致密含氘等离子体；
57.step2，等离子体中的氘离子被离子源偏压引出，获得初级加速能量，脉冲持续时间5μs；
58.step3，由外部延时控制器控制分别控制5级感应腔组件的脉冲功率源，实现对每个感应加速腔的时序纳秒级精确控制，经感应叠加后在内电极杆端面，形成脉冲高压；
59.step4，在内电极杆头部与强流脉冲氘离子源的阳极之间的间隙内，对预加速的氘离子进行进一步的加速；
60.step5，经5级感应腔叠加电压加速后的氘离子，获得能量后轰击氘靶，发生d-d核反应产生单能脉冲中子。
61.在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一些实施例”、“其他实施例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
62.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。