一種掃描靶的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種掃描靶，所述掃描靶是用于加速器中子源的掃描靶。在加速器完成氘或氘氚混合離子束的加速之后，利用掃描磁場(chǎng)將離子束快速均勻地展開成直線型長條束斑，展開長度超過束斑直徑幾十倍，然后轟擊到一個(gè)移動(dòng)靶上，在平行于中子靶的方向產(chǎn)生具有點(diǎn)源特性的等效出射中子束。由于掃描后束斑的位移速度快，在每個(gè)點(diǎn)上的停留時(shí)間短，引起的瞬態(tài)溫升低。同時(shí)，靶面上轟擊區(qū)域均勻展寬了幾十倍，平均束流密度降低幾十倍，平均溫升大幅降低，靶壽命延長。適合在需要方向性及點(diǎn)源特性的中子源上應(yīng)用。
【專利說明】
一種掃描革巴
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于核技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種掃描靶。
【背景技術(shù)】
[0002]加速器中子源是利用離子源產(chǎn)生的氘離子或氘氚混合離子，經(jīng)過加速電場(chǎng)的加速，獲得一定的能量，在靶上發(fā)生D/D或D/T聚變反應(yīng)，并在4JT方向上放出中子。加速器中子源產(chǎn)額高，關(guān)斷電源后沒有中子產(chǎn)生，使用方便，可控性好，安全性較高。
[0003]加速器中子源的高能離子束轟擊靶時(shí)產(chǎn)生很高的能量沉積，即使在通水冷卻的條件下，靶上能夠承受的功率密度也必須控制在一個(gè)合理的范圍，保證靶的正常使用。通常情況下，為了加快成像速度，提高工作效率，都希望提高中子產(chǎn)額，也就是增加離子束流強(qiáng)度或者離子束能量，導(dǎo)致靶上產(chǎn)生更大的沉積功率，靶面溫升增加，靶壽命降低，成為最大的技術(shù)瓶頸。
[0004]目前的直線加速結(jié)構(gòu)的中子發(fā)生器，技術(shù)比較成熟，裝置數(shù)量較多，如何提升這類中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額，延長靶的使用壽命，是一個(gè)亟待解決的問題。
[0005]當(dāng)前有三種方式提升靶承受沉積功率的能力: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;三是中國專利文獻(xiàn)庫公開的CN201010238639.5—種采用無窗氣體靶的小型中子源，該方法的優(yōu)點(diǎn)是無固定靶，產(chǎn)額高，靶壽命長，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，而且束斑在靶中發(fā)生散射，點(diǎn)源特性變差。
[0006]目前，尚無一種經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有方向性和點(diǎn)源特性的中子靶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種掃描靶。
[0008]本發(fā)明的掃描靶，其特點(diǎn)是，包括掃描磁鐵、移動(dòng)靶，入射離子束穿過掃描磁鐵，在Y方向來回偏轉(zhuǎn)，形成扇形展開的掃描離子束，掃描離子束轟擊移動(dòng)靶，產(chǎn)生與等效焦斑相同特性的出射方向中子束；
所述的入射離子束的氘或氘氚混合離子束中的一種。
[0009]所述的掃描磁鐵產(chǎn)生Z方向的交變磁場(chǎng)，頻率20Hz?1kHz; 所述的掃描離子束展開角β范圍為-30°?30°。
[0010]所述的移動(dòng)靶的轟擊面為斜面。
[0011]所述的斜面的傾斜角α范圍為3°?15°。
[0012]所述的移動(dòng)靶在ζ方向來回平移。
[0013]入射離子束從X方向入射，穿過掃描磁鐵，在交變磁場(chǎng)的作用下，在Y方向上來回掃描展寬。移動(dòng)靶是一個(gè)可以在Z方向作來回運(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，也即是運(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，因?yàn)檗Z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，超過普通擺動(dòng)靶或旋轉(zhuǎn)靶的溫控效果。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方向上形成與點(diǎn)狀中子源等效的準(zhǔn)直性很高的出射中子束。
[0014]本發(fā)明的掃描靶，掃描磁鐵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，離子束在靶面上的移動(dòng)速度遠(yuǎn)快于高速旋轉(zhuǎn)靶，離子束轟擊靶表面時(shí)引起的瞬態(tài)溫升大幅度降低。同時(shí)，沒有了高速旋轉(zhuǎn)中子靶中的高速運(yùn)動(dòng)部件及動(dòng)密封水冷結(jié)構(gòu)，靶系統(tǒng)的可靠性大幅提升，靶壽命得以延長。在保證靶面瞬態(tài)溫升與旋轉(zhuǎn)靶相同的條件下，還可以進(jìn)一步增加離子束流強(qiáng)，增加中子產(chǎn)額。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的掃描靶的示意圖；
圖中，1.入射離子束2.掃描磁鐵3.移動(dòng)靶4.等效焦斑5.出射方向中子束。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明的掃描靶包括掃描磁鐵2、移動(dòng)靶3，入射離子束I穿過掃描磁鐵2，在Y方向快速來回偏轉(zhuǎn)，形成扇形展開的掃描離子束，掃描離子束轟擊到移動(dòng)革G3，產(chǎn)生與等效焦斑4相同特性的出射方向中子束5;圖中的X、Y、Z為三維坐標(biāo)系。
[0018]所述的入射離子束I為氘或氘氚混合離子束中的一種。
[0019]所述的掃描磁鐵2產(chǎn)生Z方向的高頻交變磁場(chǎng)，頻率20Hz?IOkHz;
所述的掃描離子束展開角β范圍為-30°?30°。
[0020]所述的移動(dòng)靶3的轟擊面為斜面。
[0021]所述的斜面的傾斜角α范圍為3°?15°。
[0022]所述的移動(dòng)靶3在ζ方向來回平移。
[0023]實(shí)施例1
原有中子發(fā)生器系統(tǒng)的離子束能量300keV，流強(qiáng)12.5mA，束斑直徑15mm，旋轉(zhuǎn)靶直徑200mm，轉(zhuǎn)速1100轉(zhuǎn)/分鐘，轟擊區(qū)的運(yùn)動(dòng)線速度為11.5m/s，每個(gè)點(diǎn)的束流轟擊時(shí)間為0.87ms。采用本發(fā)明技術(shù)，改造此系統(tǒng)中子靶:用掃描磁鐵2將入射離子束I均勻掃描，展開成底部長度200mm的扇形離子束，掃描展開角度β為-10°?10°，固定靶的斜面傾斜角α范圍為3°?15°。為保持束斑在靶面上的運(yùn)動(dòng)速度不低于11.5m/s，只需要掃描頻率大于28.75HzSP可?？紤]到90度發(fā)射方向產(chǎn)額略低，出射方向的中子通量減少10%左右，需要增加離子束流強(qiáng)10%左右，也即是13.75mA，可以保持到原來的出射中子束強(qiáng)度。瞬態(tài)溫升也要控制不變，掃描頻率需要提升10%，達(dá)到31.6Hz，這樣就可以達(dá)到高速旋轉(zhuǎn)靶的瞬態(tài)溫升水平。實(shí)際上掃描頻率可以很容易地提高幾十倍，靶面上的瞬態(tài)溫升將大幅度降低，靶壽命可以大幅度延長。
[0024]實(shí)施例2
在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將掃描頻率提高15倍左右，到達(dá)0.5kHz，離子束流強(qiáng)提升5倍左右，達(dá)到70mA，在束斑直徑不變，掃描寬度展開成長度400mm的扇形離子束，掃描展開角度β為-20°?20°。把固定靶改成移動(dòng)靶3，移動(dòng)靶3的斜面傾斜角α范圍為3°?15°，移動(dòng)靶3來回平移±50mm的范圍，靶面上的瞬態(tài)溫升比原有旋轉(zhuǎn)靶約低6倍左右，而平均溫升降低了4倍左右，在有效延長靶壽命的同時(shí)，中子產(chǎn)額提升5倍。
[0025]實(shí)施例3
原有中子發(fā)生器系統(tǒng)的離子束能量380keV，流強(qiáng)150mA，束斑直徑10mm，旋轉(zhuǎn)靶直徑460mm，轉(zhuǎn)速5000轉(zhuǎn)/分鐘，轟擊區(qū)的運(yùn)動(dòng)線速度為120m/s，每個(gè)點(diǎn)的束流轟擊時(shí)間為
0.083ms。采用本發(fā)明技術(shù)，改造此系統(tǒng)中子靶:用掃描磁鐵2將入射離子束I均勻掃描展開成長度200mm的扇形離子束，掃描展開角度β為-30°?30°，移動(dòng)靶3的斜面傾斜角α范圍為3°?15°。束斑在靶面上的運(yùn)動(dòng)速度不低于120m/s，只需要掃描頻率大于130Hz。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，要保持到原來的水平，需要提升離子束流強(qiáng)增加了 10%，也即是132mA。瞬態(tài)溫升也要控制不變，將掃描頻率再提升10%，達(dá)到145Hz，這樣就可以達(dá)到原來高速旋轉(zhuǎn)靶的瞬態(tài)溫升水平。實(shí)際上掃描頻率可以容易地再提高幾十倍，靶面上的瞬態(tài)溫升將大幅度降低。移動(dòng)靶3來回平移±50mm，轟擊區(qū)域比原有旋轉(zhuǎn)靶大一些，靶面平均溫升略有降低，因此，靶壽命可以大幅度延長。
[0026]最后應(yīng)說明的是，以上【具體實(shí)施方式】僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種掃描靶，其特征在于，所述的掃描靶包括掃描磁鐵(2)、移動(dòng)靶(3)，入射離子束(I)穿過掃描磁鐵(2)，在Y方向來回偏轉(zhuǎn)，形成扇形展開的掃描離子束，掃描離子束轟擊到移動(dòng)靶(3)，產(chǎn)生與等效焦斑(4)相同特性的出射方向中子束(5); 所述的移動(dòng)靶(3)的轟擊面為斜面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描靶，其特征在于，所述入射離子束(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所述的掃描靶，其特征在于，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所述的掃描靶，其特征在于，掃描離子束的展開角β范圍為-30°?30°。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描靶，其特征在于，所述的移動(dòng)靶斜面傾斜角α范圍為3°?15。。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描靶，其特征在于，所述的移動(dòng)靶(3)在ζ方向來回平移。
【文檔編號(hào)】H05H6/00GK105848402SQ201610397338
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日
【發(fā)明人】李彥, 何小海, 唐君, 婁本超, 薛小明, 牟云峰, 李小飛, 胡永宏
【申請(qǐng)人】中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所