CN102930764B

CN102930764B - 中子管离子源负氢离子束引出实验台

Info

Publication number: CN102930764B
Application number: CN201210428854.0A
Authority: CN
Inventors: 乔双
Original assignee: Northeast Normal University
Current assignee: Northeast Normal University
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: CN102930764A

Abstract

本发明属于中子管的实验设备，具体涉及潘宁中子管离子源负氢离子束引出实验台，是研究设计长寿命、高稳定性中子管的关键实验设备，带有高压电极的玻璃钟罩为实验空间，微调阀通入氢气并能调节真空度以模拟中子管内部的工作气压。实验台上潘宁离子源中D、T负离子的产生，主要是通过离解吸附方式，不存在负的分子离子和负的三原子离子，引出束流都是单原子负离子。中子管中离子源的引出束流与多种因素有密切的关系。通过该实验台可以很方便的调整离子源***的各个参数，研究各个参数对引出束流的影响，在加速电极上得到好的束流品质。另外，利用该实验台可以做中子管的模拟实验，检验和修正中子管的设计，能够大大缩短研制周期，节省开发资金。

Description

中子管离子源负氢离子束引出实验台

技术领域

本发明属于中子管的实验设备，具体涉及潘宁（PIG）中子管离子源负氢离子束引出实验台。

背景技术

中子管和以它为核心的中子发生器是一项实验性很强的科学技术，在很多领域都有着重要的应用。中子管把离子源、加速聚焦电极、靶和气压调节***密封在一个绝缘的真空外壳里面，组成一个小型加速器。中子管中的离子源是决定中子管的产额、寿命和稳定性的核心部件之一。潘宁离子源（简称PIG离子源）由于其结构简单、工作稳定、寿命长、供电***简单及能在低气压下工作等特点，被广泛应用于中子管等小型加速器中。

随着中子管、中子发生器应用领域的不断拓展，急需研制各种不同参数和特性的中子管。而中子管中离子源的引出束流与加速间隙的选择、引出孔径的尺寸、离子源的结构、各部件的尺寸和材料、电子温度以及引出电极结构、管内气压等均有密切的关系。因此，中子管的研制是以大量的实验为基础的。所以以离子源引出束流为核心，建设一种能够测量引出束流特性参数，模拟中子管工作状态的实验装置对中子管的研制是非常必要的。它可以做中子管的模拟实验，检验和修正中子管的设计，大大缩短研制周期，节省开发资金。

目前国内生产的中子管都是采用引出正离子的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。这种结构的中子管存在，引出束流利用率低，靶上会产生二次电子，法拉第圆筒表面容易形成电子的场致发射点，靶的溅射损伤大等缺点。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%，能够克服上述的缺点。

发明内容

为了提高研制不同用途中子管的成功率和效率，提高中子管的寿命和稳定性，本发明的目的是提供一种潘宁（PIG）中子管离子源负氢离子束引出实验台。

潘宁中子管离子源负氢离子束引出实验台是由潘宁离子源负氢离子束引出部分和真空***与环境部分组成。

实验台上带有高压电极的玻璃钟罩为实验空间，经真空法兰与分子泵机组连通。可以做离子源束流引出实验和中子管整体工作状态的模拟实验，或者检验某一元件的设计尺寸及材料和磁场的选择。真空法兰带有绝缘电极用以引入离子源电压和收集电压。玻璃钟罩上的圆形高压电极引入加速高压。微调阀通入氢气并能调节真空度以模拟中子管内部的工作气压。实验台前面放置铅玻璃用来阻挡实验时产生的X射线。透过铅玻璃可直接观察离子源的放电情况和引出束流的形状。该实验台上的PIG离子源中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，未来封装成中子管时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。但是，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，增加加速高压电源的负荷，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收集电极来实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

实验空间被限制在带有高压电极的玻璃钟罩内部，玻璃钟罩下部是法兰盘，在法兰盘上设有绝缘电极、地电极、真空规管、温度计、进气管、连接分子泵的导管等。电极用于提供实验所需的阳极电压、收集电压、加速电压；真空规管用于测量玻璃钟罩内部的真空镀；进气管用于向玻璃钟罩内部充入工作气体，并能实现微调。位于玻璃钟罩内部的负氢离子源的束流引出采用偏心引出方式，在偏心引出时，阳极筒的中心轴和铜头、对阴极、引出阴极的中心轴重合，偏离离子源轴心区域负离子的密度最大。收集电极和加速极板加正高压，加速电压高于收集电压，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。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，因此必须去除。我们采用一组横向偏转磁场加上收集电极来实现，或者采用两组互成90⁰的横向偏转磁场加上收集电极来实现，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，收集电压几千伏即可。收集电极内嵌于两组磁钢中，同时收集电极兼作引出电极。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，作为实验和测试平台，潘宁中子管离子源负氢离子束引出实验台可以很方便地对各参数进行优化组合，在靶及加速电极板上得到最佳的束流品质。通过对部件的改进，使潘宁离子源工作在最佳状态，其结果可用于各种不同用途中子管的研究和设计。能够大幅度缩短研制周期，节省开发资金。

附图说明

附图1是潘宁中子管离子源负氢离子束引出实验台潘宁离子源负氢离子束引出部分结构示意图。

其中1.离子源磁钢， 2.引出阴极， 3.对阴极， 4.阳极筒， 5.离子源罩， 6.收集电极， 7.偏转磁钢，8.玻璃管，9.靶及加速电极板，10.阳极接线柱，11.地电极接线柱， 12.上面罩， 13.铜头。

附图2 是潘宁中子管离子源负氢离子束引出实验台真空***与环境部分结构示意图。

其中14.加速高压电极， 15. 潘宁离子源负氢离子束引出部分， 16.绝缘支架， 17.玻璃钟罩， 18.离子源电极， 19.地电极， 20.真空计， 21.收集电极， 22.温度计， 23.抽气管， 24.手动阀门， 25. 微调阀门， 26. 工作气体输送管， 27.分子泵机组， 28.法兰盘。

下面结合附图对本发明进一步说明。

具体实施方式

本发明潘宁中子管离子源负氢离子束引出实验台是由潘宁离子源负氢离子束引出部分和真空***与环境部分组成。采用圆柱形轴对称结构，它把离子源、加速电极、收集电极、偏转磁钢、气压调节***等全部放置于玻璃钟罩内，构成一个结构紧凑、使用方便的离子源束流引出实验装置，其结构和位置关系如附图1和附图2所示。

潘宁离子源负氢离子束引出部分：如附图1中，将各个部件清洗干净，由下至上安装好。首先将对阴极3放入铜头13中，再将离子源磁钢1放入铜头13中，引出阴极2和离子源罩5焊接在一起，并置于铜头13上方。在离子源罩5内部，装有通过阳极接线柱10连接的阳极筒4. 用上面罩12套住铜头13，并保持与离子源罩5接触良好。在上面罩上放置一段玻璃管8，玻璃管8中放置一对偏转磁钢7，偏转磁钢7的外部包裹一层可阀材料作为收集电极6. 在玻璃管8的上端放置一个靶及加速电极板9，地电极接线柱11与电源负极连接。以上是实验台的核心部分即潘宁离子源负氢离子束引出部分，该部分所有零部件必须保持同轴，同轴度允差不大于0.02mm。

真空***与环境部分，如附图2所示，首先将潘宁离子源负氢离子束引出部分15放置于绝缘支架16上，将离子源电极18、地电极19、收集电极21，分别和潘宁离子源负氢离子束引出部分15的相应电极相连，将玻璃钟罩17扣在法兰盘28上，并将PIG离子源负氢离子束引出部分15的靶及加速电极板连接到加速高压电极14上。接着连接好各路供电电源，连接真空计20，并打开。连接温度计22，并打开。开启分子泵机组27，打开手动阀门24，通过抽气管23对玻璃钟罩17内部空间，抽真空，当真空度达到10^-4Pa以上时，缓慢开启微调阀门25，通过工作气体输送管26导入工作气体，这里我们选择氢气作为工作气体。微调阀门25控制工作气体的导入量，由真空计测量玻璃钟罩17内部的真空度。然后，依次打开离子源电源、收集极电源、加速高压电源。此时实验台进入工作状态，可以进行实验、测量和观察。

Claims

1.潘宁中子管离子源负氢离子束引出实验台，其特征是：它由离子源负氢离子束引出部分15和真空***与环境两部分构成，其中，潘宁离子源负氢离子束引出部分15由铜头13、上面罩12、阳极筒4、离子源罩5、离子源磁钢1、偏转磁钢7、收集电极6、玻璃管8、靶及加速电极板9构成；真空***与环境由加速高压电极14、玻璃钟罩17、真空计20、温度计22、手动阀门24、微调阀门25、分子泵机组27、法兰盘28构成，潘宁离子源负氢离子束引出部分15是将对阴极3置于铜头13中，再将离子源磁钢1置入铜头13中，引出阴极2和离子源罩5焊接在一起，并置于铜头13上方，在离子源罩5内部，装有通过阳极接线柱10连接的阳极筒4 用上面罩12套住铜头13，保持与离子源罩5接触，在上面罩12上放置一段玻璃管8，玻璃管8中放置一对偏转磁钢7，偏转磁钢7的外部包裹一层可阀材料作为收集电极6，在玻璃管8的上端放置一个靶及加速电极板9，地电极接线柱11与电源负极连接，潘宁离子源负氢离子束引出部分15所有零部件保持同轴，将潘宁离子源负氢离子束引出部分15放置于绝缘支架16上，离子源电极18、地电极19、收集电极21，分别和潘宁离子源负氢离子束引出部分15的相应电极相连，玻璃钟罩17扣在法兰盘28上，潘宁离子源负氢离子束引出部分15的靶及加速电极板9连接到加速高压电极14，连接各路供电电源，即离子源电极18连接到外部离子源电源上，收集电极21连接到外部收集电源上，加速高压电极14连接到外部高压电源上，玻璃钟罩17内设置真空计20、温度计22，玻璃钟罩17通过抽气管23手动阀门24与分子泵机组27连通，同时玻璃钟罩17另设微调阀门25接通气体输送管26。

2.根据权利要求1所述的潘宁中子管离子源负氢离子束引出实验台，其特征是：潘宁离子源的束流引出采用偏心引出方式，阳极筒4的中心轴与铜头13、对阴极3、引出阴极2的中心轴重合，从潘宁离子源引出负离子流，在收集电极外设置一对偏转磁钢。

3.根据权利要求1所述的潘宁中子管离子源负氢离子束引出实验台，其特征是：玻璃钟罩17内束流引出部分的所有零部件同轴度允差不大于0.02mm。