本發(fā)明涉及核技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種氣態(tài)靶中子源。

背景技術(shù)：

氘氚聚變中子源利用強(qiáng)流氘離子束轟擊氚靶發(fā)生氘氚聚變反應(yīng)產(chǎn)生14MeV高能聚變中子，可應(yīng)用于中子物理、醫(yī)學(xué)物理、輻射防護(hù)及核技術(shù)應(yīng)用等研究領(lǐng)域，是先進(jìn)核能與核技術(shù)應(yīng)用研究的必備大科學(xué)裝置。

現(xiàn)有技術(shù)中通常采用固態(tài)靶構(gòu)成10¹¹n/s-10¹³n/s的強(qiáng)流氘氚聚變中子源；但隨著中子產(chǎn)額為10¹⁴n/s-10¹⁵n/s的超高流強(qiáng)氘氚聚變中子源發(fā)展，由于強(qiáng)流離子束的大量能量沉積在靶片上，造成靶點(diǎn)的熱流密度超過(guò)其承受能力，引起靶片熔穿，造成中子源毀損和氚大量釋放的嚴(yán)重事故。

因而出現(xiàn)氣態(tài)靶代替固態(tài)靶的中子源，但目前氣態(tài)靶中子源裝置的實(shí)現(xiàn)存在較多難點(diǎn)，使得中子源源強(qiáng)較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種氣態(tài)靶中子源，以解決現(xiàn)有技術(shù)中氣態(tài)靶中子源源強(qiáng)較低的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種氣態(tài)靶中子源，包括依次連接的離子注入系統(tǒng)、差分真空系統(tǒng)和氣態(tài)靶；

所述離子注入系統(tǒng)用于產(chǎn)生單束或多束平行離子束流，每束所述離子束流的包絡(luò)小于所述差分真空系統(tǒng)的內(nèi)徑；

所述差分真空系統(tǒng)用于將所述離子束流傳輸至所述氣態(tài)靶；

所述氣態(tài)靶中包括反應(yīng)氣體，所述反應(yīng)氣體與所述離子束流發(fā)生聚變反應(yīng)，產(chǎn)生中子。

優(yōu)選地，所述離子注入系統(tǒng)包括依次連接的離子源、加速管、真空獲得系統(tǒng)、和磁鐵系統(tǒng)，其中，所述磁鐵系統(tǒng)用于對(duì)所述離子束流進(jìn)行聚焦。

優(yōu)選地，所述離子注入系統(tǒng)還包括束流分離裝置，所述束流分離裝置用于將單束離子束流分離為所述多束平行離子束流。

優(yōu)選地，所述氣態(tài)靶包括多個(gè)氣態(tài)靶室，所述氣態(tài)靶室的個(gè)數(shù)與所述多束平行離子束流的個(gè)數(shù)相同，且與所述多束平行離子束流一一對(duì)應(yīng)。

優(yōu)選地，所述氣態(tài)靶還包括多個(gè)束流收集裝置，每個(gè)所述束流收集裝置與每個(gè)所述氣態(tài)靶室相連，用于回收未與所述反應(yīng)氣體發(fā)生聚變反應(yīng)的所述離子束流。

優(yōu)選地，所述差分真空系統(tǒng)包括至少一級(jí)差分真空系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述差分真空系統(tǒng)包括一級(jí)差分真空系統(tǒng)和二級(jí)差分真空系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述一級(jí)差分真空系統(tǒng)和所述二級(jí)差分真空系統(tǒng)之間的管道壁外還設(shè)置有四象限磁鐵，所述四象限磁鐵用于對(duì)所述離子束流進(jìn)行聚焦。

優(yōu)選地，所述一級(jí)差分真空系統(tǒng)包括與所述一級(jí)差分真空系統(tǒng)相連的第一真空泵；所述二級(jí)差分真空系統(tǒng)包括與所述二級(jí)差分真空系統(tǒng)相連的第二真空泵。

優(yōu)選地，所述差分真空系統(tǒng)包括小孔徑法蘭、小直徑管道、間歇閥門、真空泵中的至少一種。

優(yōu)選地，所述氣態(tài)靶還包括氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)，所述氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)的一端與所述第一真空泵和第二真空泵(24)連接；另一端與所述氣態(tài)靶室連接；所述氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)用于提純所述反應(yīng)氣體，并回收提純后的反應(yīng)氣體，再將所述提純后的反應(yīng)氣體輸入至所述氣態(tài)靶室進(jìn)行聚變反應(yīng)。

優(yōu)選地，所述離子束流為氘束流或氘氚混合束流。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)氣體為氘氣、氘化物、氚氣、氚化物，或氘氣、氘化物、氚氣、氚化物的任意至少兩種的混合氣體。

經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的氣態(tài)靶中子源，包括：離子注入系統(tǒng)、差分真空系統(tǒng)和氣態(tài)靶，所述離子注入系統(tǒng)能夠產(chǎn)生單束或多束平行離子束流，每束所述離子束流的包絡(luò)小于所述差分真空系統(tǒng)的內(nèi)徑，使得所述離子束流包絡(luò)小于差分真空系統(tǒng)中各個(gè)管道或法蘭內(nèi)徑，避免束流轟擊管壁造成能量損失，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中離子束流包絡(luò)較大的單束離子束流而言，由于本申請(qǐng)將單束離子束流包絡(luò)較小，能夠減少單束離子束流傳輸過(guò)程中的損耗，能夠更加容易提供較高中子源的源強(qiáng)；或?qū)问x子束流分為多束平行的離子束流，使得每束離子束流的包絡(luò)減小，同樣能夠減少傳輸過(guò)程中的損耗，從而提高了到達(dá)氣態(tài)靶的離子束流的流強(qiáng)，進(jìn)而能夠提高中子源的源強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種氣態(tài)靶中子源結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種氣態(tài)靶中子源結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

現(xiàn)有技術(shù)中采用氣態(tài)靶代替固態(tài)靶，一般氣態(tài)靶中子源通過(guò)加速器加速后的氘束流直接轟擊反應(yīng)氣體腔室內(nèi)的氣態(tài)氚或氘來(lái)產(chǎn)生高能中子。因氚或氘呈氣體狀態(tài)，束流能量可分散在氣態(tài)靶整個(gè)反應(yīng)氣體腔室內(nèi)，因此沒(méi)有固態(tài)靶因靶點(diǎn)熱量過(guò)于集中而形成的散熱難題；同時(shí)氣態(tài)靶中的氚或氘可循環(huán)利用，降低裝置運(yùn)行成本。但氣態(tài)靶的主要技術(shù)難點(diǎn)是壓強(qiáng)的獲得和控制。

而且，一方面高能中子的產(chǎn)生需要大量的氚或氘，因此在氣體腔室內(nèi)氚氣或氘氣壓力需要在10³Pa量級(jí)。另一方面離子束在傳輸過(guò)程中因電子俘獲和碰撞散射與氣體分子發(fā)生碰撞使離子損失掉，因此，真空度越好，真空室內(nèi)剩余氣體分子越少，越減少與離子的碰撞，從而降低離子的損失，表現(xiàn)為減少離子束的能量損失，因此束流需要在真空環(huán)境下傳輸，以降低束流損失，同時(shí)方便束流聚焦，因此加速器末端的真空在10^-5Pa量級(jí)。綜上所述，在氘束流從加速器傳輸至氣態(tài)靶過(guò)程中，需要跨越從壓強(qiáng)10^-5Pa至10³Pa的空間，而在連通的空間內(nèi)，氣體會(huì)自動(dòng)從高壓強(qiáng)流向低壓強(qiáng)，為保持壓強(qiáng)差，一方面需要使用真空抽氣設(shè)備對(duì)氣態(tài)靶各反應(yīng)氣體腔室進(jìn)行實(shí)時(shí)抽氣；另一方面需要通過(guò)等離子體窗、小孔徑管道、間歇式閥門等方式，減低各級(jí)腔室之間的流導(dǎo)，從而減少各級(jí)腔室之間流動(dòng)的氣體量。

需要說(shuō)明的是，為獲得真空差分，管道直徑達(dá)到毫米量級(jí)，且束流需要通過(guò)長(zhǎng)度約3-4米的低真空環(huán)境，而針對(duì)源強(qiáng)越高的中子源，基于一個(gè)氘和一個(gè)氚反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)中子，所需源強(qiáng)(每秒多少個(gè)中子)越高，則所需的氘離子也越多，因此所需氘束流強(qiáng)度越高，由于同電位離子的相斥作用，離子密集度越高，排斥力越大，離子與離子之間的距離加大，表現(xiàn)為離子束的包絡(luò)變大；高流強(qiáng)氘束流的束流包絡(luò)大，在通過(guò)小直徑長(zhǎng)距離差分管道中會(huì)導(dǎo)致大量的束流損失，從而降低中子源源強(qiáng)，因此針對(duì)基于氣態(tài)靶的高源強(qiáng)中子源，單束氘束流引出存在較大技術(shù)難點(diǎn)。

基于此，本發(fā)明提供一種氣態(tài)靶中子源，如圖1所示，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的氣態(tài)靶中子源，其中，包括：依次連接的離子注入系統(tǒng)1、差分真空系統(tǒng)2和氣態(tài)靶3；離子注入系統(tǒng)1用于產(chǎn)生單束或多束平行離子束流，每束離子束流的包絡(luò)小于差分真空系統(tǒng)2的內(nèi)徑；差分真空系統(tǒng)2用于將離子束流傳輸至氣態(tài)靶3；氣態(tài)靶3中包括反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體與離子束流發(fā)生聚變反應(yīng)，產(chǎn)生中子。

本實(shí)施例中離子注入系統(tǒng)1包括依次連接的離子源11、加速管12、真空獲得系統(tǒng)13、和磁鐵系統(tǒng)14，其中，離子源11中將氘氣或氚氣進(jìn)行電離并引出氘束流或氚束流，或者可以將氘氣和氚氣的混合氣體進(jìn)行電離引出氘氚混合束流，離子源可以引出較高流強(qiáng)的離子束流。加速管12加速經(jīng)離子源11引出的離子束流至一定能量，用于后續(xù)離子束流的傳輸。真空獲得系統(tǒng)13用于維持離子注入系統(tǒng)的真空度，確保離子束流傳輸?shù)恼婵窄h(huán)境。

需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中磁鐵系統(tǒng)14用于對(duì)離子束流進(jìn)行聚焦。磁鐵系統(tǒng)14能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)穿過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域的帶電離子束流進(jìn)行聚焦，帶電離子在磁場(chǎng)作用下會(huì)朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；使得離子束流包絡(luò)小于差分真空系統(tǒng)2中各個(gè)管道與法蘭的內(nèi)徑，從而能夠避免離子束流轟擊管壁造成升溫及束流損失。

需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中對(duì)差分真空系統(tǒng)2的級(jí)數(shù)不做限定，本實(shí)施例中差分真空系統(tǒng)2包括至少一級(jí)差分真空系統(tǒng)。即差分真空系統(tǒng)2可以是一級(jí)差分真空系統(tǒng)，也可以包括多級(jí)差分真空系統(tǒng)，當(dāng)一級(jí)差分真空系統(tǒng)不能滿足壓強(qiáng)差的情況下就需要多級(jí)差分真空系統(tǒng)，需要說(shuō)明的是，使用多級(jí)差分真空系統(tǒng)會(huì)延長(zhǎng)束流線長(zhǎng)度，造成束流傳輸距離延長(zhǎng)，對(duì)離子束流的控制難度加大，因此，本發(fā)明中可以根據(jù)實(shí)際需求選擇差分真空系統(tǒng)的級(jí)數(shù)，本實(shí)施例中可選地，如圖1所示，差分真空系統(tǒng)2包括一級(jí)差分真空系統(tǒng)21和二級(jí)差分真空系統(tǒng)23。

一級(jí)差分真空系統(tǒng)21和二級(jí)差分真空系統(tǒng)23之間的管道壁外還設(shè)置有四象限磁鐵(圖1中未示出)，四象限磁鐵用于對(duì)離子束流進(jìn)行聚焦，四象限磁鐵提高了單束離子束流傳輸效率。

差分真空系統(tǒng)2可以通過(guò)小直徑管道、小孔徑法蘭、間歇式閥門、大抽速真空泵方式中的一種或多種組合，本實(shí)施例中對(duì)此不做限定。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明實(shí)施例中定義所述小直徑管道和小孔徑法蘭的直徑范圍為3mm-50mm，包括端點(diǎn)值。差分真空系統(tǒng)2實(shí)現(xiàn)管道節(jié)流、氣體抽除和壓強(qiáng)跨越，實(shí)現(xiàn)加速管12至氣態(tài)靶3最高8個(gè)數(shù)量級(jí)的壓強(qiáng)跨越。本實(shí)施例中可選地，一級(jí)差分真空系統(tǒng)21包括與一級(jí)差分真空系統(tǒng)21相連的第一真空泵；二級(jí)差分真空系統(tǒng)23包括與二級(jí)差分真空系統(tǒng)23相連的第二真空泵，真空泵用于實(shí)現(xiàn)氣體抽除。

本實(shí)施例中氣態(tài)靶3包括單個(gè)氣態(tài)靶室31，氣態(tài)靶室31包括反應(yīng)氣體，用于與離子束流發(fā)生聚變反應(yīng)，產(chǎn)生中子。本實(shí)施例中離子注入系統(tǒng)1中的加速管12產(chǎn)生的一定能量的離子束流進(jìn)入氣態(tài)靶室31，與氣態(tài)靶中的反應(yīng)氣體發(fā)生聚變反應(yīng)產(chǎn)生高能中子。本實(shí)施例中氣態(tài)靶室31中的氣體壓強(qiáng)最高可超過(guò)10³Pa量級(jí)。

本實(shí)施例中，氣態(tài)靶3還可以包括束流收集裝置32，束流收集裝置32與氣態(tài)靶室31相連，用于回收未與反應(yīng)氣體發(fā)生聚變反應(yīng)的離子束流，未完全反應(yīng)的束流沉積在束流收集裝置上，能量損失，離子就被吸收，從而收集至束流收集裝置32中。

另外，為防止放射性氣體擴(kuò)散及降低運(yùn)行成本，本實(shí)施例中，氣態(tài)靶3還包括氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)33，氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)33的一端與第一真空泵和第二真空泵24連接；另一端與氣態(tài)靶室31連接；氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)33用于在線或不在線提純反應(yīng)氣體，并回收提純后的反應(yīng)氣體，再將提純后的反應(yīng)氣體輸入至氣態(tài)靶室31進(jìn)行聚變反應(yīng)。具體的，進(jìn)入氣體循環(huán)回收裝置33的氣體，包括了氘、氚、氧、油、水或其他分子，但氣態(tài)靶需要的僅僅是高純度的反應(yīng)氣體，因此氣體回收和循環(huán)系統(tǒng)按照需要將這些混合氣體進(jìn)行分離提純，分離的方法包括分子篩吸附、低溫吸附、金屬釉吸附等，氣體經(jīng)過(guò)分離提純后，回收循環(huán)后可再次利用。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明實(shí)施例中離子束流為氘束流或氘氚混合束流。本實(shí)施例中對(duì)此不做限定。而對(duì)應(yīng)的，反應(yīng)氣體為氘氣、氘化物、氚氣、氚化物，或氘氣、氘化物、氚氣、氚化物的任意至少兩種的混合氣體，從而可以發(fā)生氘氘(D-D)聚變反應(yīng)或氘氚(D-T)聚變反應(yīng)，產(chǎn)生中子。當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，所述離子束流還可以為氚束流，對(duì)應(yīng)的所述反應(yīng)氣體為含有氘的氣體即可，同樣可以發(fā)生氘氚(D-T)聚變反應(yīng)，產(chǎn)生中子，本實(shí)施例中對(duì)此不做限定。

本發(fā)明提供的氣態(tài)靶中子源，包括：離子注入系統(tǒng)、差分真空系統(tǒng)和氣態(tài)靶，離子注入系統(tǒng)能夠產(chǎn)生單束離子束流，單束離子束流的包絡(luò)小于差分真空系統(tǒng)的內(nèi)徑，使得單束離子束流包絡(luò)小于差分真空系統(tǒng)中各個(gè)管道或法蘭內(nèi)徑，避免束流轟擊管壁造成能量損失，從而提高了到達(dá)氣態(tài)靶的離子束流的流強(qiáng)，進(jìn)而能夠提高中子源的源強(qiáng)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供一種氣態(tài)靶中子源，如圖2所示，圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種氣態(tài)靶中子源結(jié)構(gòu)示意圖，與上一實(shí)施例中不同的是，本實(shí)施例中離子注入系統(tǒng)1還包括束流分離裝置15，束流分離裝置15用于將單束離子束流分離為平行的多束離子流。也即本發(fā)明實(shí)施例中提供的離子注入系統(tǒng)可以引出平行多束離子束流。需要說(shuō)明的是，當(dāng)離子束流為多束時(shí)，本實(shí)施例中氣態(tài)靶3包括多個(gè)氣態(tài)靶室31，氣態(tài)靶室31的個(gè)數(shù)與多束離子束流的個(gè)數(shù)相同，且與多束離子束流一一對(duì)應(yīng)。

另外，本發(fā)明實(shí)施例中，差分真空系統(tǒng)2一級(jí)差分真空系統(tǒng)21和二級(jí)差分真空系統(tǒng)23。差分真空系統(tǒng)2可以通過(guò)小孔徑管道、小孔徑法蘭、間歇式閥門、大抽速真空泵方式中的一種或多種組合，本實(shí)施例中對(duì)此不做限定。差分真空系統(tǒng)2實(shí)現(xiàn)管道節(jié)流、氣體抽除和壓強(qiáng)跨越，實(shí)現(xiàn)加速管12至氣態(tài)靶3最高8個(gè)數(shù)量級(jí)的壓強(qiáng)跨越。本實(shí)施例中可選地，一級(jí)差分真空系統(tǒng)21包括與一級(jí)差分真空系統(tǒng)21相連的第一真空泵；二級(jí)差分真空系統(tǒng)23包括與二級(jí)差分真空系統(tǒng)23相連的第二真空泵，真空泵用于實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)施例差分真空系統(tǒng)中，一級(jí)差分真空系統(tǒng)21和二級(jí)差分真空系統(tǒng)23之間的管道壁外還設(shè)置有四象限磁鐵22，四象限磁鐵22用于對(duì)離子束流進(jìn)行聚焦，四象限磁鐵22提高了多束離子束流傳輸效率。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明實(shí)施例中離子束流為氘束流或氘氚混合束流。本實(shí)施例中對(duì)此不做限定。而對(duì)應(yīng)的，反應(yīng)氣體為氘氣、氘化物、氚氣、氚化物，或氘氣、氘化物、氚氣、氚化物的任意至少兩種的混合氣體，從而可以發(fā)生氘氘(D-D)聚變反應(yīng)或氘氚(D-T)聚變反應(yīng)，產(chǎn)生中子。當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，所述離子束流還可以為氚束流，對(duì)應(yīng)的所述反應(yīng)氣體為含有氘的氣體即可，同樣可以發(fā)生氘氚(D-T)聚變反應(yīng)，產(chǎn)生中子，本實(shí)施例中對(duì)此不做限定。

因本實(shí)施中離子注入系統(tǒng)可以產(chǎn)生多束離子束流，且每個(gè)離子束流的包絡(luò)小于差分真空系統(tǒng)的內(nèi)徑，使得所述單束離子束流包絡(luò)小于差分真空系統(tǒng)中各個(gè)管道或法蘭內(nèi)徑，避免束流轟擊管壁造成能量損失，從而提高了到達(dá)氣態(tài)靶的離子束流的流強(qiáng)，進(jìn)而能夠提高中子源的源強(qiáng)。

需要說(shuō)明的是，本說(shuō)明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見(jiàn)即可。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。