靶系统和具有靶系统的用于产生中子和/或中微子的系统

摘要

本发明公开了一种靶系统和具有该靶系统的用于产生中子和/或中微子的系统，所述靶系统用于中子产生系统和中微子产生系统中的至少一个，所述靶系统包括：用作靶体的固体颗粒；以及第一通道部件，所述第一通道部件具有用于固体颗粒通过的相对于水平方向倾斜的第一通道，所述第一通道部件具有第一底壁，在第一底壁的两个侧边缘部分设置的两个第一侧壁，固体颗粒沿着第一底壁从第一通道的下端离开第一通道部件，用于束流与离开第一通道部件的固体颗粒相互作用。根据本发明的实施方式，例如可以优化利用颗粒流在两个倾斜通道间的射流，生产中子和/或中微子，并且有效减少强放射性污染问题。

权利要求

1.一种靶系统，所述靶系统用于中子产生系统和中微子产生系统中的至少一个，所述靶系统包括：用作靶体的固体颗粒；以及

第一通道部件，所述第一通道部件具有用于固体颗粒通过的相对于水平方向倾斜的第一通道，所述第一通道部件具有第一底壁，在第一底壁的两个侧边缘部分设置的两个第一侧壁，固体颗粒沿着第一底壁从第一通道的下端离开第一通道部件，用于束流与离开第一通道部件的固体颗粒相互作用。

2.根据权利要求1所述的靶系统，还包括：第二通道部件，所述第二通道部件具有用于固体颗粒通过的相对于水平方向倾斜的第二通道，第二通道部件的上端位于第一通道部件的下端的下方，用于离开第一通道部件的固体颗粒落入第二通道部件的上端的朝上的开口中。

3.根据权利要求2所述的靶系统，其中：所述第二通道部件具有第二底壁，在第二底壁的两个侧边缘部分设置的两个第二侧壁。

4.根据权利要求3所述的靶系统，其中

第二通道部件还具有位于上端的另一个第二侧壁，固体颗粒从第二通道部件的下端离开第二通道部件。

5.根据权利要求1所述的靶系统，还包括：收集部件，所述收集部件设置在第一通道部件的上游，用于收集固体颗粒，其中收集部件具有开口；以及用于开关该开口的闸门，其中在闸门开启时，收集在收集部件中的固体颗粒流入第一通道部件。

6.根据权利要求5所述的靶系统，其中：所述收集部件的限定所述开口的底壁和两个侧壁分别与所述第一通道部件的第一底壁和两个第一侧壁的上端邻接，所述收集部件的开口朝向第一通道部件的第一通道的上端的开口。

7.根据权利要求1所述的靶系统，其中：第一通道部件是槽部件。

8.根据权利要求2所述的靶系统，其中：第二通道部件是槽部件。

9.一种用于产生中子和/或中微子的系统，包括：权利要求1所述的靶系统。

10.根据权利要求9所述的用于产生中子和/或中微子的系统，还包括：束流发射件，所述束流发射件发射的束流与离开第一通道部件的固体颗粒作用，以产生中子和/或中微子。

说明书

靶系统和具有靶系统的用于产生中子和/或中微子的系统

技术领域

[0001] 本发明的实施例涉及一种靶系统和具有该靶系统的用于产生中子和/或中微子的系统背景技术：

[0002] 散裂靶可以作为一种高效的中子源和中微子源应用于从基础研究到尖端应用的不同领域。如今世界上各项大科学工程对于高功率中子源的需求十分迫切，但受限于材料、散热等问题，利用传统的中子源技术在提高散裂靶功率上很难再有进一步的突破。在聚变堆材料辐照损伤研究中，目前国际上没有合适的中子源用于相关研究，传统的加速器氘氚中子源产生的中子通量有限，专用于聚变堆材料研究的中子源项目IFMIF(国际聚变堆材料辐照装置)虽然能够产生较高的中子通量和中子总产额，但其技术难度和投资都非常巨大，且研制周期漫长。此外，随着中微子的研究成为当今基础科学研究的热点问题，建立中微子工厂，产生大量的适合的中微子成为一个急需解决的问题。

发明内容

[0003] 本发明的实施例的目的是提供一种靶系统和具有该靶系统的用于产生中子和/或中微子的系统，由此例如可以优化颗粒流的射流，以生产中子和/或中微子。

[0004] 本发明的实施例提供了一种靶系统，所述靶系统用于中子产生系统和中微子产生系统中的至少一个，所述靶系统包括：用作靶体的固体颗粒；以及第一通道部件，所述第一通道部件具有用于固体颗粒通过的相对于水平方向倾斜的第一通道，所述第一通道部件具有第一底壁，在第一底壁的两个侧边缘部分设置的两个第一侧壁，固体颗粒沿着第一底壁从第一通道的下端离开第一通道部件，用于束流与离开第一通道部件的固体颗粒相互作用。

[0005] 根据本发明的实施例，所述的靶系统还包括：第二通道部件，所述第二通道部件具有用于固体颗粒通过的相对于水平方向倾斜的第二通道，第二通道部件的上端位于第一通道部件的下端的下方，用于离开第一通道部件的固体颗粒落入第二通道部件的上端的朝上的开口中。

[0006] 根据本发明的实施例，所述第二通道部件具有第二底壁，在第二底壁的两个侧边缘部分设置的两个第二侧壁。

[0007] 根据本发明的实施例，第二通道部件还具有位于上端的侧壁，固体颗粒从第二通道部件的下端离开第二通道部件。

[0008] 根据本发明的实施例，所述的靶系统还包括：收集部件，所述收集部件设置在第一通道部件的上游，用于收集固体颗粒，其中收集部件具有开口；以及用于开关该开口的闸门，其中在闸门开启时，收集在收集部件中的固体颗粒流入第一通道部件。

[0009] 根据本发明的实施例，所述收集部件的限定所述开口的底壁和两个侧壁分别与所述第一通道部件的第一底壁和两个第一侧壁的上端邻接，所述收集部件的开口朝向第一通道部件的第一通道的上端的开口。

[0010] 根据本发明的实施例，第一通道部件是槽部件。

[0011] 根据本发明的实施例，第二通道部件是槽部件。

[0012] 根据本发明的实施例，

[0013] 本发明的实施例提供了一种用于产生中子和/或中微子的系统，该用于产生中子和/或中微子的系统包括：上述的靶系统。

[0014] 根据本发明的实施例，所述的用于产生中子和/或中微子的系统还包括：束流发射件，所述束流发射件发射的束流与离开第一通道部件的固体颗粒作用，以产生中子和/或中微子。

[0015] 根据本发明的实施例，例如可以优化颗粒流的射流，以生产中子和/或中微子。

附图说明

[0016] 图1为根据本发明实施例的中子和/或中微子产生系统的整体示意图；

[0017] 图2为根据本发明实施例的中子和/或中微子产生系统的靶系统的示意图。

具体实施方式

[0018] 下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式。

[0019] 如图1至2所示，根据本发明的实施例的中子和/或中微子产生系统100主要包括：靶系统10以及固体颗粒冷却装置5、筛选除尘装置6、颗粒补充回收存储装置7、颗粒提升装置8、汇聚管道9等辅助装置，所述辅助装置用于将固体颗粒冷却、除尘并传送到所述靶系统
10的收集部件1的上端。

[0020] 参见1至2，用于中子和/或中微子产生系统的靶系统10包括：用作靶体的流动固体颗粒；第一通道部件(下面的引导斜槽部件2为第一通道部件的示例)，所述第一通道部件具有用于固体颗粒通过的相对于水平方向倾斜的第一通道，所述第一通道部件具有第一底壁14，在第一底壁14的两个侧边缘部分设置的两个第一侧壁12、13，固体颗粒沿着第一底壁14从第一通道的下端离开第一通道部件，用于束流与离开第一通道部件的固体颗粒相互作用。离开第一通道部件的固体颗粒可以直接进入汇聚漏斗4。第一通道部件可以是槽部件或管部件。第一通道可以具有大致矩形的横截面。第一通道的下端的开口可以是大致矩形的开口。第一底壁可以与第一侧壁垂直。第一底壁和第一侧壁可以由平板形成。第一底壁在宽度方向上的横截面可以与水平方向平行。

[0021] 参见图1至2，用于产生中子和/或中微子的系统100还包括：束流发射件，所述束流发射件发射的束流与离开第一通道部件的固体颗粒作用，以产生中子和/或中微子。

[0022] 参见1至2，靶系统10还包括：第二通道部件(下面的收集斜槽部件3为第二通道部件的示例)，所述第二通道部件具有用于固体颗粒通过的相对于水平方向倾斜的第二通道，第二通道部件的上端位于第一通道部件的下端的下方，用于离开第一通道部件的固体颗粒落入第二通道部件的上端的朝上的开口中。所述第二通道部件具有第二底壁18，在第二底壁18的两个侧边缘部分设置的两个第二侧壁15、17。第二通道部件还可以具有位于上端的另一个第二侧壁16，固体颗粒从第二通道部件的下端离开第二通道部件。第二通道部件可以是槽部件或管部件。第二通道可以具有大致矩形的横截面。第二通道的宽度可以大于或等于第一通道的宽度。

[0023] 如图1和2所示，靶系统10还包括：用于收集固体颗粒的收集部件1；所述收集部件1设置在第一通道部件的上游，用于收集固体颗粒，收集部件具有开口；以及用于开关该开口的闸门11，在闸门11开启时，收集在收集部件1中的固体颗粒流入第一通道部件。根据本发明的示例，所述收集部件1的限定所述开口的底壁和两个侧壁分别与所述第一通道部件的第一底壁14和两个第一侧壁的12、13上端邻接，所述收集部件1的开口朝向第一通道部件的第一通道的上端的开口。收集部件的开口可以是矩形开口。

[0024] 所述第一通道部件可以是用于将固体颗粒引导至束流作用区的引导斜槽部件2；第二通道部件可以是用于将与束流反应后的固体颗粒引导至下游部件的收集斜槽部件3。
靶系统10还包括将反应后收集斜槽部件3中的固体颗粒汇聚于固体颗粒冷却装置5的汇聚漏斗4。引导斜槽部件2设置在收集部件1的下游，其下方为收集斜槽部件3，用于冷却固体颗粒的固体颗粒冷却装置5设置在汇聚漏斗4的下游。固体颗粒在重力驱动下通过收集部件1，到达下游各部件。收集部件1处设置有可控的闸门11，闸门11的开关大小能够根据实际束流束斑的大小进行调节。固体颗粒可以具有球体形状，例如圆球体形状、椭球体形状或其它可以滚动的球体形状。如图1至2所示，所述收集部件1可以是带有可控闸门的水库型，也可以是带有可控阀门的漏斗型。所述引导斜槽部件2和收集斜槽部件3分别可以是一个带有侧壁且下出口无侧壁的斜槽，且收集斜槽部件3的比引导斜槽部件2的横截面略宽。

[0025] 如图2所示，所述引导斜槽部件2和收集斜槽部件3，其外形均可为倾斜水槽型，例如可以具有大致矩形的横截面。所述引导斜槽部件2包括两个侧壁12、13以及底壁14，收集斜槽部件3包括三个侧壁15、16、17及底壁18。引导斜槽部件2的上侧无侧壁，其开口处与收集部件1的闸门11出口处的底壁通过轴相连，例如，铰接连接，引导斜槽部件2和收集斜槽部件3与水平面之间的夹角可调，调整范围为15度到45度之间。收集斜槽部件3的位置设置于引导斜槽部件2的正下方，且与其略有交错。

[0026] 如图1所示，所述辅助装置包括固体颗粒冷却装置5、筛选除尘装置6以及颗粒提升装置8。固体颗粒冷却装置5的功能是将颗粒在靶系统10产生的热量带走。筛选除尘装置6的功能是除去颗粒中的破碎颗粒及灰尘。颗粒提升装置8的上端设有汇聚管道9，用于将固体颗粒供给靶系统10的收集部件1。此外，中子和/或中微子产生系统100还包括：设置在筛选除尘装置6下游的颗粒储存及补充装置7。

[0027] 在本发明的实施例中，中子和/或中微子产生系统是一种小型高通量高能中子和/或中微子源，该中子和/或中微子源中，从电子回旋共振型(ECR)离子源中产生离子，离子经过低能传输线、射频四极场(RFQ)加速器、中能传输线及超导加速段后生成高功率密度束流，高功率密度束流与固体重金属颗粒靶进行反应，产生需要的中子和/或中微子。

[0028] 靶材料可以选择铍合金或者钨合金颗粒等，其颗粒直径可以约为0.1～0.5mm，铍合金可采用铍钨合金、铍钛合金、铍铼合金、以及相关三元合金、例如Be-W-X合金(其中X为Re、Ta、Fe等)，或采用其它金属和合金。小球在重力作用下在通道中连续流动，在束靶耦合区(即束流打靶的区域)与高功率密度束流作用产生中子和/或中微子，同时，固体颗粒还将沉积热量带出束流耦合区，并在固体颗粒冷却装置5中将热导出靶系统10。

[0029] 如图1至2所示，靶系统10由收集部件1、引导斜槽部件2、收集斜槽部件3以及汇聚漏斗4组成。引导斜槽部件2上方的收集部件1可设置为具有可控闸门11的水库型结构，闸门11的开启大小可根据束流束斑的大小进行出口高度的调节。引导斜槽部件2下方为颗粒射流的部分，即为束流打靶位置(如图2箭头所示)。此处，固体颗粒首先在重力作用下从收集部件1的闸门11处流出，沿着引导斜槽部件2向下滚落，当到达引导斜槽部件2下方出口时自由抛出或射流，束流与抛出或射流出的固体颗粒靶进行反应，产生预定剂量的中子和/或中微子。靶系统10的引导斜槽部件2和收集斜槽部件3可以选用耐辐照，耐高温的材料，例如SiC。斜槽壁以及底的厚度均为0.5～2cm。在引导斜槽部件2出口束流打靶区域(或为束靶耦合区)，根据需要设置有用于放置实验样品的样品台。

[0030] 如图1、图2所示，该中子和/或中微子产生系统100的入射束流B可以沿箭头方向平行于引导斜槽部件2出口边缘，例如，底壁14的下端的边缘，且与抛出或射流出的靶颗粒切线方向垂直，并作用其上。除此之外，入射束流B的方向还可以根据需要进行调节。如图2所示，引导斜槽部件2和收集斜槽部件3在竖直方向上间隔开，入射束流B位于引导斜槽部件2和收集斜槽部件3之间的空档，其与引导斜槽部件2底部开口边沿，例如，底壁14的下端的边缘，的夹角为α，其中0°≤α＜360°，即在夹角α范围内可以使束流既能打到颗粒靶又不会击中各斜槽侧壁。入射束流B与抛出或射流出的靶颗粒的距离可调。根据需要可在中子和/或中微子产生区域内设置样品台，样品台的设置高度与束流相同，设置位置可根据实验需要进行调整。

[0031] 如图1所示，固体颗粒冷却装置5与靶系统10的汇聚漏斗4连接，该冷却装置5可采用波纹板式逆流水冷换热器。待冷却的颗粒从上部入口处在重力的作用下向下流动，而水冷换热器内的冷却水是自下而上流动，吸收颗粒携带的热量，并将其带入冷却水处理回路中。板式结构具有单位体积内换热面积大，换热器空间结构紧凑，颗粒运动阻碍小的特点；波纹结构可明显增强换热效果；冷却水与合金颗粒相对逆流能够提高换热器整体换热效率，以水为冷却工质可保证足够的换热温差。通过上述的特点，波纹板式逆流水冷换热器可以在保证冷却剂与固体颗粒非接触流动的同时，最大限度减小换热器体积，保证足够经济性与结构强度。

[0032] 如图1所示，颗粒提升装置8设置于固体颗粒冷却装置7的下游，目的是将换热后经过筛选除尘装置6输送至颗粒补充回收存储装置7中的颗粒输送回靶系统10的收集部件1的上方。颗粒提升装置8可以采用垂直斗式提升机，由电机对配有装载斗的环链进行驱动。相对于其他颗粒驱动方式，斗式提升机主要可动部件为循环链与驱动电机，其机械原理较为简单，并具有较高的配合宽容度。其循环链垂直提升的方式，使得其具有较高的工作效率。作为备选方案，也可使用电磁提升系统。

[0033] 如图1，图2所示，初始状态下，靶系统10的收集部件1的闸门11完全关闭，颗粒从靶系统10上方收集部件1的汇聚管道9的出口处在重力作用下注入收集部件1，颗粒在汇聚到设定高度后收集部件1的闸门11按照束流束斑大小开启成预设高度，此时颗粒在重力作用下从闸门11的出口流出，沿着靶系统10的引导斜槽部件2向下滚落，在到达引导斜槽部件2下出口时，颗粒由于惯性和重力被抛出或射流出，被抛出或射流出的颗粒在下落过程中与高能束流B发生反应产生高通量的中子和/或中微子，产生的高通量的中子和/或中微子作用在样品台的实验样品上。束流与引导斜槽部件2出口的距离可调，并且样品台的高度也随之变化，使样品台中的实验样品能够获得预计的中子和/或中微子辐射剂量。反应后的颗粒落入收集斜槽部件3中，随之导入汇聚漏斗4，继而进入固体颗粒冷却装置5内，吸收颗粒携带的热量。冷却后的颗粒随即进入筛选除尘装置6，筛选除尘装置6可为普通颗粒筛选除尘装置，也可为电磁颗粒筛选除尘装置。经过筛选除尘后的符合标准的颗粒被输送至颗粒补充回收存储装置7中，若经检测发现颗粒补充回收存储装置7中的颗粒少于设定阈值，则需外界对其进行补充，与此同时，颗粒提升装置8会将颗粒补充回收存储装置7中的颗粒靶输送至靶系统10的上游，通过汇聚管道9，进入靶系统10，进行下一轮的中子反应。

[0034] 根据本发明的上述实施例，提供了一种用于小型高通量高能中子和/或中微子源的靶系统10，用以解决现有IFMIF中子源靶在运行过程中由于流体力学的不稳定性而造成的射流影响和强放射性污染等问题，同时解决了颗粒靶中热应力的问题。

[0035] 中子和/或中微子产生系统100中的固体颗粒冷却装置5设置在汇聚漏斗4的下游，该固体颗粒冷却装置5可采用波纹板式逆流水冷换热器。固体颗粒冷却装置5负责将颗粒从靶系统10带出的热量换至二回路。颗粒补充回收存储装置7设置在固体颗粒冷却装置5的下游，用于储存补充换热后的颗粒，并可在以后需要的时候排空系统与控制系统内颗粒总量。颗粒提升装置8的作用是将颗粒补充回收存储装置7中的颗粒输送至收集部件1上方，进行下一轮的核反应。该颗粒提升装置8可采用垂直斗式提升机，由电机对配有装载斗的环链进行驱动。作为备选方案，也可使用电磁提升系统。

[0036] 根据本发明的实施例，所采用的固体颗粒与目前国际上使用的高功率密度液态喷射锂靶相比，可有效解决其在运行过程中由于流体力学的不稳定性而造成的射流影响，明显提高中子产生的稳定性；由于本发明采用的是二级阶梯状斜槽设计，并设置了可调节开口，使其能够根据不同束斑大小的束流，通过对收集部件1处的闸门11进行上下调节，可对引导斜槽部件出口处射流出的颗粒厚度随时进行调整；其次，可有效优化材料的利用率。由于目前公开的已有靶型基本为圆形漏斗，出口呈圆形，其缺点是射流部分具有曲率，使得入射束流在传播方向的穿透距离不均匀，同时射流部分沿径向颗粒的速度差异较大，不利于优化材料的利用率，而本发明中射流出的颗粒靶边缘整齐，有效克服了现有圆形漏斗靶的缺点；再者，固体颗粒可将产生的热量通过颗粒的流动从靶系统带出至固体颗粒冷却装置，并使之换至二回路，有效解决中子源的换热问题；此外，本发明的实施例的中子和/或中微子产生系统结构简单，尺寸大大缩小，可有效降低成本。

[0037] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。