專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于中子管的氣體放電型離子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體放電型離子源，特別涉及一種專(zhuān)用于發(fā)射單原子氫(氘、氚)離子束的氣體放電型離子源，屬于加速器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
中子管是一種安全便攜的中子源，與普通同位素中子源相比，其能譜單色性好，無(wú)Y本底且可以產(chǎn)生脈沖中子，不用時(shí)可以關(guān)斷，因而防護(hù)容易、存儲(chǔ)管理和運(yùn)輸方便。中子管把離子源、加速器、靶和氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)全部集成在一支密閉管內(nèi)，工作時(shí)無(wú)需抽真空設(shè)備和氣源裝置。中子管可廣泛應(yīng)用于國(guó)防工程和工、農(nóng)、醫(yī)領(lǐng)域，特別是軍工及安全檢查領(lǐng)域。在野外使用中子管的時(shí)，中子管的便攜性顯得更為重要，但目前很多具有高產(chǎn)額的中子源都體積龐大，只能在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行。 中子管的中子產(chǎn)額和其中關(guān)鍵部件一氘離子源產(chǎn)生的單原子和分子氘離子的比率有關(guān)，在同樣加速電壓和束流密度下，離子源產(chǎn)生的單原子氘離子比率越高，中子產(chǎn)額就越大，也就是說(shuō)，檢測(cè)的靈敏度和效率也越高。例如，一束含50%D+和50%D2+的離子束以100KeV能量轟擊氚靶獲得的中子產(chǎn)額比用100%D+束在同樣的轟擊條件下獲得的中子產(chǎn)額低48%，即此條件下D2+離子幾乎沒(méi)有與氚靶發(fā)生核反應(yīng)。目前中子管的離子源基本都是基于氣體放電原理，如潘寧源、射頻離子源和微波離子源等，其中潘寧源占主導(dǎo)。潘寧離子源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作氣壓低、供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其電離產(chǎn)生的單原子離子所占比例非常低，此情況下要獲得高產(chǎn)額中子，潘寧源必須輸出的高束流離子轟擊靶材，但這又導(dǎo)致離子濺射和二次電子發(fā)射現(xiàn)象嚴(yán)重，原因是由H2+ (/D2+)所引發(fā)的金屬表面次級(jí)電子的產(chǎn)額幾乎是同一能量下質(zhì)子所引發(fā)的次級(jí)電子的二倍。射頻離子源和微波離子源盡管可以產(chǎn)生很高的比例的單原子離子，但它們的電源系統(tǒng)比較復(fù)雜，調(diào)試難度也比較大，而且它們體積龐大，不適合用于便攜式的中子管。本發(fā)明基于潘寧離子源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作氣壓低、供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，在潘寧離子源的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，目的就是要克服這種氣體放電型離子源發(fā)射離子束中原子離子比率低的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容為解決潘寧離子源出射離子束中原子離子比例低的問(wèn)題，本發(fā)明在傳統(tǒng)潘寧離子源上增加了泡沫活性金屬。泡沫活性金屬的作用是使分子離子束在催化作用下裂解為原子離子束發(fā)射。本發(fā)明的一種用于中子管的氣體放電型離子源，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，從下到上包括磁鋼、下陰極板、陽(yáng)極筒、上陰極板和磁環(huán)，上陰極板和下陰極板垂直于陽(yáng)極筒軸線放置于陽(yáng)極筒之外，磁鋼和磁環(huán)分別緊靠下陰極板和上陰極板放置，上陰極板有一離子束引出孔，離子束引出孔的軸線、磁環(huán)的軸線和陽(yáng)極筒的軸線在同一直線上，其特征在于，還包括一泡沫金屬活性薄板和引出電極，所述泡沫金屬活性薄板通過(guò)一絕緣材料和磁環(huán)隔離后，放置于磁環(huán)之上，其表面與上陰極板表面平行；所述引出電極置于泡沫金屬活性薄板之上。更進(jìn)一步地，上述的一種用于中子管的氣體放電型離子源，其特征在于，所述泡沫金屬活性薄板的材料是Fe、Co、Ni或Ti。更進(jìn)一步地，上述的一種用于中子管的氣體放電型離子源，其特征在于，所述泡沫金屬活性薄板的厚度< 10 mm、平均孔徑彡O. 2 mm、比表面積彡250 m2/m3。工作時(shí)，由于磁鋼和磁環(huán)使陽(yáng)極筒內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到約600高斯，陽(yáng)極筒內(nèi)氣體擊穿后，在磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用下，電子在陽(yáng)極筒內(nèi)反復(fù)撞擊氣體分子使得陽(yáng)極筒內(nèi)產(chǎn)生大量分子離子。分子離子束在偏壓作用下通過(guò)活性金屬時(shí)由于催化作用形成原子離子發(fā)射。采用本發(fā)明離子源可以從引出電極輸出高比率氫(包括其同位素氘或氚)原子離子束，將它用于中子管可以延長(zhǎng)中子管的工作壽命、提高中子產(chǎn)額。

·[0009]圖I本發(fā)明的用于中子管的氣體放電離子源剖面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，各附圖的標(biāo)記含義為I-磁鋼、2-下陰極板、3-陽(yáng)極筒、4-上陰極板、5-磁環(huán)、6-絕緣材料、7_泡沫金屬活性薄板、8-引出電極。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例一如圖I所示，一種用于中子管的氣體放電型離子源，包括，磁鋼I、下陰極板2、陽(yáng)極筒3、上陰極板4、磁環(huán)5、絕緣材料6、Ni泡沫金屬活性薄板7和引出電極8。Ni泡沫金屬活性薄板7,其厚度是3 mm、平均孔徑=0. 23 mm、比表面積=5800 m2/m3。磁鋼I和磁環(huán)5使陽(yáng)極筒內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到600高斯。該離子源安放于真空室內(nèi)，然后在真空室內(nèi)充入氘氣體達(dá)到10_3 — 10_2Pa。工作時(shí)，接上外置電源。陽(yáng)極筒3和上陰極4、下陰極2 (上下陰極串聯(lián))外接一脈沖電源電壓1800-2300 V，電源頻率10 kHz。氣體擊穿后由于磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用，電子在陽(yáng)極筒內(nèi)反復(fù)撞擊氣體分子使得陽(yáng)極筒內(nèi)產(chǎn)生大量氘分子離子。Ni泡沫金屬活性薄板7相對(duì)于上陰極接-700 V左右的低壓電源，引出電極8相對(duì)于Ni泡沫金屬活性薄板7外接-10 kV以上的高壓脈沖電源。由于Ni泡沫金屬活性薄板7的催化作用，從下陰極發(fā)射的氘分子離子會(huì)在泡沫金屬內(nèi)轉(zhuǎn)變成為氘原子離子，經(jīng)引出電極8加速后可用回旋質(zhì)譜儀測(cè)試氘原子和分子離子束比例。測(cè)試結(jié)果表明，啟動(dòng)離子源后，無(wú)Ni泡沫金屬活性薄板7時(shí)，輸出的原子和分子離子束之比為1:8 ;加Ni泡沫金屬活性薄板7后氘原子和分子離子束之比變?yōu)?:0.6。實(shí)施例二如圖I所示，一種用于中子管的氣體放電型離子源，包括，磁鋼I、下陰極板2、陽(yáng)極筒3、上陰極板4、磁環(huán)5、絕緣材料6、Fe泡沫金屬活性薄板7和引出電極8。Fe泡沫金屬活性薄板7,其厚度是3 mm、平均孔徑=0.6 mm、比表面積=1500 m2/m3。磁鋼I和磁環(huán)5使陽(yáng)極筒內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到600高斯。該離子源安放于真空室內(nèi)，然后在真空室內(nèi)充入氘氣體達(dá)到10_3 — 10_2Pa。工作時(shí)，接上外置電源。陽(yáng)極筒3和上陰極4、下陰極2 (上下陰極串聯(lián))外接一脈沖電源電壓1800-2300 V，電源頻率10 kHz。氣體擊穿后由于磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用，電子在陽(yáng)極筒內(nèi)反復(fù)撞擊氣體分子使得陽(yáng)極筒內(nèi)產(chǎn)生大量氘分子離子。Fe泡沫金屬活性薄板7相對(duì)于上陰極接-700 V左右的低壓電源，引出電極8相對(duì)于Fe泡沫金屬活性薄板7外接-10 kV以上的高壓脈沖電源。由于Fe泡沫金屬活性薄板7的催化作用，從下陰極發(fā)射的氘分子離子會(huì)在泡沫金屬內(nèi)轉(zhuǎn)變成為氘原子離子，經(jīng)引出電極8加速后可用回旋質(zhì)譜儀測(cè)試氘原子和分子離子束比例。測(cè)試結(jié)果表明，啟動(dòng)離子源后，無(wú)Fe泡沫金屬活性薄板7時(shí)，輸出的原子和分子離子束之比為1:8 ;WFe泡沫金屬活性薄板7后氘原子和分子離子束之比變?yōu)?:1。實(shí)施例三如圖I所示，一種用于中子管的氣體放電型離子源，包括，磁鋼I、下陰極板2、陽(yáng)極筒3、上陰極板4、磁環(huán)5、絕緣材料6、Co泡沫金屬活性薄板7和引出電極8。Co泡沫金屬活性薄板7,其厚度是3 mm、平均孔徑=1.6 mm、比表面積=250 m2/m3。磁鋼I和磁環(huán)5使陽(yáng)極筒內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到600高斯。該離子源安放于真空室內(nèi)，然后在真空室內(nèi)充入氘氣體達(dá) 到10_3 — 10_2Pa。工作時(shí)，接上外置電源。陽(yáng)極筒3和上陰極4、下陰極2 (上下陰極串聯(lián))外接一脈沖電源電壓1800-2300 V，電源頻率10 kHz。氣體擊穿后由于磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用，電子在陽(yáng)極筒內(nèi)反復(fù)撞擊氣體分子使得陽(yáng)極筒內(nèi)產(chǎn)生大量氘分子離子。Co泡沫金屬活性薄板7相對(duì)于上陰極接-700 V左右的低壓電源，引出電極8相對(duì)于Co泡沫金屬活性薄板7外接-10 kV以上的高壓脈沖電源。由于Co泡沫金屬活性薄板7的催化作用，從下陰極發(fā)射的氘分子離子會(huì)在泡沫金屬內(nèi)轉(zhuǎn)變成為氘原子離子，經(jīng)引出電極8加速后可用回旋質(zhì)譜儀測(cè)試氘原子和分子離子束比例。測(cè)試結(jié)果表明，啟動(dòng)離子源后，無(wú)Co泡沫金屬活性薄板7時(shí)，輸出的原子和分子尚子束之比為1:8 ;加Co泡沫金屬活性薄板7后氣原子和分子尚子束之比變?yōu)?:1. 5。實(shí)施例四如圖I所示，一種用于中子管的氣體放電型離子源，包括，磁鋼I、下陰極板2、陽(yáng)極筒3、上陰極板4、磁環(huán)5、絕緣材料6、Ti泡沫金屬活性薄板7和引出電極8。Ti泡沫金屬活性薄板7,其厚度是3 mm、平均孔徑=0.95 mm、比表面積=500 m2/m3。磁鋼I和磁環(huán)5使陽(yáng)極筒內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到600高斯。該離子源安放于真空室內(nèi)，然后在真空室內(nèi)充入氘氣體達(dá)到10_3 — 10_2Pa。工作時(shí)，接上外置電源。陽(yáng)極筒3和上陰極4、下陰極2 (上下陰極串聯(lián))外接一脈沖電源電壓1800-2300 V，電源頻率10 kHz。氣體擊穿后由于磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用，電子在陽(yáng)極筒內(nèi)反復(fù)撞擊氣體分子使得陽(yáng)極筒內(nèi)產(chǎn)生大量氘分子離子。Ti泡沫金屬活性薄板7相對(duì)于上陰極接-700 V左右的低壓電源，引出電極8相對(duì)于Ti泡沫金屬活性薄板7外接-10 kV以上的高壓脈沖電源。由于Ti泡沫金屬活性薄板7的催化作用，從下陰極發(fā)射的氘分子離子會(huì)在泡沫金屬內(nèi)轉(zhuǎn)變成為氘原子離子，經(jīng)引出電極8加速后可用回旋質(zhì)譜儀測(cè)試氘原子和分子離子束比例。測(cè)試結(jié)果表明，啟動(dòng)離子源后，無(wú)Ti泡沫金屬活性薄板7時(shí)，輸出的原子和分子離子束之比為1:8 ;加Ti泡沫金屬活性薄板7后氘原子和分子離子束之比變?yōu)?:1. 5。
權(quán)利要求1.一種用于中子管的氣體放電型離子源，從下到上包括磁鋼(I)、下陰極板(2)、陽(yáng)極筒(3)、上陰極板(4)和磁環(huán)(5)，上陰極板(4)和下陰極板(2)垂直于陽(yáng)極筒(3)的軸線放置于陽(yáng)極筒(3)之外，磁鋼(I)和磁環(huán)(5)分別緊靠下陰極板(2)和上陰極板(4)放置，上陰極板(4)有一離子束引出孔，離子束引出孔的軸線、磁環(huán)(5)的軸線、陽(yáng)極筒(3)的軸線在同一直線上，其特征在于，還包括一泡沫金屬活性薄板(7)和引出電極(8)，所述泡沫金屬活性薄板(7)通過(guò)一絕緣材料(6)和磁環(huán)(5)隔離后，放置于磁環(huán)之上，其表面與上陰極板(4)表面平行；所述引出電極(8)置于泡沫金屬活性薄板(7)之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于中子管的氣體放電型離子源，其特征在于，所述泡沫金屬活性薄板(7)的材料是Fe、Co、Ni或Ti。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于中子管的氣體放電型離子源，其特征在于，所述泡沫金屬活性薄板(7)的厚度< 10 mm、平均孔徑彡O. 23 mm、比表面積彡250 m2/m3。
專(zhuān)利摘要一種用于中子管的氣體放電型離子源，屬于加速器技術(shù)領(lǐng)域。從下到上包括磁鋼、下陰極板、陽(yáng)極筒、上陰極板、磁環(huán)、泡沫金屬活性薄板和引出電極。工作時(shí)，陽(yáng)極筒和上陰極、下陰極(上下陰極串聯(lián))外接一脈沖電源電壓。泡沫金屬活性薄板相對(duì)于上陰極接低壓電源，引出電極相對(duì)于柵極外接高壓脈沖電源。由于泡沫金屬活性薄板的催化作用，從下陰極發(fā)射的氘分子離子會(huì)在泡沫金屬內(nèi)轉(zhuǎn)變成為氘原子離子，經(jīng)引出電極加速后可用回旋質(zhì)譜儀測(cè)試氘原子和分子離子束比例。采用本實(shí)用新型離子源可以從引出電極輸出高比率氫(包括其同位素氘或氚)原子離子束，將它用于中子管可以延長(zhǎng)中子管的工作壽命、提高中子產(chǎn)額。
文檔編號(hào)H01J27/04GK202721106SQ20122023412
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者鄒宇, 伍建春, 展長(zhǎng)勇 申請(qǐng)人:四川大學(xué)