一种基于氘氚混合束的中子源装置

摘要

本申请提供一种基于氘氚混合束的中子源装置包括离子注入系统、靶系统和溅射源，离子注入系统用于产生氘氚混合离子束轰击靶系统，靶系统包括靶盘和靶基，靶盘朝向离子注入系统的表面包括储氢薄膜，溅射源用于向靶盘补充储氢薄膜原料；在氘氚混合离子束轰击靶系统过程中，部分氘或氚被不断储存在靶系统的储氢薄膜中，后续的氘氚混合离子束轰击靶时会与储氢薄膜中储存的氘或氚作用而产生中子；避免了传统方法实验过程中氚靶中氚含量逐渐降低而导致中子产额不断降低的情况，实现了氚的自持；同时利用溅射源对靶系统不断补充靶材元素，提高靶盘的储氢薄膜的质量，从而提高靶盘的储氢能力，进而提高靶系统寿命，并确保获得持续的高通量中子。

权利要求

1.一种基于氘氚混合束的中子源装置，其特征在于，包括：离子注入系统、溅射源和靶系统；

所述离子注入系统包括至少一个第一离子源和至少一个第二离子源，所述第一离子源用于产生氘离子束，所述第二离子源用于产生氚离子束，所述离子注入系统用于产生氘氚混合离子束轰击所述靶系统；

所述靶系统包括靶盘和靶基，所述靶盘朝向所述离子注入系统的表面包括储氢薄膜，所述储氢薄膜用于接收所述离子注入系统产生的氘氚混合离子束，并储存氘或氚，并使所述氘或氚与所述氘氚混合离子束作用产生中子；所述靶基用于带动所述靶盘平移或旋转；

所述靶盘朝向所述离子注入系统的表面为波浪面；

所述靶盘朝向所述离子注入系统的表面背离所述离子注入系统的一侧还设置有水管阵列，通过所述水管陈列的水流带走热量，对所述靶盘进行冷却，所述水管的直径范围为

0.2 mm-5 mm，包括端点值；

所述溅射源位于所述靶盘的一侧，用于向所述靶盘补充所述储氢薄膜原料。

2.根据权利要求1所述的基于氘氚混合束的中子源装置，其特征在于，所述离子注入系统还包括至少两个加速结构，所述加速结构与离子源一一对应设置，并设置在离子源出射离子束的方向上，用于对所述离子源产生的离子束进行加速处理。

3.根据权利要求1所述的基于氘氚混合束的中子源装置，其特征在于，所述靶基包括：第一传动装置、第二传动装置和第三传动装置；

所述第一传动装置用于带动靶盘沿第一方向平移；

所述第二传动装置用于带动靶盘沿第二方向平移；

所述第三传动装置用于带动靶盘绕靶盘中心旋转；

其中，所述第一方向垂直于所述第二方向。

4.根据权利要求3所述的基于氘氚混合束的中子源装置，其特征在于，所述氘氚混合离子束的轰击方向与所述靶盘所在平面垂直。

5.根据权利要求3所述的基于氘氚混合束的中子源装置，其特征在于，所述氘氚混合离子束的轰击方向相对于所述靶盘所在平面为斜入射。

6.根据权利要求1所述的基于氘氚混合束的中子源装置，其特征在于，所述储氢薄膜原料为钛、铝、铂、钯、镍和钛镍合金中的一种。

说明书

一种基于氘氚混合束的中子源装置

技术领域

[0001] 本发明属于核技术及应用领域，具体涉及一种基于氘氚混合束的中子源装置。

背景技术

[0002] 借助核反应产生中子并提供使用的装置称之为中子源，包括同位素中子源、加速器中子源和反应堆中子源。其中加速器中子源是利用加速器产生的一定能量的离子与靶作用，通过发生D-D或者D-T聚变反应，产生中子。加速器中子源在物理、工程、医药、核武器、石油勘探、生物、化学、核动力和其他工业中有着广泛的用途。如可应用于中子辐射屏蔽与防护、材料活化与辐照损伤、部件中子学性能等基础研究，也可应用于核医学与放射治疗、中子照相、核武器检测等。中子流强高低是中子源性能的一项重要指标。随着科技的进步，各领域对中子的需求越来越高。中子流强越高，发散度越小，快中子照相的效率、质量和分辨率越高。

[0003] 但目前在运氘氚聚变中子源，中子流强普遍不高，寿命较短且无法获得持续的高通量中子，因此，无法满足聚变中子学实验验证、聚变材料辐照损伤实验等研究，以及核医学与核技术应用等工作需求。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明提供一种基于氘氚混合束的中子源装置，以解决现有技术中的中子源的中子流强不高，寿命较短，且无法获得持续的高通量中子的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 一种基于氘氚混合束的中子源装置，包括：

[0007] 离子注入系统、溅射源和靶系统；

[0008] 所述离子注入系统包括至少一个离子源，所述离子注入系统用于产生氘氚混合离子束轰击所述靶系统；

[0009] 所述靶系统包括靶盘和靶基，所述靶盘朝向所述离子注入系统的表面包括储氢薄膜，所述储氢薄膜用于接收所述离子注入系统产生的氘氚混合离子束，并储存氘或氚，并使所述氘或氚与所述氘氚混合离子束作用产生中子；所述靶基用于带动所述靶盘平移或旋转；

[0010] 所述溅射源位于所述靶盘的一侧，用于向所述靶盘补充所述储氢薄膜原料。

[0011] 优选地，所述离子注入系统包括一个离子源，所述离子源用于产生氘氚混合离子束。

[0012] 优选地，所述离子注入系统包括至少一个第一离子源和至少一个第二离子源，所述第一离子源用于产生氘离子束，所述第二离子源用于产生氚离子束。

[0013] 优选地，所述离子注入系统还包括至少一个加速结构，所述加速结构与离子源一一对应设置，并设置在离子源出射离子束的方向上，用于对所述离子源产生的离子束进行加速处理。

[0014] 优选地，所述靶盘朝向所述离子注入系统的表面为平面、弧面或波浪面。

[0015] 优选地，所述靶盘朝向所述离子注入系统的表面背离所述离子注入系统的一侧还设置有水管阵列，通过所述水管陈列的水流带走热量，对所述靶盘进行冷却。

[0016] 优选地，所述水管的直径范围为0.2mm-5mm，包括端点值。

[0017] 优选地，所述靶基包括：第一传动装置、第二传动装置和第三传动装置；

[0018] 所述第一传动装置用于带动靶盘沿第一方向平移；

[0019] 所述第二传动装置用于带动靶盘沿第二方向平移；

[0020] 所述第三传动装置用于带动靶盘绕靶盘中心旋转；

[0021] 其中，所述第一方向垂直于所述第二方向。

[0022] 优选地，所述氘氚混合离子束的轰击方向与所述靶盘所在平面垂直。

[0023] 优选地，所述氘氚混合离子束的轰击方向相对于所述靶盘所在平面为斜入射。

[0024] 优选地，所述靶材原料为钛、铝、铂、钯、镍和钛镍合金中的一种。

[0025] 经由上述的技术方案可知，本发明提供的基于氘氚混合束的中子源装置包括离子注入系统、靶系统和溅射源，至少具有以下有益效果：

[0026] 1)相比于传统的中子源采用氘离子轰击氚靶的方式，本发明使用氘氚混合离子束轰击不含氚的靶系统，氘氚混合离子束轰击靶系统过程中，部分氘或氚被不断储存在靶系统的储氢(储氘和/或储氚)薄膜中，后续的氘氚混合离子束轰击靶时会与储氢薄膜中储存的氘或氚作用而产生中子；避免了传统方法实验过程中氚靶中氚含量逐渐降低而导致中子产额不断降低的情况，实现了氚的自持；

[0027] 2)靶盘表面的储氢薄膜会因离子束的溅射而不断被侵蚀掉，导致储氢薄膜的储氢能力降低，进而导致中子产额下降，利用溅射源对靶系统不断补充靶材元素，提高靶盘的储氢薄膜的质量，从而提高靶盘的储氢能力，进而实现靶系统的长期稳定运行，提高靶系统寿命，并确保获得持续的高通量中子。

附图说明

[0028] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0029] 图1为本发明实施例提供的一种基于氘氚混合束的中子源装置结构示意图；

[0030] 图2为本发明实施例提供的一种单离子源的基于氘氚混合束的中子源装置；

[0031] 图3为靶系统的侧视图；

[0032] 图4为靶系统的主视图；

[0033] 图5为靶系统的靶盘侧视图；

[0034] 图6为本发明实施例提供的一种多离子源的基于氘氚混合束的中子源装置；

[0035] 图7为本发明实施例提供的另一种多离子源的基于氘氚混合束的中子源装置。

具体实施方式

[0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0037] 传统的氘氚聚变中子源，其靶盘为氚靶，利用氘离子束与氚靶作用，发生核反应产生中子，受氘离子的束流强度和靶的氚含量等因素影响，中子产额较小，且由于氚靶寿命问题，无法获得持续的高通量中子。

[0038] 请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于氘氚混合束的中子源装置结构示意图，所述基于氘氚混合束的中子源装置包括：离子注入系统1、靶系统2和溅射源3；离子注入系统1包括至少一个离子源，离子注入系统1用于产生氘氚混合离子束轰击靶系统2；靶系统2包括靶盘21和靶基22，靶盘21朝向离子注入系统1的表面包括储氢薄膜23，储氢薄膜23用于接收离子注入系统1产生的氘氚混合离子束，并储存氘或氚，并使氘或氚与氘氚混合离子束作用产生中子；靶基22用于带动靶盘21位移或旋转；溅射源3位于靶盘21的一侧，用于向靶盘21补充储氢薄膜23原料。

[0039] 所述基于氘氚混合束的中子源装置的工作原理为：离子注入系统1向靶系统2发射氘氚混合离子束，氘氚混合离子束中的氘和/或氚被靶系统2的靶盘23上的储氢薄膜储存起来，当氘氚混合离子束不断轰击靶盘23的过程中，氘氚混合离子束中的氘与靶盘23上的氘发生D-D聚变反应产生中子，和/或氘氚混合离子束中的氚与靶盘23上的氘发生D-T聚变反应产生中子，和/或氘氚混合离子束中的氘与靶盘23上的氚发生D-T聚变反应产生中子。同时，溅射源3不断向靶盘21溅射储氢薄膜23原料，在靶基22带动靶盘21的位移移动或旋转过程中，对储氢薄膜23进行实时补充，使得储氢薄膜23的储氢能力一直保持，从而实现中子产额基本不变，且能够获得持续的高通量中子。

[0040] 本发明实施例中离子注入系统1用于产生氘氚混合离子束，可以采用一个或多个离子源实现，当采用一个离子源时，需要同时对该离子源供应氘气和氚气，可设置氘和氚不同的进气流量，实现不同的氘氚比，从而实现离子注入系统1产生氘氚混合离子束；当采用多个离子源时，离子注入系统包括至少一个第一离子源和至少一个第二离子源，所述第一离子源用于产生氘离子束，所述第二离子源用于产生氚离子束，即通过对至少一个第一离子源供应氘气，对至少一个第二离子源供应氚气，从而实现离子注入系统1产生氘氚混合离子束。

[0041] 需要说明的是，当所需氘或者氚离子束流强一定时，可选地，使用单个离子源来实现产生氘氚混合离子束，这样可以节省资源，并且操作起来更方便。但，如果单个离子源可提供的最大束流强度无法达到所需的氘氚混合离子束流强要求时，可选地，使用多个离子源来实现，以提高总的到靶系统的氘氚混合离子束的束流强度。

[0042] 本实施例中，靶系统2包括靶盘21和靶基22；其中，靶基22能够使靶盘21在其所在平面内进行平移运动，且可以绕靶盘21的中心旋转。在靶基22的带动下，靶盘21平移或旋转，使得靶盘21可以垂直于氘氚混合离子束方向，也可以与所述氘氚混合离子束的轰击方向成一定角度。本实例例中，不限定所述氘氚混合离子束的轰击方向与所述靶盘所在平面的关系。

[0043] 可选的，所述氘氚混合离子束的轰击方向与靶盘21所在平面成一定夹角，也即，所述氘氚混合离子束的轰击方向相对于所述靶盘所在平面为斜入射。由于氘氚混合离子束为斜入射靶盘21表面，对于相同能量的氘氚混合离子束，斜入射的氘氚混合离子束与靶盘21上储氢薄膜21的作用面积更大，更有利于靶盘21的散热。

[0044] 需要说明的是，本实施例中所述氘氚混合离子束的轰击方向为离子注入系统产生氘氚混合离子束后，氘氚混合离子束的运行方向，如图他1中的方向F所示。

[0045] 本实施例中溅射源3位于靶盘21的一侧，用于向靶盘21补充储氢薄膜23原料。由于氘氚混合离子束与储氢薄膜23作用时，不断消耗储氢薄膜23中的靶材元素，为提高靶系统2的质量和寿命，并确保获得持续的高通量中子，溅射源3对靶系统2在线补充的储氢薄膜23原料为钛、铝、铂、钯、镍和钛镍合金中的一种，上述储氢薄膜原料均具有较强的储氢能力，当氘氚混合离子束轰击靶系统过程中，从而使得部分氘或氚被储存在靶盘表面的储氢薄膜中。

[0046] 进一步，本发明实施例中所述基于氘氚混合束的中子源装置，还可以包括至少一个加速结构，加速结构与离子源一一对应设置，并设置在离子源出射离子束的方向上，用于对所述离子源产生的离子束进行加速处理。

[0047] 本发明实施例提供的基于氘氚混合束的中子源装置包括离子注入系统、靶系统和溅射源，氘氚混合离子束轰击靶系统过程中，部分氘或氚被不断储存在靶系统的储氢薄膜中，后续的氘氚混合离子束轰击靶时会与储氢薄膜中储存的氘或氚作用而产生中子；避免了传统方法实验过程中氚靶中氚含量逐渐降低而导致中子产额不断降低的情况，实现了氚的自持；另外，通过溅射源对靶系统不断补充靶材元素，提高靶盘的储氢薄膜的质量，从而提高靶盘的储氢能力，进而实现靶系统的长期稳定运行，提高靶系统寿命，并确保获得持续的高通量中子。

[0048] 请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种单离子源的基于氘氚混合束的中子源装置，包括：离子注入系统1、靶系统2和溅射源3，其中，离子注入系统1包括一个离子源11，离子源11产生氘氚氘氚混合离子束4，为进一步提高氘氚混合离子束的能量，本实施例中，离子注入系统1还包括与离子源11相对应的加速结构13，加速结构13由两个或多个电极构成，且电极间距可调，经加速结构13加速后的氘氚混合离子束4与靶系统2中的靶盘21作用，发生D-D反应或D-T反应，产生氘氘或氘氚聚变中子。

[0049] 靶系统2包括靶盘21和靶基22。请参见图3和图4，图3为靶系统2的侧视图，图4为靶系统2的主视图；其中，靶基22包括第一传动装置221、第二传动装置222和第三传动装置223。第一传动装置221用于带动靶盘21沿第一方向平移；第二传动装置222用于带动靶盘21沿第二方向平移；第三传动装置223用于带动靶盘21绕靶盘中心旋转，其中第一方向垂直于第二方向，可选地，如图3和图4所示，所述第一方向为图3中所示的竖直方向，第二方向为图
4中所示的水平方向。在靶基22的作用下，靶盘21可高速旋转的同时，在水平方向做左右平移运动移动或竖直方向做上下平移运动。

[0050] 本实施例中，如图5所示，为靶系统中靶盘的侧视图，图中箭头所指方向为离子束入射方向，也即轰击方向，本实施例中靶盘21朝向离子注入系统1的表面即轰击面可以为平面、弧面或波浪面；为使所述轰击面的散热能力提高，本实施例中可选地，所述轰击面为波浪形，波浪形表面设置有一定厚度的金属薄膜层，所述金属薄膜层为储氢薄膜23。为提高靶盘21的散热速度，本实施例中还可以在靶盘21波浪形表面背离所述离子注入系统的一侧，布满细水管阵列，水管阵列排布方向与靶盘的平面表面平行，如图5所示，水管截面24在靶盘的侧面，通过所述水管陈列的水流带走热量，对靶盘21进行冷却。细水管阵列中细水管的直径越小越好，直径越小，细水管可以排列得更密集，有利于靶盘的均匀散热；但细水管的直径小于0.2mm时，在工程上实现起来难度较大，而当细水管的直径大于5mm时，不利于靶盘的均匀散热。因此，本实施例中可选地，所述细水管的直径范围为0.2mm-5mm，包括端点值。

[0051] 溅射源3向靶盘21朝向离子注入系统的表面在线补充储氢薄膜原料，所述储氢薄膜的原料为钛、铝、铂、钯、镍和钛镍合金中的一种，所述储氢薄膜23的原料均具有较强的储氢能力，当氘氚混合离子束轰击靶系统过程中，部分氘或氚会被储存在靶盘表面的储氢薄膜中。

[0052] 本实施例中通过靶基22控制靶盘21的移动，使靶盘21所在平面与离子束入射方向垂直。离子束与靶盘21表面的储氢薄膜作用过程中，靶盘21可在上下左右四个方向平行移动，同时绕着靶盘21中心轴高速旋转。因大功率离子束与靶盘21表面的储氢薄膜作用过程中，会在靶盘21表面局部产生大量的热量，靶盘21的高速旋转和平移运动可大大提高靶盘21的散热能力；同时靶盘21表面设计为波浪形，可增大靶盘21表面积，进而增大靶盘21表面的散热能力；靶盘21表面以下的细水管阵列用于靶盘21的冷却，有助于靶盘21的散热。同时利用溅射源3对靶盘21表面在线沉积储氢薄膜，以补充靶材。因氘氚混合离子束轰击靶盘21表面过程中，储氢薄膜中靶材原料会因氘氚混合离子束的溅射而不断被侵蚀掉，溅射源3可实时补充储氢薄膜原料，提高靶盘21表面的储氢薄膜质量，并延长靶系统2寿命，以便产生持续的高通量中子。

[0053] 请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种多离子源的基于氘氚混合束的中子源装置，包括：离子注入系统1、靶系统2和溅射源3，其中，离子注入系统1包括第一离子源111和第二离子源112，第一离子源111产生氘离子束41，同时第二离子源112产生氚离子束42，一定能量的氘离子束41和氚离子束42与靶系统2作用，发生D-D或D-T反应，产生氘氘或氘氚聚变中子。

[0054] 需要说明的是，本发明实施例与上述实施例中不同之处在于，本实施例中离子注入系统包括两个离子源，两个离子源分别产生氘离子束和氚离子束，通过使用多个离子源来氘氚混合离子束的产生，从而能够提高总的到靶系统的氘氚混合离子束的束流强度。

[0055] 本发明实施例提供的多离子源的基于氘氚混合束的中子源装置中的其他结构与上一实施例中提供的单离子源的基于氘氚混合束的中子源装置相同，本实施例中对此不作详细赘述。

[0056] 请参见图7，图7为本发明实施例提供的另一种多离子源的基于氘氚混合束的中子源装置，为进一步提高氘氚混合离子束的能量，本实施例中在每个离子源后方增加设置加速结构，其中加速结构与离子源一一对应设置，从第一离子源111出射的氘离子束经过加速结构113加速后形成较高能量的氘离子束41，到达靶系统2，同时从第二离子源112出射的氚离子束经过加速结构114加速后形成较高能量的氚离子束42，到达靶系统2，较高能量的氘离子束41和较高能量的氚离子束42与靶系统2中靶盘21上的储氢薄膜中的氘或氚作用，发生D-D或D-T反应，产生氘氘或氘氚聚变中子。

[0057] 其中，加速结构113和加速结构114的结构可以相同，也可以不同，本实施例中对此不做限定。本实施例中可选地，加速结构113和加速结构114均由两个或多个电极构成，且电极间距可调。

[0058] 需要说明的是，本发明实施例与上一实施例中不同之处在于，本实施例中离子注入系统还包括分别与两个离子源对应设置的加速结构，所述加速结构能够进一步提高氘氚混合离子束的能量，较高能量的氘离子或氚离子与储氢薄膜中的氘或氚作用，可使中子产额进一步提高。

[0059] 本发明实施例提供的多离子源的基于氘氚混合束的中子源装置中的其他结构与上面实施例中提供的单离子源的基于氘氚混合束的中子源装置相同，本实施例中对此不作详细赘述。

[0060] 需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

[0061] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。