[发明专利]一种适用于超高流强氘氚聚变中子源的高压差气态靶装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于超高流强氘氚聚变中子源的高压差气态靶装置，主要用于强流氘氚聚变中子源的中子产生。

背景技术

氘氚聚变中子源利用强流氘离子束轰击氚靶发生氘氚聚变反应产生14MeV高能聚变中子，可应用于中子物理、医学物理、辐射防护及核技术应用等研究领域，是先进核能与核技术应用研究的必备大科学装置。

目前世界各国在10¹¹-10¹³n/s的强流氘氚聚变中子源上均使用了高速旋转的固态氚靶系统，即将氚吸附于高导热衬底及镀膜上(如氚吸附在钛镀膜和钼基底的固体靶片上)制成氚靶片，同时利用高速旋转配合强制散热达到对靶点冷却的目的。但针对中子产额为10¹⁴-10¹⁶n/s的超高流强氘氚聚变中子源，如果继续使用固态氚靶，强流离子束的大量能量会沉积在氚靶片上极小的面积中，造成靶点的热流密度将超过每平方厘米数百千瓦。如不能对靶片进行有效的冷却散热，会引起靶片温度急剧升高，在毫秒内即可将靶片熔穿，造成中子源毁损和氚大量释放的严重事故。

气态靶通过加速器的氘束流直接轰击反应气体腔室内的气态氚或氘来产生高能中子。因氚或氘呈气体状态，束流能量可分散在气态靶整个反应气体腔室内，因此没有固态靶因靶点热量过于集中而形成的散热难题；同时气态靶中的氚或氘可循环利用，降低装置运行成本。

在实施本发明的过程中，本发明人认识到：气态靶的主要技术难点是压强的获得和控制。一方面根据反应原理，源强越高的中子的产生需要越多的氚或氘，因此在气体腔室内氚气或氘气压力需要在10³Pa量级，另一方面束流需要在真空环境下传输，以降低束流损失，因此加速器末端的真空在10^-5Pa量级。

在氘束流从加速器传输至气态靶过程中，需要跨越从压强10^-5Pa至10³Pa的空间，在连通的空间内，气体会自动从高压强流向低压强，为保持压强差，一方面需要使用真空抽气设备对气态靶各反应气体腔室进行实时抽气；另一方面需要通过节流结构减低各级腔室之间的流导，从而减少各级腔室之间流动的气体量，如何实现压强的跨越是气态靶的一大关键技术。

此外，为获得真空差分，管道直径需要达到毫米量级，且束流需要通过长度约3-4米的低真空环境。气态靶的另一大难点在于保持真空差分的同时，实现高流强束流在低真空度环境下的小直径差分管道中的长距离传输。

此外，气态靶中的反应物质氘或氚呈气体状态，且处于流动状态，出于运行成本和环境污染考虑，需要保证氘气和氚气的封闭式循环。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种适用于超高流强氘氚聚变中子源的高压差气态靶装置。该发明可以用于强流氘氚聚变中子源末端以产生强流聚变中子。通过反应气体腔室内的最高8000Pa压力的氚气或氘气与加速器氘束流发生聚变反应。

为此，本发明提供了一种高压差气态靶装置，用于超高流强氘氚聚变中子源，包括加速器接口和反应气体腔室，还包括：真空差分系统，设置在加速器接口和反应气体腔室之间，包括二级差分室、一级差分室、连接二级差分室与一级差分室的小孔径长管道、以及位于一级差分室与反应气体腔室之间的小孔径法兰、以及真空泵；束流约束装置，用于对小孔径长管道中的氘束流进行聚焦，使得束流包络小于小孔径长管道的后续管道与小孔径法兰的内径；以及反应气体循环回收装置，通过真空泵与一级差分室和二级差分室连接，用于将真空泵排出的气体经过分离提纯后通过节流阀进入反应气体腔室，其中，自加速器接口离开的氘束流经过真空差分系统、实现加速器末端10^-5Pa量级至反应气体腔室10³Pa量级的压强跨越后，与反应气体腔室内的氚气或氘气发生聚变反应，产生高能聚变中子。

进一步地，上述小孔径长管道由多个能够在线调节直径的法兰沿束流方向排列组合构成，其中，组合后的小孔径长管道的管道形状与束流包络形状相同。

进一步地，上述真空差分系统还包括与脉冲式氘束流配合使用的间歇式阀门，间歇式阀门与氘束流脉冲频率同步开启和关闭。

进一步地，上述束流约束装置由四极透镜、螺线管中的一种或多种组合构成，用于实现氘束流在低真空度环境下的小直径管道中的长距离低损耗传输。

进一步地，上述高压差气态靶装置还包括在反应气体腔室中设置的束流收集装置，用于接受未能全反应的氘束流。