專利名稱：中子管離子源負氫離子束引出實驗臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于中子管的實驗設(shè)備，具體涉及潘寧(PIG)中子管離子源負氫離子束引出實驗臺。
背景技術(shù)：
中子管和以它為核心的中子發(fā)生器是一項實驗性很強的科學技術(shù)，在很多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。中子管把離子源、加速聚焦電極、靶和氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)密封在一個絕緣的真空外殼里面，組成一個小型加速器。中子管中的離子源是決定中子管的產(chǎn)額、壽命和穩(wěn)定性的核心部件之一。潘寧離子源(簡稱PIG離子源)由于其結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、壽命長、供電 系統(tǒng)簡單及能在低氣壓下工作等特點，被廣泛應(yīng)用于中子管等小型加速器中。隨著中子管、中子發(fā)生器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，急需研制各種不同參數(shù)和特性的中子管。而中子管中離子源的引出束流與加速間隙的選擇、引出孔徑的尺寸、離子源的結(jié)構(gòu)、各部件的尺寸和材料、電子溫度以及引出電極結(jié)構(gòu)、管內(nèi)氣壓等均有密切的關(guān)系。因此，中子管的研制是以大量的實驗為基礎(chǔ)的。所以以離子源引出束流為核心，建設(shè)一種能夠測量引出束流特性參數(shù)，模擬中子管工作狀態(tài)的實驗裝置對中子管的研制是非常必要的。它可以做中子管的模擬實驗，檢驗和修正中子管的設(shè)計，大大縮短研制周期，節(jié)省開發(fā)資金。目前國內(nèi)生產(chǎn)的中子管都是采用引出正離子的PIG離子源，在靶端加-60KV -120KV的負高壓將離子源產(chǎn)生的氘(D)離子和氚(T)離子加速，并在靶上發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生中子。這種結(jié)構(gòu)的中子管存在，引出束流利用率低，靶上會產(chǎn)生二次電子，法拉第圓筒表面容易形成電子的場致發(fā)射點，靶的濺射損傷大等缺點。采用PIG型負離子源，產(chǎn)生氘(D)、氚(T)的負離子。靶上加正高壓，在去除引出束流中電子的情況下，引出束流都是單原子負離子，產(chǎn)生中子的束流利用率可以達到100%，能夠克服上述的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高研制不同用途中子管的成功率和效率，提高中子管的壽命和穩(wěn)定性，本發(fā)明的目的是提供一種潘寧(PIG)中子管離子源負氫離子束引出實驗臺。潘寧中子管離子源負氫離子束引出實驗臺是由潘寧離子源負氫離子束引出部分和真空系統(tǒng)與環(huán)境部分組成。實驗臺上帶有高壓電極的玻璃鐘罩為實驗空間，經(jīng)真空法蘭與分子泵機組連通。可以做離子源束流引出實驗和中子管整體工作狀態(tài)的模擬實驗，或者檢驗?zāi)骋辉脑O(shè)計尺寸及材料和磁場的選擇。真空法蘭帶有絕緣電極用以引入離子源電壓和收集電壓。玻璃鐘罩上的圓形高壓電極引入加速高壓。微調(diào)閥通入氫氣并能調(diào)節(jié)真空度以模擬中子管內(nèi)部的工作氣壓。實驗臺前面放置鉛玻璃用來阻擋實驗時產(chǎn)生的X射線。透過鉛玻璃可直接觀察離子源的放電情況和引出束流的形狀。該實驗臺上的PIG離子源中D、T負離子的產(chǎn)生，主要是通過離解吸附方式，反應(yīng)式為H2+e — H2- — ΗΓ+Η1；不存在負的分子離子(負的分子離子不穩(wěn)定，壽命約為KT15S — I(T13s)和負的三原子離子，引出束流都是單原子負離子，產(chǎn)生中子的束流利用率可以達到100%.而且，由于束流利用率高，未來封裝成中子管時產(chǎn)生相同產(chǎn)額中子所需的D、T負離子的量比較小，對靶的濺射損傷非常小，靶的壽命可以得到顯著延長。靶上加正高壓的另一個優(yōu)點是，負離子打倒靶上產(chǎn)生的二次電子會立即返回到靶上，因此，無需考慮抑制二次電子的措施。但是，在從PIG型負離子源引出負離子的同時，也引出了一部分電子，如果讓它們打倒靶上，將占加速電流的大部分，增加加速高壓電源的負荷，因此，必須把這部分電子從引出束流中分離出來。這里我們采用在束流的路徑上精心設(shè)置相應(yīng)的橫向偏轉(zhuǎn)磁場和收集電極來實現(xiàn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
潘寧中子管離子源負氫離子束引出實驗臺是由潘寧離子源負氫離子束引出部分和真空系統(tǒng)與環(huán)境部分組成。實驗空間被限制在帶有高壓電極的玻璃鐘罩內(nèi)部，玻璃鐘罩下部是法蘭盤，在法蘭盤上設(shè)有絕緣電極、地電極、真空規(guī)管、溫度計、進氣管、連接分子泵的導管等。電極用于 提供實驗所需的陽極電壓、收集電壓、加速電壓；真空規(guī)管用于測量玻璃鐘罩內(nèi)部的真空鍍；進氣管用于向玻璃鐘罩內(nèi)部充入工作氣體，并能實現(xiàn)微調(diào)。位于玻璃鐘罩內(nèi)部的負氫離子源的束流引出采用偏心引出方式，在偏心引出時，陽極筒的中心軸和銅頭、對陰極、引出陰極的中心軸重合，偏離離子源軸心區(qū)域負離子的密度最大。收集電極和加速極板加正高壓，加速電壓高于收集電壓，引出束流中包括負離子和電子，負離子全部是單原子負離子。由于引出束流中的電子對中子的產(chǎn)生沒有貢獻，而且會增加高壓電源的負荷，因此必須去除。我們采用一組橫向偏轉(zhuǎn)磁場加上收集電極來實現(xiàn)，或者采用兩組互成90°的橫向偏轉(zhuǎn)磁場加上收集電極來實現(xiàn)，磁場沿束流軸線方向的厚度大于電子的回轉(zhuǎn)半徑。理論計算表明磁場強度幾百Gs，收集電壓幾千伏即可。收集電極內(nèi)嵌于兩組磁鋼中，同時收集電極兼作引出電極。兩組磁場的配置既能保證電子的充分去除，又能保證引出束流的軸對稱形狀。本發(fā)明的有益效果是，作為實驗和測試平臺，潘寧中子管離子源負氫離子束引出實驗臺可以很方便地對各參數(shù)進行優(yōu)化組合，在靶及加速電極板上得到最佳的束流品質(zhì)。通過對部件的改進，使潘寧離子源工作在最佳狀態(tài)，其結(jié)果可用于各種不同用途中子管的研究和設(shè)計。能夠大幅度縮短研制周期，節(jié)省開發(fā)資金。


附圖I是潘寧中子管離子源負氫離子束引出實驗臺潘寧離子源負氫離子束引出部分結(jié)構(gòu)示意圖。其中I.離子源磁鋼，2.引出陰極，3.對陰極，4.陽極筒，5.離子源罩，6.收集電極，7.偏轉(zhuǎn)磁鋼，8.玻璃管，9.靶及加速電極板，10.陽極接線柱，11.地電極接線柱，
12.上面罩，13.銅頭。附圖2是潘寧中子管離子源負氫離子束引出實驗臺真空系統(tǒng)與環(huán)境部分結(jié)構(gòu)示意圖。其中14.加速高壓電極，15.潘寧離子源負氫離子束引出部分，16.絕緣支架，17.玻璃鐘罩，18.離子源電極，19.地電極，20.真空計，21.收集電極，22.溫度計，23.抽氣管，24.手動閥門，25.微調(diào)閥門，26.工作氣體輸送管，27.分子泵機組，28.法蘭盤。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
具體實施例方式本發(fā)明潘寧中子管離子源負氫離子束引出實驗臺是由潘寧離子源負氫離子束引出部分和真空系統(tǒng)與環(huán)境部分組成。采用圓柱形軸對稱結(jié)構(gòu)，它把離子源、加速電極、收集電極、偏轉(zhuǎn)磁鋼、氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)等全部放置于玻璃鐘罩內(nèi)，構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的離子源束流引出實驗裝置，其結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系如附圖I和附圖2所示。
潘寧離子源負氫離子束引出部分如附圖I中，將各個部件清洗干凈，由下至上安裝好。首先將對陰極3放入銅頭13中，再將離子源磁鋼I放入銅頭13中，引出陰極2和離子源罩5焊接在一起，并置于銅頭13上方。在離子源罩5內(nèi)部，裝有通過陽極接線柱10連接的陽極筒4.用上面罩12套住銅頭13，并保持與離子源罩5接觸良好。在上面罩上放置一 段玻璃管8，玻璃管8中放置一對偏轉(zhuǎn)磁鋼7，偏轉(zhuǎn)磁鋼7的外部包裹一層可閥材料作為收集電極6.在玻璃管8的上端放置一個靶及加速電極板9，地電極接線柱11與電源負極連接。以上是實驗臺的核心部分即潘寧離子源負氫離子束引出部分，該部分所有零部件必須保持同軸，同軸度允差不大于O. 02mm。
真空系統(tǒng)與環(huán)境部分，如附圖2所示，首先將潘寧離子源負氫離子束引出部分15放置于絕緣支架16上，將離子源電極18、地電極19、收集電極21，分別和潘寧離子源負氫離子束引出部分15的相應(yīng)電極相連，將玻璃鐘罩17扣在法蘭盤28上，并將PIG尚子源負氫尚子束引出部分15的靶及加速電極板連接到加速高壓電極14上。接著連接好各路供電電源，連接真空計20，并打開。連接溫度計22，并打開。開啟分子泵機組27，打開手動閥門24，通過抽氣管23對玻璃鐘罩17內(nèi)部空間，抽真空，當真空度達到KT4Pa以上時，緩慢開啟微調(diào)閥門25，通過工作氣體輸送管26導入工作氣體，這里我們選擇氫氣作為工作氣體。微調(diào)閥門25控制工作氣體的導入量，由真空計測量玻璃鐘罩17內(nèi)部的真空度。然后，依次打開離子源電源、收集極電源、加速高壓電源。此時實驗臺進入工作狀態(tài)，可以進行實驗、測量和觀察。
權(quán)利要求
1.潘寧中子管離子源負氫離子束引出實驗臺，其特征是它由離子源負氫離子束引出部分15和真空系統(tǒng)與環(huán)境兩部分構(gòu)成，其中，潘寧離子源負氫離子束引出部分15由銅頭13、上面罩12、陽極筒4、離子源罩5、離子源磁鋼I、偏轉(zhuǎn)磁鋼7、收集電極6、玻璃管8、靶及加速電極板9構(gòu)成；真空系統(tǒng)與環(huán)境由加速高壓電極14、潘寧離子源負氫離子束引出部分 15、玻璃鐘罩17、真空計20、溫度計22、手動閥門24、微調(diào)閥門25、分子泵機組27、法蘭盤28 構(gòu)成，潘寧離子源負氫離子束引出部分15是將對陰極3置于銅頭13中，再將離子源磁鋼I 置入銅頭13中，引出陰極2和離子源罩5焊接在一起，并置于銅頭13上方，在離子源罩5 內(nèi)部，裝有通過陽極接線柱10連接的陽極筒4用上面罩12套住銅頭13，保持與離子源罩5 接觸，在上面罩12上放置一段玻璃管8，玻璃管8中放置一對偏轉(zhuǎn)磁鋼7，偏轉(zhuǎn)磁鋼7的外部包裹一層可閥材料作為收集電極6，在玻璃管8的上端放置一個靶及加速電極板9，地電極接線柱11與電源負極連接，潘寧離子源負氫離子束引出部分15所有零部件保持同軸，真空系統(tǒng)與環(huán)境部分是將潘寧離子源負氫離子束引出部分15放置于絕緣支架16上，離子源電極18、地電極19、收集電極21，分別和潘寧離子源負氫離子束引出部分15的相應(yīng)電極相連，玻璃鐘罩17扣在法蘭盤28上，潘寧離子源負氫離子束引出部分15的靶及加速電極板 9連接到加速高壓電極14，連接各路供電電源，玻璃鐘罩17內(nèi)設(shè)置真空計20、溫度計22，玻璃鐘罩17通過抽氣管23手動閥門24與分子泵機組27連通，同時玻璃鐘罩17另設(shè)微調(diào)閥門25接通氣體輸送管26。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的潘寧中子管離子源負氫離子束引出實驗臺，其特征是潘寧離子源的束流引出采用偏心引出方式，陽極筒4的中心軸與銅頭13、對陰極3、引出陰極2 的中心軸重合，從潘寧離子源引出負離子流，在收集電極外設(shè)置一對偏轉(zhuǎn)磁鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的潘寧中子管離子源負氫離子束引出實驗臺，其特征是玻璃鐘罩17內(nèi)束流引出部分的所有零部件同軸度允差不大于O. 02_。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的潘寧中子管離子源負氫離子束引出實驗臺，其特征是在去掉收集電極6和偏轉(zhuǎn)磁鋼7，并改變加速高壓極性的條件下，能夠進行氘、氚正離子的束流引出實驗。
全文摘要
本發(fā)明屬于中子管的實驗設(shè)備，具體涉及潘寧中子管離子源負氫離子束引出實驗臺，是研究設(shè)計長壽命、高穩(wěn)定性中子管的關(guān)鍵實驗設(shè)備，帶有高壓電極的玻璃鐘罩為實驗空間，微調(diào)閥通入氫氣并能調(diào)節(jié)真空度以模擬中子管內(nèi)部的工作氣壓。實驗臺上潘寧離子源中D、T負離子的產(chǎn)生，主要是通過離解吸附方式，不存在負的分子離子和負的三原子離子，引出束流都是單原子負離子。中子管中離子源的引出束流與多種因素有密切的關(guān)系。通過該實驗臺可以很方便的調(diào)整離子源系統(tǒng)的各個參數(shù)，研究各個參數(shù)對引出束流的影響，在加速電極上得到好的束流品質(zhì)。另外，利用該實驗臺可以做中子管的模擬實驗，檢驗和修正中子管的設(shè)計，能夠大大縮短研制周期，節(jié)省開發(fā)資金。
文檔編號G09B23/18GK102930764SQ20121042885
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者喬雙 申請人:東北師范大學