[实用新型]微波离子源陶瓷自成靶强流中子管

说明书

本实用新型涉及一种产生中子的装置，尤其是能在密封静真空状态产生中子，中子产额达5×10¹²n/s。

目前，所报导的中子管技术，我们国家中子产额为5×10³n/s，国外先进国家中子产额已达10¹²n/s。但是所报导的中子管离子源部分通常选用潘宁离子源，它有单原子离子比低，运行气压高等缺点，导致打在靶上的总离子束流达上百毫安，耗散在靶上的功率达几十千瓦，解决直径不大于5cm的靶冷却问题难度很大，限制中子管运行稳定性和寿命。[参考文献：1.H.H.Barschall，Neutron Sources for Basic physics andApplications，PERGAMON PRESS，P74-75(1987).2.魏宝杰等，《中子管技术基础及其应用》东北师大出版社P1-11(1997)。]

本实用新型的目的是提供一种强流中子管，既处于密封状态小型加速器式强流中子源，中子产额高，寿命长，在相同条件获得相同中子产额，靶上的总离子束流低，易于解决靶冷却问题。

本实用新型的目的是这样实现的：一个由无氧铜材料加工而成的圆筒作为微波离子源谐振腔壳体，壳体外部套有两块径向充磁NdFeB磁环，在壳体内部形成均匀的强度为875G磁场，实现2.450GHz微波谐振条件，壳体的一端与微波源，波导系统、通风系统联接。壳体另一端插有Al₂O₃陶瓷杯，在壳体和陶瓷杯外壁间放有由聚酰亚胺材料制成的绝缘套，并设计有出风间隙，以便冷却陶瓷杯，陶瓷杯杯底面微波传输方向，另一端与中子管主体联接，构成独立的静真空器件，在陶瓷杯口处放有金属电极，用于离子引出，称作离子引出电极，引出电极前面设有第一加速电极，第二加速电极，圆锥体靶，气压调节系统和靶冷却系统，离子引出电极处约+200KV电位；第一加速电极处于约+150KV电位，第二加速电极处于约零电位，靶处于约-2——-5KV电位，它是在靶和第二加速电极间接有适当电阻而获得，起二次电子抑制作用，在圆锥体靶外侧加有冷却水套。中子管的操作首先利用气压调节系统使中子管既离子源内气压达约10-3Pa范围，启动微波源，微波输出功率调整在300-500W范围，由于陶瓷杯处于875G均匀磁场中，微波传入陶瓷杯，在陶瓷杯内出现强烈的共振吸收电离，形成等离子体，陶瓷杯内的氘离子通过引出孔，经两级加速，其能量达200KeV，束流强度为40-90mA，之后打在靶上，通过氘——氚应产生14MeV快中子，由于这里选用微波驱动离子源，它具有单原子离子比高，稳定运行气压低，无极，便于高电压隔离等优点，使之较容易实现中子产额达5×10¹²n/s的目的。

(一)用微波驱动离子源，①其单原子离子比高，与潘宁离子源相比在相同条件获取相同中子产额打在靶上的总离子束流可降低8倍以上，从而有利于靶冷却，提高中子管寿命和稳定性；②其稳定运行气压低，可在10^-3Pa范围工作，可降低离子束输运过程与中性气体分子碰撞几率，改善中子管耐压性能；③由于其无极特征，对强流中子管来讲无极象征着可长寿命稳定运行；④由于微波具有在绝缘介质中无阻传输的特征，有利于高电压隔离。(二)采用陶瓷杯作为离子源内壳体，陶瓷杯与加速系统，靶和气压调节系统构成独立的静真空器件，有利于中子管、微波源及波导系统的各自维护调整，陶瓷杯设有足够大伞沿，有利于高电压隔离。在陶瓷杯与离子源谐振腔外金属壳体间放有聚酰亚胺材料制成的绝缘套和通风间隙，有利于高电压的进一步隔离和陶瓷杯的冷却。(三)采用两极加速，有利于离子束光学系统的调整和提高氘离子能量，从而提高中子管性能和中子产额。(四)由于采用圆锥体形靶，有利于提高靶的有效面积及改善靶的冷却。

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

附图是微波离子源陶瓷自成靶强流中子管的纵剖面构造图。

附图中1、微波离子源外壳体  2、陶瓷杯型微波离子源内壳体  3、磁环4、绝缘套  5、通风冷却间隙  6、引出电极  7、第一加速电极  8、第二加速电极9、圆锥体型靶  10、气压调节系统  11、靶冷却套  12、中子管陶瓷绝缘外壳13、二次电子抑制电阻

图中，微波离子源外壳体(1)，陶瓷杯型微波离子源内壳体(2)，磁环(3)，绝缘套(4)，引出电极(6)构成强流中子管用微波离子源。外壳体(1)由无氧铜材料制成，一端与微波波导系统通过法兰联接。磁环(3)是两块径向充磁NdFeB，套在外壳体(1)外侧，在微波离子源壳体内形成875G磁场，满足2.450GHz微波共振吸收条件。绝缘套(4)是聚酰亚胺材料，它具有耐高温、抗辐射、绝缘性能好等优点、绝缘套(4)放在外壳体(1)与陶瓷杯型微波离子源内壳体(2)之间，主要起高电压进一步隔离作用，在陶瓷杯内壳体(2)与绝缘套(4)间设通风冷却间隙(5)，以保证陶瓷杯内壳体(2)运行在正常温度，冷却风从陶瓷杯底方向流进，从间隙排出。陶瓷杯型微波离子源内壳体(2)是由95号Al₂O₃陶瓷制成，它具有对微波无阻传输的特性，并有良好的传热和高电压绝缘性能，有利于离子源散热，电绝缘，提高单原子离子比。引出电极(6)，第一加速电极(7)，第二加速电极(8)，和靶是由金属材料制成，与中子管陶瓷绝缘外壳(12)，陶瓷杯型微波离子源内壳体(1)经金属化烧氢封接构成独立真空器件。内壳体(2)插入绝缘套(4)内。靶冷却套(11)设有进出冷却水口，与靶外侧粘接。来自微波源(2.450GHz 1000W)微波经波导系统由陶瓷杯底部进入陶瓷内离子源谐振腔。由于875G均匀磁场的存在出现对微波的强烈共振吸收，形成高密度等离子体。第一加速电极(7)由金属材料割成，加有+100——+200KV高电压，与引出电极(6)用陶瓷环隔离，引出电极上加有+150——250KV高电位，第一加速电极(7)与引出电极(6)间的电位差约为-50KV，陶瓷杯(2)内的氘离子在-50KV电位的作用下经引出孔引出并加速，第二加速电极(8)约处于零电位，与第一加速电极(7)间电位差为100——200KV，氘离子被第一加速电极(7)引出并加速后被第二加速电极二次加速至150-250KeV的能量，之后打在圆锥体氘靶(9)上，产生14MeV快中子，打在圆锥体靶上的氘离子流经二次电子抑制电阻(13)，在此产生-3——-5KV压降，靶相对零电位处于正电位，起到对二次电子抑制作用。气压调节系统(10)内存储器吸附氘氚混合气，通过外电路的控制可调整中子管即离子源的工作气压。冷却套(11)内通有冷却液体，用于耗散靶产生的热能。