CN117812796A - 用于回旋加速器中子源的铍锂复合中子靶和靶站结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于回旋加速器中子源的铍锂复合中子靶和靶站结构，该中子靶是由铍材料在前、锂材料在后的两种材料组成的复合中子靶；该靶站结构包括分别生成热中子、冷中子的靶站结构：生成热中子的靶站结构最外层为聚乙烯慢化体、内层轴线上设有质子射入通道、中心处为铍锂复合靶、铍锂复合靶的斜上方为热中子引出口；生成冷中子的靶站结构为双慢化体，最外层为聚乙烯慢化体，铍锂复合靶的斜上方为冷中子引出口，固态甲烷慢化体同轴布设在冷中子引出通道下方；本发明利用了铍在相对高的质子能量段的反应截面高、锂在相对低的质子能量段的反应截面高的特点，将质子从穿出铍靶材以后的剩余能量段通过锂靶材吸收，从而提高了中子产额。
Description
技术领域
本发明属于回旋加速器中子源技术领域，尤其涉及一种用于回旋加速器中子源的铍锂复合中子靶和靶站结构。
背景技术
在研发回旋加速器驱动的中子源时，为了得到更高流强的中子束流，需要提高中子产额。回旋加速器中子源是通过回旋加速器产生的质子与靶材发生(p,n)反应产生中子，目前一般采用单一材料来产生中子。质子入射到靶材后，随着入射深度加深质子能量逐渐降低。因为Be的(p,n)反应截面阈值相对Li高，但Be的(p,n)反应截面在质子能量较高时大于Li，在质子能量较低时小于Li，所以一般认为回旋加速器产生的质子能量较高时与Be的中子产额更高，回旋加速器产生的质子能量较低时与Li的中子产额更高。但当质子能量高，采用铍靶时，在质子穿透铍靶过程中降能得到的低能质子利用率较低，需要解决该问题，进一步提高中子产额。
发明内容
本发明针对现有回旋加速器中子源结构存在的缺陷，提出一种用于回旋加速器中子源的铍锂复合中子靶和靶站结构，目的在于进一步提高回旋加速器中子源的中子产额。
本发明为解决其技术问题，提出以下技术方案：
一种用于回旋加速器中子源的铍锂复合中子靶，其特点是：该铍锂复合中子靶是由铍材料在前、锂材料在后的两种材料组成的中子靶，所述铍材料在前，即是铍材料最先和质子发生反应；该铍锂复合中子靶用于根据不同中子能量的需求和对应的慢化体组成中子靶靶站。
进一步地，当质子能量在7～22MeV时，铍锂复合中子靶对中子产额的提高效果更明显。
进一步地，当质子能量为20MeV时，所述铍锂复合中子靶铍的厚度为2.35mm，铍的直径为10cm，锂的厚度为1.43mm，锂的直径为10cm。
一种用于产生热中子的铍锂复合靶靶站结构，其特点是：该靶站结构包括布设在圆柱体形状的靶站结构最外层的兼具慢化和反射作用的聚乙烯、布设在靶站结构中心处的用于和质子碰撞生成中子的中子靶、布设在中子靶斜上方的热中子引出口；沿着圆柱体靶站结构的轴线设有质子射入通道，质子射入通道的尽头布设铍锂复合中子靶；质子沿着射入通道进入靶站结构并打在铍锂复合中子靶上；热中子引出口的方向垂直并高于质子射入的方向。
进一步地，所述热中子引出口的方向垂直于质子射入的方向、布设在铍锂复合中子靶的斜上方，具体为：热中子引出通道的中心线位于质子入射通道中心线向上10cm处、以及位于铍锂复合靶端面向前10cm处；所述热中子引出通道的直径为10cm、高度为30cm。
一种用于产生冷中子的双慢化体铍锂复合靶靶站结构，其特点是：该靶站结构包括布设在圆柱体形状的靶站结构最外层的兼具慢化和反射作用的聚乙烯、布设在靶站结构中心处的用于和质子碰撞生成中子的中子靶、布设在中子靶斜上方的固态甲烷慢化体和冷中子引出口；沿着圆柱体靶站结构的轴线设有质子射入通道，质子射入通道的尽头布设铍锂复合中子靶；质子沿着射入通道进入靶站结构并打在铍锂复合中子靶上；该固态甲烷慢化体同轴布设在冷中子引出通道的下方且上端面连接冷中子引出通道的下端面；该固态甲烷慢化体和冷中子引出通道的方向垂直并高于质子射入的方向。
进一步地，所述固态甲烷慢化体布设在质子入射通道中心线向上10cm处、以及布设在铍锂复合靶端面向前10cm处，所述固态甲烷慢化体的直径为10cm，高度为10cm。
进一步地，所述冷中子引出通道的下端面连接固态甲烷慢化体的上端面，冷中子引出通道的直径为10cm、高度为20cm。
本发明的优点效果
本发明针对回旋加速器中子源的需求，采用了铍锂复合中子靶的设计，铍锂复合中子靶的设计利用了随着质子穿过靶材料其能量不断降低的特点、以及利用了铍在相对高的质子能量段和质子产生中子的反应截面高、锂在相对低的质子能量段和质子产生中子的反应截面高的特点，将质子从穿出铍靶材以后的剩余能量段通过锂靶材吸收，充分利用了不同能量段的质子，从而提高了中子产额。
附图说明
图1为不同能量质子与铍和锂的(p,n)反应截面；
图2为不同能量质子与不同靶材反应的中子产额；
图3为质子能量为20MeV时的铍锂复合靶结构；
图4为铍锂复合靶用于产生热中子的靶站结构示意图；
图5为铍锂复合靶用于产生冷中子的靶站结构示意图。
具体实施方式
本发明设计原理
1、本发明克服了传统的偏见。传统的偏见是：提高中子的产率只是考虑单一因素的选择，只是关注靶材的选择，如何选择产率高的靶材，没有考虑到质子穿过靶材的剩余能量段还能够再利用。也就是没有考虑到根据质子穿过靶材时在不同深度的能量变化，确定不同深度应放置的材料。
2、本发明的创新点和解决方案。第一、提出了根据回旋加速器产生的质子穿透靶材料在不同深度时的能量变化，确定不同深度应放置的材料。第二、巧妙地将质子穿过靶材料其能量不断降低的特点、以及铍在20MeV到7MeV的反应截面高、锂在7MeV以下的反应截面高的特点进行三者的有机的组合，设计出铍锂复合靶。所述有机组合就是复合靶中铍材料在前、锂材料在后，因为铍材料在相对高的质子能量段，也就是20MeV到7MeV的能量段反应截面高，锂材料在相对低的质子能量段，也就是7MeV以下的能量段反应截面高，因此设计出铍锂复合靶；所述有机组合就是铍材料的厚度刚好为质子和铍发生反应后铍的反应截面较高区域的厚度，如果铍材料厚度超出了这个范围，反应截面就会降低；所述有机组合就是锂材料的厚度刚好为质子和锂发生反应后锂的反应截面较高的厚度，如果锂材料厚度小于这个厚度，就会将反应截面高的区域的中子丢失一部分；第三、通过计算得到当质子能量在7～22MeV时，复合靶相对于单一靶材对中子产额的提高效果更明显。
3、关于图1的说明
1)图1为不同能量质子与铍和锂的(p,n)反应截面。当质子能量小于7MeV时，锂的(p,n)反应截面更高；当质子能量大于7MeV时，铍的(p,n)反应截面更高。当质子能量大于7MeV时，可以采用铍锂复合靶结构，回旋加速器产生的质子先打到铍上，铍的厚度设置为当质子能量穿此厚度铍后能量降低到7MeV，在铍后放置锂，通过这样的铍锂复合靶结构以提高中子产额。
2)质子射入方向和图1的横坐标方向相反。质子入射能量是20MeV的高能量，入射方向在图1看是从右向左入射。20MeV对应图1的最右端，由于铍在20MeV到7MeV时的反应截面远远大于锂，所以质子先打到铍上，当设定铍的厚度为一个设定值时，质子穿过铍的一刹那能量下降到7MeV，由于7MeV到2MeV的质子能量区间，锂的反应截面远远大于铍，所以在铍的后面再布设锂。当锂的厚度为一个设定的值时，质子打到锂上，锂材料会把质子的能量全部吸收。
4、关于图2的说明
图2展示了铍锂复合靶的中子产额与单一材料的铍靶或锂靶相比的优势。铍锂复合靶在质子能量为7～22MeV之间时可以有效提高中子通量，与单一材料靶相比高出>5％，其中最高可以高出～25％。
基于以上原理，本发明设计了一种用于回旋加速器中子源的铍锂复合中子靶，其特点是：该铍锂复合中子靶是由铍材料在前、锂材料在后的两种材料组成的中子靶，所述铍材料在前，即是铍材料最先和质子发生反应；该铍锂复合中子靶用于根据不同中子能量的需求和对应的慢化体组成中子靶靶站。
进一步地，当质子能量在7～22MeV时，铍锂复合中子靶对中子产额的提高效果更明显。
进一步地，当质子能量为20MeV时，所述铍锂复合中子靶铍的厚度为2.35mm，铍的直径为10cm，锂的厚度为1.43mm，锂的直径为10cm。
一种用于产生热中子的铍锂复合靶靶站结构如图4所示，其特点是：该靶站结构包括布设在圆柱体形状的靶站结构最外层的兼具慢化和反射作用的聚乙烯、布设在靶站结构中心处的用于和质子碰撞生成中子的中子靶、布设在中子靶斜上方的热中子引出口；沿着圆柱体靶站结构的轴线设有质子射入通道，质子射入通道的尽头布设铍锂复合中子靶；质子沿着射入通道进入靶站结构并打在铍锂复合中子靶上；热中子引出口的方向垂直并高于质子射入的方向。
补充说明1
将热中子引出口没有沿着水平方向布设，而是垂直于质子入射方向的原因：①中子靶产生的热中子需要经过慢化体的慢化才可以降能为成像需要的热中子。在慢化过程中，中子的前向性被削弱，慢化后的热中子近似为球形，均匀分布；近似越接近中子靶位置，热中子通量越高，即从中子靶附近处引出的热中子越多；②由于热中子的通量分布呈球状，所以将热中子引出口布设在中子靶的斜上方和布设在正上方效果是一样的；③将热中子引出口布设在中子靶的斜上方而不是紧贴中子靶，还因为从中子靶产生引出的是快中子，快中子和慢化材料发生碰撞后才能慢化为产生热中子，因此必须在中子靶周围给热中子的产生设定一个慢化区域，保证快中子和慢化材料有一个充分碰撞的空间，这个充分碰撞的空间就是热中子引出口和中子靶之间要有一个设定的距离，以这个距离作为慢化区域的半径。
进一步地，所述热中子引出口的方向垂直于质子射入的方向、布设在铍锂复合中子靶的斜上方，具体为：热中子引出通道的中心线位于质子入射通道中心线向上10cm处、以及位于铍锂复合靶端面向前10cm处；所述热中子引出通道的直径为10cm、高度为30cm。
一种用于产生冷中子的双慢化体铍锂复合靶靶站结构如图5所示，其特点是：该靶站结构包括布设在圆柱体形状的靶站结构最外层的兼具慢化和反射作用的聚乙烯、布设在靶站结构中心处的用于和质子碰撞生成中子的中子靶、布设在中子靶斜上方的固态甲烷慢化体和冷中子引出口；沿着圆柱体靶站结构的轴线设有质子射入通道，质子射入通道的尽头布设铍锂复合中子靶；质子沿着射入通道进入靶站结构并打在铍锂复合中子靶上；该固态甲烷慢化体同轴布设在冷中子引出通道的下方且上端面连接冷中子引出通道的下端面；该固态甲烷慢化体和冷中子引出通道的方向垂直并高于质子射入的方向。
补充说明2
①图5和图4相比，靶站结构在冷中子引出口的正下方增加了固态甲烷慢化体，这是因为图5的靶站结构生产的是冷中子而不是热中子。固态甲烷慢化体用于把热中子变为冷中子。
②冷中子引出口并没有沿着水平方向布设，而是垂直于质子入射方向的原因：在冷中子之前首先产生的是热中子。热中子引出口布设在中子靶斜上方的原理同上述补充说明1。
进一步地，所述固态甲烷慢化体布设在质子入射通道中心线向上10cm处、以及布设在铍锂复合靶端面向前10cm处，所述固态甲烷慢化体的直径为10cm，高度为10cm。
进一步地，所述冷中子引出通道的下端面连接固态甲烷慢化体的上端面，冷中子引出通道的直径为10cm、高度为20cm。
需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种用于回旋加速器中子源的铍锂复合中子靶，其特征在于：该铍锂复合中子靶是由铍材料在前、锂材料在后的两种材料组成的中子靶，所述铍材料在前，即是铍材料最先和质子发生反应；该铍锂复合中子靶用于根据不同中子能量的需求和对应的慢化体组成中子靶靶站。
2.根据权利要求1所述一种用于回旋加速器中子源的铍锂复合中子靶，其特征在于：当质子能量在7～22MeV时，铍锂复合中子靶对中子产额的提高效果更明显。
3.根据权利要求2所述一种用于回旋加速器中子源的铍锂复合中子靶，其特征在于：当质子能量为20MeV时，所述铍锂复合中子靶铍的厚度为2.35mm，铍的直径为10cm，锂的厚度为1.43mm，锂的直径为10cm。
4.一种基于权利要求1-3任意一项一种用于回旋加速器中子源的铍锂复合中子靶的用于产生热中子的铍锂复合靶靶站结构，其特征在于：该靶站结构包括布设在圆柱体形状的靶站结构最外层的兼具慢化和反射作用的聚乙烯、布设在靶站结构中心处的用于和质子碰撞生成中子的中子靶、布设在中子靶斜上方的热中子引出口；沿着圆柱体靶站结构的轴线设有质子射入通道，质子射入通道的尽头布设铍锂复合中子靶；质子沿着射入通道进入靶站结构并打在铍锂复合中子靶上；热中子引出口的方向垂直并高于质子射入的方向。
5.根据权利要求4所述一种用于产生热中子的铍锂复合靶靶站结构，其特征在于：所述热中子引出口的方向垂直于质子射入的方向、布设在铍锂复合中子靶的斜上方，具体为：热中子引出通道的中心线位于质子入射通道中心线向上10cm处、以及位于铍锂复合靶端面向前10cm处；所述热中子引出通道的直径为10cm、高度为30cm。
6.一种基于权利要求1-3任意一项一种用于回旋加速器中子源的铍锂复合中子靶的用于产生冷中子的双慢化体铍锂复合靶靶站结构，
其特征在于：该靶站结构包括布设在圆柱体形状的靶站结构最外层的兼具慢化和反射作用的聚乙烯、布设在靶站结构中心处的用于和质子碰撞生成中子的中子靶、布设在中子靶斜上方的固态甲烷慢化体和冷中子引出口；沿着圆柱体靶站结构的轴线设有质子射入通道，质子射入通道的尽头布设铍锂复合中子靶；质子沿着射入通道进入靶站结构并打在铍锂复合中子靶上；该固态甲烷慢化体同轴布设在冷中子引出通道的下方，且上端面连接冷中子引出通道的下端面；该固态甲烷慢化体和冷中子引出通道的方向垂直并高于质子射入的方向。
7.根据权利要求6所述一种用于产生冷中子的双慢化体铍锂复合靶靶站结构，其特征在于：所述固态甲烷慢化体布设在质子入射通道中心线向上10cm处、以及布设在铍锂复合靶端面向前10cm处，所述固态甲烷慢化体的直径为10cm，高度为10cm。
8.根据权利要求6所述一种用于产生冷中子的双慢化体铍锂复合靶靶站结构，其特征在于：所述冷中子引出通道的下端面连接固态甲烷慢化体的上端面，冷中子引出通道的直径为10cm、高度为20cm。
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