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]本實用新型涉及一種中子發(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]強流氘氘(D-D)和氘氚(D-T)聚變反應加速器中子源是重要的單能中子源(簡稱中子發(fā)生器)，可廣泛應用于核數(shù)據(jù)測量、核聚變堆基礎(chǔ)研究、軍工基礎(chǔ)研究、快中子應用技術(shù)等各個方面。D-D和D-T聚變反應的特點是，在較低的D束流能量下，有較大的反應截面，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)聚變反應產(chǎn)生強的快中子。
[0003]目前，D-D和D-T中子發(fā)生器有兩個發(fā)展方向，一個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)生強流快中子，D-D和D-T反應快中子產(chǎn)額分別可達到1-5X101q s—1和1-5 X1012 s—1量級。這種強流中子發(fā)生器體積較大，無法用于中子活化分析、中子照相等小型化可移動式中子應用技術(shù)裝置，主要用于科研實驗室，以開展核數(shù)據(jù)測量、核聚變堆及軍工等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究；另一個發(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反應快中子產(chǎn)額一般大于107 s—1和109 s—1量級，其優(yōu)點是體積微小，缺點是中子產(chǎn)額難于進一步提高，同時，密封中子管為一次性真空密封元件，靶材耗盡后整個密封中子將報廢，使用壽命短，成本高。目前，國內(nèi)的中子管壽命只能達到幾百小時，國際上的中子管壽命可達上千小時。
[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)額指標偏低，無法很好的滿足小型化可移動式中子應用技術(shù)裝置的要求。
[0005]現(xiàn)已有多種形式的中子發(fā)生器公開并申請了專利。例如:1、中國專利CN102548181A【申請公布日:2012年7月4日】公布了一個小直徑射頻驅(qū)動氘氘中子管，其特點是體積很小，尤其適用于中子測井應用。此中子管DD中子產(chǎn)額雖然可達IX 108 s—1量級，但由于采取了一次性真空密封結(jié)構(gòu)，1000小時的靶壽命到達后只能整體報廢，無法滿足工業(yè)在線活化分析及其他中子應用技術(shù)對使用壽命的要求。2、中國專利CN102548181A【申請公布日:2012年12月24日】公布了一個小型高產(chǎn)額氘氘中子發(fā)生器，該專利給出了4個實施方案:1)D束能量100keV，D束流強100mA，采用純鈦靶，靶上束流功率10kw;2)將方案1中的D束流強提高到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。以上四種實施方案從理論上講，可以實現(xiàn)DD中子產(chǎn)額大于1011 s—S甚至可達1012 s—1，但上述方案靶上束流功率太大，用方案中提到的油冷去無法保證對靶溫度的控制，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中子發(fā)生器的電源及控制元件產(chǎn)生強的干擾，會造成運行不穩(wěn)定。3、中國專利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，其特點是在同軸電場加速下，轟擊長形定向革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。4、中國專利CN203761670U【授權(quán)公告日2014年8月6日】公布了一個采用柵極的一種中子發(fā)生器方案，其特點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。5、中國專利CN101978429B【授權(quán)公告日2015年4月29日】公布了一個壽命長的高效中子發(fā)生器，該中子發(fā)生器采用了高頻線圈感應式高頻離子源，其特點是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?，F(xiàn)有技術(shù)還存在一個共同的不足，即所產(chǎn)生的中子在裝置的周圍散射，造成使用中的不便，另一方面也會使產(chǎn)生的中子能量衰減而不利于其應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實用新型提供一種可克服現(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]本實用新型的緊湊型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)實現(xiàn)聯(lián)接。真空腔體與離子源陽極法蘭和高壓饋入系統(tǒng)法蘭間分別通過第一和第二“0”型圈實現(xiàn)真空密封，同時由真空栗系統(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氣體通過放電產(chǎn)生等離子體，通過機械壓縮和磁壓縮實現(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]本實用新型的一種緊湊型D-D中子發(fā)生器的實施例中，其真空腔體用不銹鋼制造，其管壁上設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:一個由不銹鋼制成的引出加速電極，由高壓饋入系統(tǒng)將負高壓饋入到引出加速電極上，在離子源陽極和引出加速電極之間形成電場，從離子源中引出并加速D離子束，D離子束穿過引出加速電極孔到靶上。
[0009]本實用新型的一種緊湊型D-D中子發(fā)生器的實施例中，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應位置開設有一個供離子進入并作用于靶材上的準直孔，靶系統(tǒng)設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靶片進行良好冷卻。
[0010]本實用新型的一種緊湊型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現(xiàn)電聯(lián)接的第一法蘭、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)，以實現(xiàn)該區(qū)域的良好高壓絕緣性能。
[0011]本實用新型的一種緊湊型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]本實用新型的一種中子發(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應位置分別設置有中子輸出窗口。
[0013]本實用新型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)設部件，這樣就可大大方便其應用，同時大大降低了使用的成本。
[0014]本實用新型由于采用了雙等離子源，其內(nèi)通過管路與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]本實用新型中在筒狀結(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應位置開設有一個供離子進入并作用于靶材上的準直孔，而將靶系統(tǒng)設置于筒狀的引出加速電極內(nèi)，通過靶托和靶片安裝法蘭將靶片固定，同時在靶托上設有與冷卻管道連通的冷卻槽，這一結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對靶片的良好冷卻，同時用“0”型密封圈實現(xiàn)密封，其結(jié)構(gòu)相對簡單，且也更方便靶片的更換。
[0016]本實用新型中將高壓饋入系統(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)部設置高壓電纜，在其一端設置加速電極，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題，現(xiàn)采用的聯(lián)接技術(shù)措施是將陶瓷與金屬件進行焊接，其成品率低，且費用很高。本實用新型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現(xiàn)陶瓷部件與金屬部件的聯(lián)接，采用“0”型密封圈實現(xiàn)聯(lián)接部位的真空密封，其結(jié)構(gòu)極為簡單且具有極佳的聯(lián)接與密封效果，解決了現(xiàn)有技術(shù)長期未能解決的技術(shù)難題。
[0017]本實用新型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，本實用新型采用螺旋狀管道增加了冷卻液管路的長度，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]本實用新型的一種中子發(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應位置分別設置有中子輸出窗口。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，以降低對中子能譜和中子通量的影響。
[0019]本實用新型的一個緊湊型D-D中子發(fā)生器的實施例其外形長度1000mm，直