用于中子源的气态靶和中子源设备 |
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| 申请号 | CN202311662513.4 | 申请日 | 2023-12-05 | 公开(公告)号 | CN117976282A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 中子科学研究院(重庆)有限公司; | 发明人 | 请求不公布姓名; 请求不公布姓名; 闫少健; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 中子 源技术领域并公开一种用于中子源的气态靶和中子源设备，所述用于中子源的气态靶包括本体和偏转 磁场 生成组件，所述本体具有容纳反应气体的反应腔，所述反应腔沿第一方向延伸设置，所述反应腔朝第二方向弯曲设置，所述反应腔具有在所述第二方向相对设置的内弯曲侧和外弯曲侧；所述偏转磁场生成组件设在所述本体的外侧，使带电离子沿所述反应腔的长度方向运动；其中，所述第一方向 正交 于所述第二方向。所述用于中子源的气态靶能够在偏转磁场生成组件的作用下，带电离子沿反应腔的长度方向在反应腔内运动，并与反应腔内的反应气体反应产生中子，该中子可以在内弯曲侧形成一个高通量 密度 的中子辐照区，即，可以在中子辐照区内进行中子辐照。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于中子源的气态靶，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 用于中子源的气态靶和中子源设备技术领域[0001] 本发明涉及中子源技术领域，具体地，涉及一种用于中子源的气态靶和中子源设备。 背景技术[0002] 中子源是能释放出中子的装置。其中，中子源有很多种，从手持放射源到中子研究设施的研究堆和裂变源。最重要的是，中子应用极其广泛，中子源是中子应用的基础，常见 的中子源包括：放射性同位素中子源、加速器中子源、反应堆中子源。其中，使用中子源进行 辐照或者中子治疗时，希望辐照区域中子通量密度越大越好，但是，目前加速器中子源基本 都是点源或直线型源，中子各向发射，可以利用的中子份额小，辐照区域中子通量密度小。 发明内容[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种用于中子源的气态靶和中子源设备，该用于中子源的气态靶能够在偏转磁 场生成组件的作用下，带电离子沿反应腔的长度方向在反应腔内运动，并与反应腔内的反 应气体反应产生中子，该中子可以在内弯曲侧形成一个高通量密度的中子辐照区，即，可以 在中子辐照区内进行中子辐照。 [0005] 本发明实施例的用于中子源的气态靶包括： [0006] 本体，所述本体具有容纳反应气体的反应腔，所述反应腔沿第一方向延伸设置，所述反应腔朝第二方向弯曲设置，所述反应腔具有在所述第二方向相对设置的内弯曲侧和外 弯曲侧； [0008] 其中，所述第一方向正交于所述第二方向。 [0009] 根据本发明的用于中子源的气态靶，在偏转磁场生成组件的作用下，带电离子沿反应腔的长度方向在反应腔内运动，并与反应腔内的反应气体反应产生中子，该中子可以 在内弯曲侧形成一个高通量密度的中子辐照区，即，可以在中子辐照区内进行中子辐照。该 用于中子源的气态靶不仅提高中子利用率，而且还可以用一个中子源解决中子治疗、中子 辐照加工等应用场景中多角度照射的需求。 [0010] 可选地，所述偏转磁场生成组件设置有多个，多个所述偏转磁场生成组件沿所述反应腔的长度方向间隔布置。 [0011] 可选地，所述偏转磁场生成组件包括： [0013] 第一通电线圈，所述第一通电线圈缠绕在所述二极铁上。 [0014] 可选地，在所述反应腔的长度方向上，所述二极铁的两端中的至少一端具有切角。 [0015] 可选地，所述切角的角度为3度至9度。 [0016] 可选地，所述第一通电线圈上的电流可调节。 [0017] 可选地，所述反应腔的弧度范围为0度至360度。 [0018] 可选地，所述反应腔包括第一腔段和第二腔段； [0019] 所述本体包括直线腔，直线腔位于所述第一腔段和所述第二腔段之间，所述直线腔的一端与所述第一腔段连通，所述直线腔的另一端与所述第二腔段连通； [0020] 所述用于中子源的气态靶包括聚焦磁场生成组件，所述聚焦磁场生成组件包括聚焦铁和第二通电线圈，所述聚焦铁围绕所述本体设置，所述聚焦铁的位置与所述直线腔对 应，所述第二通电线圈围绕在所述聚焦铁上。 [0021] 可选地，所述第二通电线圈上的电流可调节。 [0022] 本发明中的具体实施例的中子源设备包括： [0023] 离子源系统，所述离子源系统用于提供离子源； [0024] 束流加速系统，所述束流加速系统用于对所述离子源系统排出的束流进行加速； [0026] 图1是本发明具体实施例的中子源设备的示意图。 [0027] 图2是图1中的用于中子源的气态靶的示意图。 [0028] 图3是本发明具体实施例的中子源设备的另一示意图。 [0029] 图4是图3中的用于中子源的气态靶的示意图。 [0030] 图5是本发明具体实施例的二极铁的示意图。 [0031] 图6是本发明具体实施例的反应腔与偏转磁场生成组件的截面示意图。 [0032] 附图标记：1000‑中子源设备、100‑用于中子源的气态靶、110‑本体、111‑反应腔、111a‑内弯曲侧、111b‑外弯曲侧、111c‑第一腔段、111d‑第二腔段、112‑直线腔、120‑偏转磁 场生成组件、121‑二极铁、121a‑缺口部、121b‑内侧、121c‑外侧、130‑聚焦磁场生成组件、 131‑聚焦铁、200‑离子源系统、300‑束流加速系统、400‑气体循环系统、A‑中子辐照区、B‑切 角。 具体实施方式[0033] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 [0034] 下面参考附图描述本发明实施例的用于中子源的气态靶100。如图1至图6所示，本发明实施例的用于中子源的气态靶100包括本体110和偏转磁场生成组件120。 [0035] 本体110具有容纳反应气体的反应腔111，反应腔111沿第一方向延伸设置，反应腔111朝第二方向弯曲设置，反应腔111具有在第二方向相对设置的内弯曲侧111a和外弯曲侧 111b；偏转磁场生成组件120设在本体110的外侧，使带电离子沿反应腔111的长度方向运 动；其中，第一方向正交于第二方向。 [0036] 根据本发明的用于中子源的气态靶100，在偏转磁场生成组件120的作用下，带电离子沿反应腔111的长度方向在反应腔111内运动，并与反应腔111内的反应气体反应产生 中子，该中子可以在内弯曲侧111a形成一个高通量密度的中子辐照区A，即，可以在中子辐 照区A内进行中子辐照。该用于中子源的气态靶100不仅提高中子利用率，而且还可以用一 个中子源解决中子治疗、中子辐照加工等应用场景中多角度照射的需求。 [0037] 下面描述本发明的一些具体实施例。为了解释本发明中的具体实施例，第一方向与如图1中所指的左右方向一致，第二方向与如图1中所指的上下方向一致。 [0038] 在一些具体实施例中，如图1至图4所示，在用于中子源的气态靶100中，本体110具有容纳反应气体的反应腔111，其中，反应气体与带电粒子可以在反应腔111内进行反应，从 而产生大量的中子。例如，反应腔111内充氘气或者氚气，氘离子在反应腔111内传输过程中 与反应腔111内的氘气或者氚气反应产生中子。反应腔111沿第一方向延伸设置，反应腔111 朝第二方向弯曲设置，反应腔111具有在第二方向相对设置的内弯曲侧111a和外弯曲侧 111b，即，反应腔111可以是一个弧形的腔体，例如，反应腔111为四分之一的圆弧，或如图1 至图4中的二分之一的圆弧。其中，中子辐照区A位于内弯曲侧111a。 [0039] 在一些具体实施例中，如图1至图4所示，反应腔111的弧度范围为0度至360度。具体地，反应腔111的形状可以是半圆形，也可以是整个圆。 [0040] 在一些具体实施例中，如图1至图6所示，偏转磁场生成组件120设在本体110的外侧，使带电粒子沿反应腔111的长度方向运动。具体的，偏转磁场生成组件120可以在反应腔 111内形成偏转磁场，该偏转磁场可以作用于带电粒子，从而改变带电粒子的运动方向，即， 控制带电粒子的运动方向，使得带电粒子可以沿反应腔111的长度方向运动，避免带电粒子 轰击在反应腔111的内壁上，防止束流损失以及传输效率降低。带点粒子在反应腔111内沿 反应腔111的长度方向运动的过程中，并与反应腔111中的反应气体进行反应，产生大量的 中子，由于偏转磁场生成组件120可以控制带电粒子的运动方向，间接的可以使得大量的中 子朝中子辐照区A运动，从而对样品进行辐照。即，在偏转磁场生成组件120作用下，可以形 成一个高通量的中子辐照区A，从而可以提高中子利用率。与此同时，在反应腔111的长度方 向上，各个位置均会产生中子，且每个位置的中子会朝中子辐照区A运动，即，对于中子辐照 区A来说，中子可以从多个角度进入中子辐照区A，从而中子可以多角度对中子辐照区A中的 样品进行辐照。其中，多个角度的中子场叠加可以有效提升辐照区A的总通量密度多角度剂 量场的叠加，可以改善辐照区A周围的剂量场分布，降低非辐照部分的吸收剂量。在一些具 体实施例中，如图1至图6所示，偏转磁场生成组件120设置有多个，多个偏转磁场生成组件 120沿反应腔111的长度方向间隔布置。具体地，利用多个偏转磁场生成组件120对带电粒子 进行控制，可以多次改变带电粒子的运动方向，确保带电粒子沿着反应腔111的长度方向运 动，从而可以更加精准的控制带电粒子的运动方向。与此同时，偏转磁场生成组件120之间 应尽量紧密排布，从而提供连续的偏转磁场。 [0041] 在一些具体实施例中，如图1至图6所示，偏转磁场生成组件120包括二极铁121和第一通电线圈，二极铁121为环形结构，二极铁121具有未闭环的缺口部121a，即，二极铁121 的形状类似于C型，缺口部121a加持在本体110上，二极铁121的内侧121b临近外弯曲侧 111a，二极铁121的外侧121c临近内弯曲侧111b。具体地，如图5所示，在二极铁121的缺口部 121a放置本体110，反应腔111中产生的大量的中子向左运动。 [0042] 在一些具体实施例中，第一通电线圈缠绕在二极铁121上，第一通电线圈通电后，二极铁121可以形成偏转磁场，从而控制带电粒子的运动。 [0043] 在一些具体实施例中，如图5所示，在反应腔111的长度方向上，二极铁121的两端中的至少一端具有切角B。具体地，将二极铁121的端部上切除一部分，使得二极铁121的端 部具有一定角度的切角B，具有切角B的二极铁121可以在二极铁121的两端提供聚焦磁场， 聚焦磁场可以作用于反应腔111的内带电粒子，以提供边缘聚焦力，从而使带电粒子在反应 腔111内的输运包络与反应腔111匹配，避免由于带电粒子发散，从而导致带电粒子轰击到 反应腔111的内表面上造成带电粒子损失以及腔体受热损坏。其中，切角可以形成边缘场， 边缘场可以产生束流的横向聚焦力，从而实现边缘聚焦效应，省去聚焦磁铁。 [0044] 此外，切角B的角度越大，边缘聚焦力越强。 [0045] 在一些具体实施例中，如图5所示，本发明中的切角B的角度优选为为3度至9度，为带电粒子提供横向聚焦。 [0046] 在一些具体实施例中，第一通电线圈上的电流可调节。具体地，调整第一通电线圈上的电流，从而可以调整带电粒子的运动方向，即，让带电粒子受到的洛伦兹力与反应腔 111的长度方向相匹配。 [0047] 在一些具体实施例中，如图1至图6所示，反应腔111包括第一腔段111c和第二腔段111d，本体110包括直线腔112，直线腔112位于第一腔段111c和第二腔段111d之间，直线腔 112的一端与第一腔段111c连通，直线腔112的另一端与第二腔段111d连通。本体110依次包 括第一腔段111c、直线腔112和第二腔段111d，即，形成“弯曲段‑直线段‑弯曲端”的连续腔 体。用于中子源的气态靶100包括聚焦磁场生成组件130，聚焦磁场生成组件130包括聚焦铁 131和第二通电线圈，聚焦铁131围绕本体110设置，聚焦铁131的位置与直线腔112对应，第 二通电线圈围绕在聚焦铁131上。具体地，在直线腔112的外侧设置聚焦磁场生成组件130， 可以对本体110中的带电粒子进行聚焦约束，从而使带电粒子在用于中子源的气态靶100内 的输运包络与“弯曲段‑直线段‑弯曲端”的连续腔体匹配，避免带电粒子轰击到用于中子源 的气态靶100上而造成带电粒子损失以及用于中子源的气态靶100受热损坏。也就是说，聚 焦磁场生成组件130可以在直线腔112上形成聚焦磁场，带电粒子在聚焦磁场的作用下，即， 带电粒子会受到聚焦磁场的聚焦力，补偿带电粒子输运过程中的散射，减小带电粒子的运 输包络。 [0048] 在一些具体实施例中，如图1至图6所示，聚焦铁131优选为四极聚焦磁铁或者螺线管。 [0049] 在一些具体实施例中，第二通电线圈上的电流可调节。具体地，调整第二通电线圈上的电流，可以改变聚焦磁场的聚焦力。 [0050] 在一些具体实施例中，中子源设备1000包括用于中子源的气态靶100、离子源系统200和束流加速系统300，离子源系统200用于提供离子源；束流加速系统300用于对离子源 系统200排出的束流进行加速；用于中子源的气态靶100接收经束流加速系统300加速的束 流，束流与用于中子源的气态靶中的反应气体反应，以产生中子。 [0051] 在一些具体实施例中，中子源设备1000包括气体循环系统400，气体循环系统400与用于中子源的气态靶100相连，用于回收用于中子源的气态靶100中的反应气体和/或向 用于中子源的气态靶100提供反应气体。 [0052] 在一些具体实施例中，也可用于基于2H(α,γ)6Li、34Ar(α,p)37K、激光与He、质子与N2/H2/O2/Ar、17O(p,α)14N[8]等反应的加速器装置。 [0053] 工作原理： [0054] 离子源系统200可以提供大量的带电粒子，其中，带电粒子经束流加速系统300加速后，进入用于中子源的气态靶100中，带电粒子在偏转磁场生成组件120的作用下，可以沿 着反应腔111的长度方向运动，并与反应腔111中的反应气体进行反应，从而产生大量的中 子，与此同时，大量的中子朝中子辐照区A运动。 [0055] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0056] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者 隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三 个等，除非另有明确具体的限定。 [0057] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以 是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的 普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0058] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在 第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示 第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第 一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 [0059] 在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实 施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示 例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书 中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。 |
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