一种扫描微焦靶 |
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| 申请号 | CN201610397806.8 | 申请日 | 2016-06-07 | 公开(公告)号 | CN105873350A | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 中国工程物理研究院核物理与化学研究所; | 发明人 | 何小海; 李彦; 薛小明; 娄本超; 唐君; 牟云峰; 李小飞; 胡永宏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种扫描微焦靶，所述装置是用于 加速 器 中子 源的扫描微焦靶。氘或氘氚混合离子束经加速器加速到额定 能量 之后，采用交变扫描 磁场 将离子束快速均匀展开成小 角 度扇形离子束，然后再进入电四极场或磁四极场，在长度方向上进一步 散焦 展开，在垂直方向缩小至所需要的微小尺寸，形成大角度扇形离子束。扇形离子束轰击到一个移动靶上，在平行于靶面的展开方向上，产生与微焦斑点状中子源等效的出射中子束。本发明的扫描微焦靶适合在需要具备方向性和点源特性的高产额加速器中子源上应用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种扫描微焦靶，其特征在于，所述的扫描微焦靶包括扫描磁铁（2）、四极透镜（3）、移动靶（4），入射离子束（1）穿过扫描磁铁（2），在Y方向来回偏转，形成展开角为β1的扇形离子束Ⅰ，扇形离子束Ⅰ再进入四极透镜（3），形成展开角为β2的扇形离子束Ⅱ，β1<β2，扇形离子束Ⅱ轰击移动靶（4），产生与等效焦斑（5）相同特性的出射方向中子束（6）； |
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| 说明书全文 | 一种扫描微焦靶技术领域[0001] 本发明属于核技术及应用领域，具体涉及一种扫描微焦靶。 背景技术[0003] 当前有几种方式提升靶承受离子束轰击功率的能力：一是采用摇摆靶，让靶面作机械摆动，该方法的优点是在不增加束斑尺寸的条件下，离子束在靶面上不再仅仅轰击一个点，而是一个面，将平均功率大幅度降低，可以增加离子束流，点源特性保持不变；其缺点是机械摆动的速度不够快，展开的长度有限，体积较大，同时在回转的边缘有停顿，瞬态温升比较高，单纯的摇摆靶，其沉积功率密度可以提升几倍，提升幅度有限。二是《旋转靶强流中子源及其应用》（期刊《现代物理知识》，1996年第05期）公开了一种采用旋转靶方式增加靶面积的方法，该方法的优点是可以在不增加束斑尺寸的条件下，通过靶面的高速旋转，大幅度降低瞬时温升和平均温升，从而大幅度提升靶承受沉积功率的能力，进而提升中子产额和通量，该方法的缺点是结构复杂，体积庞大，旋转速度极快（1000～5000转/分钟），进一步提升转速的难度很大，可靠性差，成本高；三是中国专利文献库公开的CN201010238639.5一种采用无窗气体靶的小型中子源，该方法的优点是无固定靶，产额高，靶寿命长，该方法的缺点是技术难极高，真空系统体积庞大，能耗高，造价高。 [0004] 目前，尚无一种经济、结构简单、具有方向性、点源特性以及束流分布均匀的扫描微焦靶。 发明内容[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种扫描微焦靶。 [0006] 本发明的扫描微焦靶，其特点是，包括扫描磁铁、四极透镜、移动靶，入射离子束穿过扫描磁铁，在Y方向来回偏转，形成展开角为β1的扇形离子束Ⅰ，扇形离子束Ⅰ再进入四极透镜，形成展开角为β2的扇形离子束Ⅱ，β1<β2，扇形离子束Ⅱ轰击移动靶，产生与等效焦斑相同特性的出射方向中子束；所述的移动靶的轰击面为斜面。 [0007] 所述的入射离子束为氘或氘氚混合离子束中的一种。 [0009] 所述的四极透镜为电四极透镜或磁四极透镜中的一种，优选电四极透镜。 [0010] 所述的扇形离子束Ⅱ的展开角β2范围为-30°~30°。 [0011] 所述的扇形离子束Ⅱ在移动靶上轰击区域的Z方向宽度范围为5mm~10mm。 [0012] 所述的移动靶斜面倾斜角α范围为3°~15°。 [0013] 所述的移动靶在z方向来回平移。 [0014] 入射离子束从X方向入射，从扫描磁铁中部穿过，在交变磁场的作用下，在Y方向上来回扫描，初步均匀展开成小角度的扇形离子束Ⅰ，再进入四极透镜，由四极透镜进一步展开成较大角度的均匀分布的扇形离子束Ⅱ，同时在Z方向聚焦缩小至需要的微尺寸。扇形离子束Ⅱ在长度方向上的密度分布不再是不均匀的高斯分布，而是由交变扫描磁铁扫描展开的基本均匀的分布，靶面上的温升均匀。移动靶是一个可以在Z方向作来回运动的中子靶，使离子束轰击在不同的靶位置上。移动靶每次运动回转位置是变化的，即运动回转的位置不是固定在一条边界上，而是基本均匀地分布在整个靶面上。在不追求高产额时，也可以采用固定靶，由于轰击面积已经远大于原有束斑面积，峰值功率密度大幅度降低。移动靶的靶面略向中子束出射方向，即Y方向，倾斜一个微小角度α，便于中子顺利出射，倾斜角度α由中子束出射方向上所需要的投影尺寸确定。离子束轰击到靶上后，将发生DD或者DT反应，放射出中子，在Y方向上形成与微焦斑点状中子发生器等效的准直性很高的出射中子束。 [0015] 本发明的扫描微焦靶，束流焦斑尺寸可以精细控制，有利于提高中子成像质量。靶面束流分布均匀，延长了靶的使用寿命。在保持原有加速器光学系统参数不变的前提下，可以任意调节焦斑尺寸和轰击区域的展宽长度，尤其适合现有加速器中子源的升级改造。附图说明 [0016] 图1为本发明的扫描微焦靶的示意图；图中，1.入射离子束 2.扫描磁铁 3.四极透镜 4.移动靶 5.等效焦斑 6.出射方向中子束。 具体实施方式[0017] 下面结合附图和实施例详细说明本发明。 [0018] 如图1所示，本发明的扫描微焦靶包括扫描磁铁2、四极透镜3、移动靶4，入射离子束1穿过扫描磁铁2，在Y方向来回偏转，形成展开角为β1的扇形离子束Ⅰ，扇形离子束Ⅰ再进入四极透镜3，形成展开角为β2的扇形离子束Ⅱ，β1<β2，扇形离子束Ⅱ轰击移动靶4，产生与等效焦斑5相同特性的出射方向中子束6；所述的移动靶4的轰击面为斜面；图中的X、Y、Z为三维坐标系。 [0019] 所述的入射离子束1为氘或氘氚混合离子束中的一种。 [0020] 所述的扫描磁铁2产生Z方向的交变磁场，频率20Hz~10kHz。 [0021] 所述的四极透镜3为电四极透镜或磁四极透镜中的一种，优选电四极透镜。 [0022] 所述的扇形离子束Ⅱ的展开角β2范围为-30°~30°。 [0023] 所述的扇形离子束Ⅱ在移动靶4上轰击区域的Z方向宽度范围为5mm~10mm。 [0024] 所述的移动靶4斜面倾斜角α范围为3°~15°。 [0025] 所述的移动靶4在z方向来回平移。 [0026] 实施例1在已建好的250kV，2mA，10mm束斑直径的中子发生器上，可以用本发明技术，改造原有中子靶：考虑到90度发射方向产额略低的因素，出射方向的中子通量少了10%左右，要保持到原来的中子通量，需要提升离子束流强增加了10%，也即是2.2mA。然后用扫描磁铁2将离子束均匀展开，在电四极透镜入口处，形成10×40mm左右的扇形离子束Ⅰ，再由电四极透镜短方向过聚焦，长方向散焦展宽，展宽角度为β2，范围为-30°~30°，在固定靶的斜面轰击面上形成10mm×140mm左右的扇形离子束Ⅱ的轰击区，轰击区上沉积的热功率平均密度大约降低了15倍，轰击区的平均温升也大致降低了15倍左右。扫描频率1kHz，束斑在固定靶上的运动速度320m/s，每个点的停留时间约30us，由于离子束流强不大，瞬态温升可以忽略。由于束流功率沿长方向分布基本均匀，峰值密度比纯四极透镜系统的高斯分布降低了60%左右，有效地延长了靶的使用寿命。 [0027] 实施例2在已建好的250kV，2mA，10mm束斑直径的中子发生器上，要想得到7.5mm等效束斑的效果，在离子束流强不变的条件下，束流的峰值密度增加1.8倍左右，散热条件不变时，温升大约增加1.8倍左右，将超过靶的允许工作温度。如果保证靶的温升不变，则需要降低1.8倍左右的离子束流，中子产额将降1.8倍左右。采用本发明技术，改造原有中子靶，先将例子束流强度提高10%，变成2.2mA，然后用扫描磁铁2将离子束均匀展开，在电四极透镜入口处，形成 10×50mm左右的扇形离子束Ⅰ，再由电四极透镜短方向过聚焦，长方向散焦展宽，展宽角度为β2，范围为-30°~30°，在固定靶的斜面上形成7.5mm×133mm左右的扇形离子束Ⅱ的轰击区，轰击区上沉积的热功率平均密度大约降低了11倍，轰击区的平均温升也大致降低了11倍左右。扫描频率1kHz，束斑在靶面上的运动速度300m/s，每个点的停留时间约33us，离子束流强不大，瞬态温升可以忽略。由于束流功率沿长方向分布基本均匀，峰值密度比纯四极透镜系统的高斯分布降低了60%左右，靶的使用寿命更长。同时，等效焦斑缩小25%，成像质量提升。 [0028] 实施例3在已建好的250kV，2mA，10mm束斑直径的中子发生器上，要想得到5mm等效束斑的效果，在离子束流强不变的条件下，束流的峰值密度增加4倍，散热条件不变时，温升大约增加4倍，将远远超过靶的允许工作温度。如果保证靶的温升不变，则需要降低4倍的离子束流，中子产额降低4倍。采用本发明技术，改造原有中子靶，先将例子束流强度提高10%，变成 2.2mA，然后用扫描磁铁2将离子束均匀展开，在电四极透镜入口处，形成10×50mm左右的扇形离子束Ⅰ，再由电四极透镜短方向过聚焦，长方向散焦展宽，在固定靶的斜面上形成5mm× 125mm左右的扇形离子束Ⅱ的轰击区，轰击区上沉积的热功率平均密度大约降低了7倍，轰击区的平均温升也大致降低了7倍左右。扫描频率1kHz，束斑在靶面上的运动速度300m/s，每个点的停留时间约33us，离子束流强不大，瞬态温升可以忽略。由于束流功率沿长方向分布基本均匀，峰值密度比纯四极透镜系统的高斯分布降低了60%左右，靶的使用寿命更长。 同时，等效焦斑缩小一半，成像质量大幅度提升。 [0029] 实施例4在实施例3中，将离子束流强提升7倍，达到15.4mA，靶面上的平均温升与原系统基本一样，但是中子产额提升了7倍，成像时间缩短7倍，同时等效焦斑尺寸缩小了2倍，成像质量大幅提升。 [0030] 实施例5在实施例4中，将固定靶改成移动靶4，靶平移范围±25mm，靶面轰击宽度比原来的5mm增加了10倍，靶面沉积的热功率平均密度降低20倍，靶寿命大幅提升。 |
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