潘宁负离子源陶瓷中子管

摘要

本发明属于改进的可关断中子源，具体涉及一种潘宁负离子源陶瓷中子管。本发明采用PIG型负离子源，产生氘（D）、氚（T）的负离子。离子源采用侧向引出或偏心引出方式，靶上加正高压，在去除引出束流中电子的情况下，引出束流都是单原子负离子，产生中子的束流利用率可以达到100%．采用这种结构的中子管在相同高压和束流下中子产额，比以往中子管提高大约2个数量级。以Φ50管为例，改进后寿命提高10倍以上，产额提高约100倍，稳定性不大于3％，成品率高于90％。

说明书

技术领域

 本发明属于改进的可关断中子源，具体涉及一种潘宁负离子源陶瓷中子管。

 

背景技术

[0002] 目前国内生产的中子管都是采用引出正离子的潘宁（PIG）离子源，在靶端加-60KV～-120KV的负高压将离子源产生的氘（D）离子和氚（T）离子加速，并在靶上发生核反应产生中子。在离子束流被加速的过程中，包围靶的法拉第圆筒表面容易形成电子的场致发射点，这些电子有些打向陶瓷壁，造成陶瓷外壳绝缘性能下降。有些打向加速间隙的地电极，形成暗电流，对高压电源产生不利影响。在引出的离子束流中含有单原子离子、分子离子、三原子离子等，而分子离子、三原子离子的速度平方是单原子离子的1/2和1/3，对中子产额的贡献很小。另外，不锈钢材料中的碳、陶瓷材料中的氧也可以形成正离子，并被加速，他们对中子的产额没有贡献。但这些贡献小或没有贡献的重离子，打到靶上引起溅射，使靶材料产生比较大的消耗，缩短了靶的寿命，同时使中子产额快速减小。重离子打到靶上还会产生二次电子，这些二次电子如果进入离子源，会破坏离子源的工作状态，产生雪崩放电等严重后果，因此，必须加偏转磁场或其它方法来抑制二次电子。这些因素是造成我国中子管产额低，寿命短的主要原因。采用PIG型负离子源，产生氘（D）、氚（T）的负离子。靶上加正高压，在去除引出束流中电子的情况下，引出束流都是单原子负离子，产生中子的束流利用率可以达到100%．

发明内容

为了克服现有采用PIG型正离子源中子管的不足，本发明提供一种改进型的中子管，采用PIG型负离子源，产生D、T的负离子。这样，靶上就可以加正高压，在正极性的电极表面不产生电子的场致发射，也不能产生正离子的场致发射，因为要想产生正离子的场致发射，场强需提高2～3个数量级。因此，可以避免电子及正离子的场致发射对中子管产生的影响。该PIG源中 D、T负离子的产生，主要是通过离解吸附方式，反应式为H₂+e →H₂^-→H₁^-+H₁，不存在负的分子离子（负的分子离子不稳定，寿命约为10^-15s―10^-13s）和负的三原子离子，引出束流都是单原子负离子，产生中子的束流利用率可以达到100%．而且，由于束流利用率高，产生相同产额中子所需的D、T负离子的量比较小，对靶的溅射损伤非常小，靶的寿命可以得到显著延长。靶上加正高压的另一个优点是，负离子打倒靶上产生的二次电子会立即返回到靶上，因此，无需考虑抑制二次电子的措施。这种结构的中子管也存在不利因素，那就是在从PIG型负离子源引出负离子的同时，也引出了一部分电子，如果让它们打倒靶上，将占加速电流的大部分，增加引出高压电源的负荷，因此，必须把这部分电子从引出束流中分离出来。这里我们采用在束流的路径上精心设置相应的横向偏转磁场和引出电极来实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：离子源采用侧向引出或偏心引出方式，理论和实验表明，在侧向引出时，由于阳极筒横向放置，可以方便地提高离子源轴向磁场，而且离子源中心区域负离子的密度最大；在偏心引出时，阳极筒的中心轴和中子管的中心轴重合，偏离离子源轴心区域负离子的密度最大。中子管靶端加正高压，引出束流中包括负离子和电子，负离子全部是单原子负离子，在去除电子的情况下，引出束流的利用率可以达到100%，而且不用考虑靶上二次电子的抑制问题。由于引出束流中的电子对中子的产生没有贡献，而且会增加高压电源的负荷，会使中子管的工作状态不稳定，因此必须去除。我们采用两个互成90⁰的横向永磁场加上引出电极来实现，磁场沿束流轴线方向的厚度大于电子的回转半径。理论计算表明磁场强度几百Gs，引出电压几千伏即可。引出电极内嵌于两组磁钢中，同时引出电极兼作收集电极。两组磁场的配置既能保证电子的充分去除，又能保证引出束流的轴对称形状。

本发明的有益效果是，采用这种结构的中子管在相同高压和束流下中子产额，比以往中子管提高大约2个数量级。以Φ50管为例，改进后寿命提高10倍以上，产额提高约100倍，稳定性不大于3％，成品率高于90％。

 

附图说明

附图是潘宁负离子源陶瓷中子管的结构示意图。

其中1.排气管， 2.电极（包括：储存器电极和离子源电极）， 3. 铜头， 4. 上面罩 ， 5.接地电极， 6. 阳极筒， 7.离子源磁钢 ，8.离子源陶瓷管，9.上偏转磁钢，10. 下偏转磁钢，11.引出电极，12. 加速筒陶瓷管，13. 加速筒， 14. 储存器， 15. 靶，16. 扩张杯。  

下面结合附图对本发明进一步说明。

 

具体实施方式

本发明的中子管是圆形轴对称结构，它把离子源、加速系统、靶和气压调节系统全部密封在一支陶瓷管内，构成一只结构简单紧凑、使用方便的电真空器件，其结构和位置关系如附图所示。首先将铜头3和 靶15制作好，并清洗干净。将上面罩4、离子源陶瓷管8、加速筒陶瓷管12、引出电极11、加速筒13、靶15依次封接在一起，把储存器14焊接在储存器电极2和接地电极5之间；接着选择侧向引出和偏心引出两种方式之一。若采用侧向引出，阳极筒6中心轴与中子管轴垂直，阳极筒6和扩张杯16焊接并和铜头3上的离子源电极2焊在一起。若采用偏心引出，则阳极筒6竖直放置，并且中心轴和中子管轴重合，扩张杯16不用，同时将阳极筒6和铜头3上的离子源电极2点焊在一起。然后将铜头3放入上面罩4中，并和上面罩4焊接在一起；最后将靶15和加速筒13下边沿焊接在一起。使用时在中子管的外部将离子源磁钢7放于阳极筒6的轴对称位置，离子源磁钢7的直径小于阳极筒4直径2mm．将上偏转磁钢9和下偏转磁钢10互成90⁰，错位放于加速筒陶瓷管12外位于引出电极11处，用于除去从离子源引出的电子，此两组偏转磁钢所占区域小于引出电极11的长度。中子管内部所有零部件必须保持同轴，同轴度允差不大于0.02mm。