一種掃描微焦靶的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種掃描微焦靶，所述裝置是用于加速器中子源的掃描微焦靶。氘或氘氚混合離子束經(jīng)加速器加速到額定能量之后，采用交變掃描磁場(chǎng)將離子束快速均勻展開成小角度扇形離子束，然后再進(jìn)入電四極場(chǎng)或磁四極場(chǎng)，在長(zhǎng)度方向上進(jìn)一步散焦展開，在垂直方向縮小至所需要的微小尺寸，形成大角度扇形離子束。扇形離子束轟擊到一個(gè)移動(dòng)靶上，在平行于靶面的展開方向上，產(chǎn)生與微焦斑點(diǎn)狀中子源等效的出射中子束。本實(shí)用新型的掃描微焦靶適合在需要具備方向性和點(diǎn)源特性的高產(chǎn)額加速器中子源上應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】
一種掃描微焦靶
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于核技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種掃描微焦靶。
【背景技術(shù)】
[0002]直線加速結(jié)構(gòu)的中子發(fā)生器是比較成熟的技術(shù)，產(chǎn)品數(shù)量也很多，如何提升這類中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額，延長(zhǎng)靶的使用壽命，同時(shí)減小焦斑尺寸，提高成像質(zhì)量，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
[0003]當(dāng)前有幾種方式提升靶承受離子束轟擊功率的能力:一是采用搖擺靶，讓靶面作機(jī)械擺動(dòng)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是在不增加束斑尺寸的條件下，離子束在靶面上不再僅僅轟擊一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)面，將平均功率大幅度降低，可以增加離子束流，點(diǎn)源特性保持不變;其缺點(diǎn)是機(jī)械擺動(dòng)的速度不夠快，展開的長(zhǎng)度有限，體積較大，同時(shí)在回轉(zhuǎn)的邊緣有停頓，瞬態(tài)溫升比較高，單純的搖擺靶，其沉積功率密度可以提升幾倍，提升幅度有限。二是《旋轉(zhuǎn)靶強(qiáng)流中子源及其應(yīng)用》(期刊《現(xiàn)代物理知識(shí)》，1996年第05期)公開了一種采用旋轉(zhuǎn)靶方式增加靶面積的方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在不增加束斑尺寸的條件下，通過(guò)靶面的高速旋轉(zhuǎn)，大幅度降低瞬時(shí)溫升和平均溫升，從而大幅度提升靶承受沉積功率的能力，進(jìn)而提升中子產(chǎn)額和通量，該方法的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，旋轉(zhuǎn)速度極快(1000?5000轉(zhuǎn)/分鐘)，進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)速的難度很大，可靠性差，成本高;三是中國(guó)專利文獻(xiàn)庫(kù)公開的CN201010238639.5一種采用無(wú)窗氣體靶的小型中子源，該方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)固定靶，產(chǎn)額高，靶壽命長(zhǎng)，該方法的缺點(diǎn)是技術(shù)難極高，真空系統(tǒng)體積龐大，能耗高，造價(jià)高。
[0004]目前，尚無(wú)一種經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有方向性、點(diǎn)源特性以及束流分布均勻的掃描微焦靶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種掃描微焦靶。
[0006]本實(shí)用新型的掃描微焦靶，其特點(diǎn)是，包括掃描磁鐵、四極透鏡、移動(dòng)靶，入射離子束穿過(guò)掃描磁鐵，在Y方向來(lái)回偏轉(zhuǎn)，形成展開角為β?的扇形離子束I，扇形離子束I再進(jìn)入四極透鏡，形成展開角為β2的扇形離子束Π，β1〈β2，扇形離子束Π轟擊移動(dòng)靶，產(chǎn)生與等效焦斑相同特性的出射方向中子束;所述的移動(dòng)靶的轟擊面為斜面。
[0007]所述的入射離子束為氘或氘氚混合離子束中的一種。
[0008]所述的掃描磁鐵產(chǎn)生Z方向的交變磁場(chǎng)，頻率20Hz?1kHz。
[0009]所述的四極透鏡為電四極透鏡或磁四極透鏡中的一種，優(yōu)選電四極透鏡。
[0010]所述的扇形離子束Π的展開角β2范圍為-30°?30°。
[0011]所述的扇形離子束Π在移動(dòng)靶上轟擊區(qū)域的Z方向?qū)挾确秶鸀?mm?10mm。
[0012]所述的移動(dòng)靶斜面傾斜角α范圍為3°?15°。
[0013]所述的移動(dòng)靶在ζ方向來(lái)回平移。
[0014]入射離子束從X方向入射，從掃描磁鐵中部穿過(guò)，在交變磁場(chǎng)的作用下，在Y方向上來(lái)回掃描，初步均勻展開成小角度的扇形離子束I，再進(jìn)入四極透鏡，由四極透鏡進(jìn)一步展開成較大角度的均勻分布的扇形離子束Π，同時(shí)在Z方向聚焦縮小至需要的微尺寸。扇形離子束Π在長(zhǎng)度方向上的密度分布不再是不均勻的高斯分布，而是由交變掃描磁鐵掃描展開的基本均勻的分布，靶面上的溫升均勻。移動(dòng)靶是一個(gè)可以在Z方向作來(lái)回運(yùn)動(dòng)的中子靶，使離子束轟擊在不同的靶位置上。移動(dòng)靶每次運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)位置是變化的，即運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)的位置不是固定在一條邊界上，而是基本均勻地分布在整個(gè)靶面上。在不追求高產(chǎn)額時(shí)，也可以采用固定靶，由于轟擊面積已經(jīng)遠(yuǎn)大于原有束斑面積，峰值功率密度大幅度降低。移動(dòng)靶的靶面略向中子束出射方向，即Y方向，傾斜一個(gè)微小角度α，便于中子順利出射，傾斜角度α由中子束出射方向上所需要的投影尺寸確定。離子束轟擊到靶上后，將發(fā)生DD或者DT反應(yīng)，放射出中子，在Y方向上形成與微焦斑點(diǎn)狀中子發(fā)生器等效的準(zhǔn)直性很高的出射中子束。
[0015]本實(shí)用新型的掃描微焦靶，束流焦斑尺寸可以精細(xì)控制，有利于提高中子成像質(zhì)量。靶面束流分布均勻，延長(zhǎng)了靶的使用壽命。在保持原有加速器光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)不變的前提下，可以任意調(diào)節(jié)焦斑尺寸和轟擊區(qū)域的展寬長(zhǎng)度，尤其適合現(xiàn)有加速器中子源的升級(jí)改造。
【附圖說(shuō)明】

[0016]圖1為本實(shí)用新型的掃描微焦靶的示意圖；
[0017]圖中，1.入射離子束2.掃描磁鐵3.四極透鏡4.移動(dòng)靶5.等效焦斑6.出射方向中子束。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型。
[0019]如圖1所示，本實(shí)用新型的掃描微焦靶包括掃描磁鐵2、四極透鏡3、移動(dòng)靶4，入射離子束I穿過(guò)掃描磁鐵2，在Y方向來(lái)回偏轉(zhuǎn)，形成展開角為β?的扇形離子束I，扇形離子束I再進(jìn)入四極透鏡3，形成展開角為β2的扇形離子束Π，β1〈β2，扇形離子束Π轟擊移動(dòng)靶4，產(chǎn)生與等效焦斑5相同特性的出射方向中子束6;所述的移動(dòng)靶4的轟擊面為斜面；圖中的Χ、Υ、Z為三維坐標(biāo)系。
[0020]所述的入射離子束I為氘或氘氚混合離子束中的一種。
[0021]所述的掃描磁鐵2產(chǎn)生Z方向的交變磁場(chǎng)，頻率20Hz?1kHz。
[0022]所述的四極透鏡3為電四極透鏡或磁四極透鏡中的一種，優(yōu)選電四極透鏡。
[0023]所述的扇形離子束Π的展開角β2范圍為-30°?30°。
[0024]所述的扇形離子束Π在移動(dòng)靶4上轟擊區(qū)域的Z方向?qū)挾确秶鸀?mm?10mm。
[0025]所述的移動(dòng)靶4斜面傾斜角α范圍為3°?15°。
[0026]所述的移動(dòng)靶4在ζ方向來(lái)回平移。
[0027]實(shí)施例1
[0028]在已建好的250kV，2mA，1mm束斑直徑的中子發(fā)生器上，可以用本實(shí)用新型技術(shù)，改造原有中子靶:考慮到90度發(fā)射方向產(chǎn)額略低的因素，出射方向的中子通量少了 10%左右，要保持到原來(lái)的中子通量，需要提升離子束流強(qiáng)增加了 10%，也即是2.2mA。然后用掃描磁鐵2將離子束均勻展開，在電四極透鏡入口處，形成1 X 40mm左右的扇形離子束I，再由電四極透鏡短方向過(guò)聚焦，長(zhǎng)方向散焦展寬，展寬角度為β2，范圍為-30°?30°，在固定靶的斜面轟擊面上形成1mm X 140mm左右的扇形離子束Π的轟擊區(qū)，轟擊區(qū)上沉積的熱功率平均密度大約降低了 15倍，轟擊區(qū)的平均溫升也大致降低了 15倍左右。掃描頻率1kHz，束斑在固定靶上的運(yùn)動(dòng)速度320m/s，每個(gè)點(diǎn)的停留時(shí)間約30us，由于離子束流強(qiáng)不大，瞬態(tài)溫升可以忽略。由于束流功率沿長(zhǎng)方向分布基本均勻，峰值密度比純四極透鏡系統(tǒng)的高斯分布降低了60%左右，有效地延長(zhǎng)了靶的使用壽命。
[0029]實(shí)施例2
[0030]在已建好的250kV，2mA，1mm束斑直徑的中子發(fā)生器上，要想得到7.5mm等效束斑的效果，在離子束流強(qiáng)不變的條件下，束流的峰值密度增加1.8倍左右，散熱條件不變時(shí)，溫升大約增加1.8倍左右，將超過(guò)靶的允許工作溫度。如果保證靶的溫升不變，則需要降低1.8倍左右的離子束流，中子產(chǎn)額將降1.8倍左右。采用本實(shí)用新型技術(shù)，改造原有中子靶，先將例子束流強(qiáng)度提高10%，變成2.2mA，然后用掃描磁鐵2將離子束均勻展開，在電四極透鏡入口處，形成10 X 50mm左右的扇形離子束I，再由電四極透鏡短方向過(guò)聚焦，長(zhǎng)方向散焦展寬，展寬角度為β2，范圍為-30°?30°，在固定靶的斜面上形成7.5mmX 133mm左右的扇形離子束Π的轟擊區(qū)，轟擊區(qū)上沉積的熱功率平均密度大約降低了 11倍，轟擊區(qū)的平均溫升也大致降低了 11倍左右。掃描頻率IkHz，束斑在靶面上的運(yùn)動(dòng)速度300m/s，每個(gè)點(diǎn)的停留時(shí)間約33us，離子束流強(qiáng)不大，瞬態(tài)溫升可以忽略。由于束流功率沿長(zhǎng)方向分布基本均勻，峰值密度比純四極透鏡系統(tǒng)的高斯分布降低了60%左右，靶的使用壽命更長(zhǎng)。同時(shí)，等效焦斑縮小25%，成像質(zhì)量提升。
[0031]實(shí)施例3
[0032]在已建好的250kV，2mA，1mm束斑直徑的中子發(fā)生器上，要想得到5mm等效束斑的效果，在離子束流強(qiáng)不變的條件下，束流的峰值密度增加4倍，散熱條件不變時(shí)，溫升大約增加4倍，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)靶的允許工作溫度。如果保證靶的溫升不變，則需要降低4倍的離子束流，中子產(chǎn)額降低4倍。采用本實(shí)用新型技術(shù)，改造原有中子靶，先將例子束流強(qiáng)度提高10%，變成2.2mA，然后用掃描磁鐵2將離子束均勻展開，在電四極透鏡入口處，形成1 X 50mm左右的扇形離子束I，再由電四極透鏡短方向過(guò)聚焦，長(zhǎng)方向散焦展寬，在固定靶的斜面上形成5mm X 125mm左右的扇形離子束Π的轟擊區(qū)，轟擊區(qū)上沉積的熱功率平均密度大約降低了7倍，轟擊區(qū)的平均溫升也大致降低了7倍左右。掃描頻率IkHz，束斑在靶面上的運(yùn)動(dòng)速度300m/s，每個(gè)點(diǎn)的停留時(shí)間約33us，離子束流強(qiáng)不大，瞬態(tài)溫升可以忽略。由于束流功率沿長(zhǎng)方向分布基本均勻，峰值密度比純四極透鏡系統(tǒng)的高斯分布降低了 60%左右，靶的使用壽命更長(zhǎng)。同時(shí)，等效焦斑縮小一半，成像質(zhì)量大幅度提升。
[0033]實(shí)施例4
[0034]在實(shí)施例3中，將離子束流強(qiáng)提升7倍，達(dá)到15.4mA，靶面上的平均溫升與原系統(tǒng)基本一樣，但是中子產(chǎn)額提升了 7倍，成像時(shí)間縮短7倍，同時(shí)等效焦斑尺寸縮小了 2倍，成像質(zhì)量大幅提升。
[0035]實(shí)施例5
[0036]在實(shí)施例4中，將固定靶改成移動(dòng)靶4，靶平移范圍±25_，靶面轟擊寬度比原來(lái)的5mm增加了 10倍，靶面沉積的熱功率平均密度降低20倍，靶壽命大幅提升。
[0037]最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上【具體實(shí)施方式】?jī)H用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種掃描微焦靶，其特征在于，所述的掃描微焦靶包括掃描磁鐵(2)、四極透鏡(3)、移動(dòng)靶(4)，入射離子束(I)穿過(guò)掃描磁鐵(2)，在Y方向來(lái)回偏轉(zhuǎn)，形成展開角為β?的扇形離子束I，扇形離子束I再進(jìn)入四極透鏡(3)，形成展開角為β2的扇形離子束Π，β1〈β2，扇形離子束Π轟擊移動(dòng)靶(4)，產(chǎn)生與等效焦斑(5)相同特性的出射方向中子束(6); 所述的移動(dòng)靶(4)的轟擊面為斜面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描微焦靶，其特征在于，所述的入射離子束(I)為氘或氘氚混合離子束中的一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描微焦靶，其特征在于，所述的掃描磁鐵(2)產(chǎn)生Z方向的交變磁場(chǎng)，頻率20Hz~10kHz。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描微焦靶，其特征在于，所述的四極透鏡(3)為電四極透鏡或磁四極透鏡中的一種。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描微焦靶，其特征在于，所述的扇形離子束Π的展開角β2范圍為-30°?30°。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描微焦靶，其特征在于，所述的扇形離子束Π在移動(dòng)靶(4)上轟擊區(qū)域的Z方向?qū)挾确秶鸀?mm~10mm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描微焦靶，其特征在于，所述的移動(dòng)靶(4)斜面傾斜角α范圍為3。?15。ο8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描微焦靶，其特征在于，所述的移動(dòng)靶(4)在ζ方向來(lái)回平移。
【文檔編號(hào)】H05H6/00GK205726637SQ201620545812
【公開日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日
【發(fā)明人】何小海, 李彥, 薛小明, 婁本超, 唐君, 牟云峰, 李小飛, 胡永宏
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所