用于中子照相的定向高通量中子發生器設計

真空系統 唐君 中國工程物理研究院核物理與化學研究所

  近幾年,在無損探傷領域,中子照相技術發展非常迅猛,對中子發生器提出了體積小、壽命長、通量高、準直比高的技術要求。為此設計了一臺用于快中子照相的定向高通量小型中子發生器,采用矩形結構潘寧離子源。引出的具有一定長度和流強的帶狀氘離子或氘氚混合離子束,在離子源與靶構成的同軸高壓電場加速下,轟擊對應的長形定向自成靶,發生氘氘或者氘氚反應,在靶軸線方向產生高通量、高準直比的快中子束,中子產額5 × 1011 n /s。模擬結果表明,成像屏上的中子注量提高了兩個數量級,不均勻度小于5 × 10-3 ,滿足中子照相對高準直比和高通量的要求,因此成像質量高,照相時間短,工作效率高。解決了現有中子發生器體積大、有效中子通量低和靶壽命短的問題,可用于構建移動式快中子照相系統。

  中子具有穿透力強的特點,作為X 射線無損檢測的互補手段,中子無損檢測具有較大的發展潛力。隨著中子應用技術的發展,對中子源提出了更多的需求。在中子應用上所用的中子源一般分為放射源中子源和人造中子源,放射源中子源是利用放射性核素來產生中子,產額較低,壽命短。人造中子源又分為反應堆中子源和加速器中子源,其中加速器中子源關斷電源后沒有中子產生,使用方便,可控性好,安全性較高。加速器中子源是利用離子源產生的氘離子或氘氚混合離子,經過加速電場的加速,獲得較高的能量,在靶上發生D/D(氘氘) 或D/T(氘氚) 聚變反應,在4π 方向上放出中子。

  國內中子應用技術起步較晚,目前多采用的大型固定加速器中子源。隨著近幾年中子應用技術的發展,該技術可使用于海關、機場、車站等各種場合。為了使該技術具有更廣泛的應用前景,對中子源的小型化提出了進一步要求。雖然中子管體積小,可以很方便地移動,但其工作壽命短,中子產額不高。

  因此,本文設計了一種小型定向高通量中子發生器,該中子發生器具有在特定方向上輸出高通量和高準直比中子束的特點。

  1、定向高通量中子發生器的原理及結構

  傳統的中子發生器主要由離子源、加速管和靶室組成。離子源是通過電離產生的氘等離子體,在等離子體中的氘離子通過一個小孔被引出,引出的氘離子被加速到100 keV 以上轟擊一塊金屬靶。靶片一般預載氘或氚,或者非常容易吸收氘氚的靶。D/D 與D/T 反應分別產生2.45 和14.1 MeV 能量的中子,如式(1) ,式(2) 所示。

用于中子照相的定向高通量中子發生器設計

  由于傳統的中子發生器一般采用的是單孔引出系統,中子產額受限于離子源的性能和束流大小。D/D反應截面的中子通量要比D/T反應截面低兩個量級,所以中子發生器一般使用D/T聚變反應產生中子。在傳統中子發生器中,離子束轟擊靶時產生很高的能量沉積,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合理的范圍,保證靶的正常使用。

  要進一步提升中子產額,必須增加離子束流強度或者離子束能量,都會在靶上產生更大的沉積功率。目前采用三種方式提升靶承受沉積功率的能力:一是加大離子束束斑直徑,這種方法的優點是靶上可以承受更多的離子束注入,總的中子產額增加,這種方法的缺點是中子源的點源特性變差,準直比降低,這在很多應用領域都是不利的,比如: 快中子照相、中子治療、爆炸物檢測等。二是采用旋轉靶方式增加靶面積的方法,該方法的優點是可以在不增加束斑尺寸的條件下,提升靶承受沉積功率的能力,進而提升中子產額和通量,該方法的缺點是結構雜,體積龐大,有運動機構,可靠性稍差,成本較高;三是采用氣體靶的方法,該方法的優點是無固定靶,產額高,靶壽命長,該方法的缺點是技術難度高,真空系統龐大,造價高。

  因此,提出了一種小型中子發生器的設計,在特定方向上產生高通量高準直比中子束,解決目前高產額中子發生器在特定方向上通量低,準直性能差,或技術復雜,體積龐大,成本高的問題。本文采用潘寧離子源引出寬幅離子束,轟擊同軸長形靶,既保證引出離子束流強不受限制,又保證靶上沉積功率不受限制,總的中子產額很高。更為有益的效果是在特定方向上可以輸出高通量和高準直比中子束。

小型定向高通量中子發生器的結構示意圖

圖1 小型定向高通量中子發生器的結構示意圖

  圖1 是小型定向高通量中子發生器的結構示意圖(1. 長形靶;2. 離子源;3. 高壓引入芯線;4. 高壓引入絕緣座;5. 陶瓷絕緣支撐;6. 儲氣材料;7. 高壓圓筒電極;8. 靶屏蔽極;9. 圓柱形真空外殼;10. 冷卻管路;11. 定向出射中子;12. 被照射物) 。小型定向高通量中子發生器主要由真空腔室、潘寧離子源、加速電極、供氣系統和靶等組成。真空腔室內部真空度保持在10 -1 Pa。初始真空建立后,系統真空由吸氣劑維持。吸氣劑預先吸附了充足的D(氘) 氣或D/T混合氣體,通過改變吸氣劑中加熱子的加熱功率,控制D 或D/T 混合氣體的釋放與吸收,保持系統內部真空度在合適的范圍。

  與其他離子源比較,潘寧離子源具有以下優點:①因為沒有燈絲,在活性氣體中工作壽命長;②結構簡單、易于清洗;③電源系統簡單,因而在中子發生器高電位端選用潘寧源是比較合適的。離子源陰極上開一排引出孔或者長條形孔,引出寬離子束。調節孔徑或開口尺寸,可以改變不同位置引出離子束的強度,在靶上產生需要的中子源密度分布。在離子源引出口和靶之間對應位置開一條尺寸略大于離子束的條形孔,形成離子束的入射通道。文獻中表明,當放電電壓為1200 V,真空度為10-2 Pa 時,離子束密度可達0.5 ~2.5 mA/cm2,總的束流可達250 mA。

  與靶之間施加- 300 V 的直流電位,阻止靶上產生的二次電子溢出到加速電場中。靶屏蔽極的尺寸比靶大,成圓柱形狀,頭部設置一個大尺寸的高壓球殼,有效降低了表面場強,提升發生器的整體耐壓性能。長形靶放置在高電位,內部有冷卻結構,將離子束轟擊產生的熱量帶走。長形定向靶面有一定傾斜角度,其上產生的中子可以順利地在規定方向出射。靶截面形狀和尺寸則可根據應用需要任意調整,在特定方向上獲得所需的高通量、高準直比中子束。

  5、結論

  運用束流引出理論,設計了定向高通量中子發生器的引出系統和初聚焦系統,計算確定了它們的結構、幾何參數以及其它主要技術參數。根據離子光學原理設計了定向高通量中子發生器的束流傳輸過程;設計上引入了離子光學解析和模擬計算相結合方式,運用PIC 方式計算了束流在束流光學系統中的傳輸情況,直觀地反映了設計是否合理。模擬計算的結果表明設計的束流光學系統是合理的。定向高通中子發生器在成像屏上得到提高兩個數量級的中子注量,且不均勻度小于5‰,滿足中子照相對高準直比和高產額的要求,保證了成像質量,縮短了照相時間。