一种用于中子管的气体放电型离子源

摘要

一种用于中子管的气体放电型离子源，属于加速器技术领域。从下到上包括磁钢、下阴极板、阳极筒、上阴极板、磁环、泡沫金属活性薄板和引出电极。工作时，阳极筒和上阴极、下阴极（上下阴极串联）外接一脉冲电源电压。泡沫金属活性薄板相对于上阴极接低压电源，引出电极相对于栅极外接高压脉冲电源。由于泡沫金属活性薄板的催化作用，从下阴极发射的氘分子离子会在泡沫金属内转变成为氘原子离子，经引出电极加速后可用回旋质谱仪测试氘原子和分子离子束比例。采用本发明离子源可以从引出电极输出高比率氢（包括其同位素氘或氚）原子离子束，将它用于中子管可以延长中子管的工作寿命、提高中子产额。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体放电型离子源，特别涉及一种专用于发射单原子氢（氘、氚）离子束的气体放电型离子源，属于加速器技术领域。

背景技术

中子管是一种安全便携的中子源，与普通同位素中子源相比，其能谱单色性好，无γ本底且可以产生脉冲中子，不用时可以关断，因而防护容易、存储管理和运输方便。中子管把离子源、加速器、靶和气压调节系统全部集成在一支密闭管内，工作时无需抽真空设备和气源装置。中子管可广泛应用于国防工程和工、农、医领域，特别是军工及安全检查领域。在野外使用中子管的时，中子管的便携性显得更为重要，但目前很多具有高产额的中子源都体积庞大，只能在实验室中运行。

中子管的中子产额和其中关键部件--氘离子源产生的单原子和分子氘离子的比率有关，在同样加速电压和束流密度下，离子源产生的单原子氘离子比率越高，中子产额就越大，也就是说，检测的灵敏度和效率也越高。例如，一束含50%D⁺和50%D₂⁺的离子束以100 KeV能量轰击氚靶获得的中子产额比用100%D⁺束在同样的轰击条件下获得的中子产额低48%，即此条件下D₂⁺离子几乎没有与氚靶发生核反应。目前中子管的离子源基本都是基于气体放电原理，如潘宁源、射频离子源和微波离子源等，其中潘宁源占主导。潘宁离子源具有结构简单、工作气压低、供电系统简单、工作可靠等优点，但其电离产生的单原子离子所占比例非常低，此情况下要获得高产额中子，潘宁源必须输出的高束流离子轰击靶材，但这又导致离子溅射和二次电子发射现象严重，原因是由H₂⁺（/D₂⁺）所引发的金属表面次级电子的产额几乎是同一能量下质子所引发的次级电子的二倍。射频离子源和微波离子源尽管可以产生很高的比例的单原子离子，但它们的电源系统比较复杂，调试难度也比较大，而且它们体积庞大，不适合用于便携式的中子管。

本发明基于潘宁离子源结构简单、工作气压低、供电系统简单、工作可靠等优点，在潘宁离子源的基础上进行了改进，目的就是要克服这种气体放电型离子源发射离子束中原子离子比率低的问题。 

发明内容

为解决潘宁离子源出射离子束中原子离子比例低的问题，本发明在传统潘宁离子源上增加了泡沫活性金属。泡沫活性金属的作用是使分子离子束在催化作用下裂解为原子离子束发射。 本发明的一种用于中子管的气体放电型离子源，其结构如图1所示，从下到上包括磁钢、下阴极板、阳极筒、上阴极板和磁环，上阴极板和下阴极板垂直于阳极筒轴线放置于阳极筒之外，磁钢和磁环分别紧靠下阴极板和上阴极板放置，上阴极板有一离子束引出孔，离子束引出孔的轴线、磁环的轴线和阳极筒的轴线在同一直线上，其特征在于，还包括一泡沫金属活性薄板和引出电极，所述泡沫金属活性薄板通过一绝缘材料和磁环隔离后，放置于磁环之上，其表面与上阴极板表面平行；所述引出电极置于泡沫金属活性薄板之上。

更进一步地，上述的一种用于中子管的气体放电型离子源，其特征在于，所述泡沫金属活性薄板的材料是Fe、Co、Ni或Ti。

更进一步地，上述的一种用于中子管的气体放电型离子源，其特征在于，所述泡沫金属活性薄板的厚度≤10 mm、平均孔径≥0.2 mm、比表面积≥250 m²/m³。

工作时，由于磁钢和磁环使阳极筒内磁场强度达到约600 高斯，阳极筒内气体击穿后，在磁场和电场作用下，电子在阳极筒内反复撞击气体分子使得阳极筒内产生大量分子离子。分子离子束在偏压作用下通过活性金属时由于催化作用形成原子离子发射。采用本发明离子源可以从引出电极输出高比率氢（包括其同位素氘或氚）原子离子束，将它用于中子管可以延长中子管的工作寿命、提高中子产额。

附图说明

图1 本发明的用于中子管的气体放电离子源剖面结构示意图。

其中，各附图的标记含义为：

1-磁钢、2-下阴极板、3-阳极筒、4-上阴极板、5-磁环、6-绝缘材料、7-泡沫金属活性薄板、8-引出电极。

具体实施方式

以下结合实施例及附图，对本发明进一步详细描述。

实施例一：

如图1所示，一种用于中子管的气体放电型离子源，包括，磁钢1、下阴极板2、阳极筒3、上阴极板4、磁环5、绝缘材料6、Ni泡沫金属活性薄板7和引出电极8。Ni泡沫金属活性薄板7，其厚度是3 mm、平均孔径=0.23 mm、比表面积=5800 m²/m³。磁钢1和磁环5使阳极筒内磁场强度达到600 高斯。该离子源安放于真空室内，然后在真空室内充入氘气体达到10^-3—10^-2 Pa。工作时，接上外置电源。阳极筒3和上阴极4、下阴极2（上下阴极串联）外接一脉冲电源电压1800-2300 V，电源频率10 kHz。气体击穿后由于磁场和电场作用，电子在阳极筒内反复撞击气体分子使得阳极筒内产生大量氘分子离子。Ni泡沫金属活性薄板7相对于上阴极接-700 V左右的低压电源，引出电极8相对于Ni泡沫金属活性薄板7外接-10 kV以上的高压脉冲电源。由于Ni泡沫金属活性薄板7的催化作用，从下阴极发射的氘分子离子会在泡沫金属内转变成为氘原子离子，经引出电极8加速后可用回旋质谱仪测试氘原子和分子离子束比例。测试结果表明，启动离子源后，无Ni泡沫金属活性薄板7时，输出的原子和分子离子束之比为1:8；加Ni泡沫金属活性薄板7后氘原子和分子离子束之比变为1:0.6。

实施例二：

如图1所示，一种用于中子管的气体放电型离子源，包括，磁钢1、下阴极板2、阳极筒3、上阴极板4、磁环5、绝缘材料6、Fe泡沫金属活性薄板7和引出电极8。Fe泡沫金属活性薄板7，其厚度是3 mm、平均孔径=0.6 mm、比表面积=1500 m²/m³。磁钢1和磁环5使阳极筒内磁场强度达到600 高斯。该离子源安放于真空室内，然后在真空室内充入氘气体达到10^-3—10^-2 Pa。工作时，接上外置电源。阳极筒3和上阴极4、下阴极2（上下阴极串联）外接一脉冲电源电压1800-2300 V，电源频率10 kHz。气体击穿后由于磁场和电场作用，电子在阳极筒内反复撞击气体分子使得阳极筒内产生大量氘分子离子。Fe泡沫金属活性薄板7相对于上阴极接-700 V左右的低压电源，引出电极8相对于Fe泡沫金属活性薄板7外接-10 kV以上的高压脉冲电源。由于Fe泡沫金属活性薄板7的催化作用，从下阴极发射的氘分子离子会在泡沫金属内转变成为氘原子离子，经引出电极8加速后可用回旋质谱仪测试氘原子和分子离子束比例。测试结果表明，启动离子源后，无Fe泡沫金属活性薄板7时，输出的原子和分子离子束之比为1:8；加Fe泡沫金属活性薄板7后氘原子和分子离子束之比变为1:1。

实施例三：

如图1所示，一种用于中子管的气体放电型离子源，包括，磁钢1、下阴极板2、阳极筒3、上阴极板4、磁环5、绝缘材料6、Co泡沫金属活性薄板7和引出电极8。Co泡沫金属活性薄板7，其厚度是3 mm、平均孔径=1.6 mm、比表面积=250 m²/m³。磁钢1和磁环5使阳极筒内磁场强度达到600 高斯。该离子源安放于真空室内，然后在真空室内充入氘气体达到10^-3—10^-2 Pa。工作时，接上外置电源。阳极筒3和上阴极4、下阴极2（上下阴极串联）外接一脉冲电源电压1800-2300 V，电源频率10 kHz。气体击穿后由于磁场和电场作用，电子在阳极筒内反复撞击气体分子使得阳极筒内产生大量氘分子离子。Co泡沫金属活性薄板7相对于上阴极接-700 V左右的低压电源，引出电极8相对于Co泡沫金属活性薄板7外接-10 kV以上的高压脉冲电源。由于Co泡沫金属活性薄板7的催化作用，从下阴极发射的氘分子离子会在泡沫金属内转变成为氘原子离子，经引出电极8加速后可用回旋质谱仪测试氘原子和分子离子束比例。测试结果表明，启动离子源后，无Co泡沫金属活性薄板7时，输出的原子和分子离子束之比为1:8；加Co泡沫金属活性薄板7后氘原子和分子离子束之比变为1:1.5。

实施例四：

如图1所示，一种用于中子管的气体放电型离子源，包括，磁钢1、下阴极板2、阳极筒3、上阴极板4、磁环5、绝缘材料6、Ti泡沫金属活性薄板7和引出电极8。Ti泡沫金属活性薄板7，其厚度是3 mm、平均孔径=0.95 mm、比表面积=500 m²/m³。磁钢1和磁环5使阳极筒内磁场强度达到600 高斯。该离子源安放于真空室内，然后在真空室内充入氘气体达到10^-3—10^-2 Pa。工作时，接上外置电源。阳极筒3和上阴极4、下阴极2（上下阴极串联）外接一脉冲电源电压1800-2300 V，电源频率10 kHz。气体击穿后由于磁场和电场作用，电子在阳极筒内反复撞击气体分子使得阳极筒内产生大量氘分子离子。Ti泡沫金属活性薄板7相对于上阴极接-700 V左右的低压电源，引出电极8相对于Ti泡沫金属活性薄板7外接-10 kV以上的高压脉冲电源。由于Ti泡沫金属活性薄板7的催化作用，从下阴极发射的氘分子离子会在泡沫金属内转变成为氘原子离子，经引出电极8加速后可用回旋质谱仪测试氘原子和分子离子束比例。测试结果表明，启动离子源后，无Ti泡沫金属活性薄板7时，输出的原子和分子离子束之比为1:8；加Ti泡沫金属活性薄板7后氘原子和分子离子束之比变为1:1.5。