近幾年，在無損探傷領(lǐng)域，中子照相技術(shù)發(fā)展非常迅猛，對(duì)中子發(fā)生器提出了體積小、壽命長、通量高、準(zhǔn)直比高的技術(shù)要求。為此設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于快中子照相的定向高通量小型中子發(fā)生器，采用矩形結(jié)構(gòu)潘寧離子源。引出的具有一定長度和流強(qiáng)的帶狀氘離子或氘氚混合離子束，在離子源與靶構(gòu)成的同軸高壓電場加速下，轟擊對(duì)應(yīng)的長形定向自成靶，發(fā)生氘氘或者氘氚反應(yīng)，在靶軸線方向產(chǎn)生高通量、高準(zhǔn)直比的快中子束，中子產(chǎn)額5 × 10¹¹ n /s。模擬結(jié)果表明，成像屏上的中子注量提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，不均勻度小于5 × 10^-3 ，滿足中子照相對(duì)高準(zhǔn)直比和高通量的要求，因此成像質(zhì)量高，照相時(shí)間短，工作效率高。解決了現(xiàn)有中子發(fā)生器體積大、有效中子通量低和靶壽命短的問題，可用于構(gòu)建移動(dòng)式快中子照相系統(tǒng)。

　　中子具有穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，作為X 射線無損檢測的互補(bǔ)手段，中子無損檢測具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑｋS著中子應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對(duì)中子源提出了更多的需求。在中子應(yīng)用上所用的中子源一般分為放射源中子源和人造中子源，放射源中子源是利用放射性核素來產(chǎn)生中子，產(chǎn)額較低，壽命短。人造中子源又分為反應(yīng)堆中子源和加速器中子源，其中加速器中子源關(guān)斷電源后沒有中子產(chǎn)生，使用方便，可控性好，安全性較高。加速器中子源是利用離子源產(chǎn)生的氘離子或氘氚混合離子，經(jīng)過加速電場的加速，獲得較高的能量，在靶上發(fā)生D/D(氘氘) 或D/T(氘氚) 聚變反應(yīng)，在4π 方向上放出中子。

　　國內(nèi)中子應(yīng)用技術(shù)起步較晚，目前多采用的大型固定加速器中子源。隨著近幾年中子應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)可使用于海關(guān)、機(jī)場、車站等各種場合。為了使該技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)中子源的小型化提出了進(jìn)一步要求。雖然中子管體積小，可以很方便地移動(dòng)，但其工作壽命短，中子產(chǎn)額不高。

　　因此，本文設(shè)計(jì)了一種小型定向高通量中子發(fā)生器，該中子發(fā)生器具有在特定方向上輸出高通量和高準(zhǔn)直比中子束的特點(diǎn)。

　　1、定向高通量中子發(fā)生器的原理及結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)的中子發(fā)生器主要由離子源、加速管和靶室組成。離子源是通過電離產(chǎn)生的氘等離子體，在等離子體中的氘離子通過一個(gè)小孔被引出，引出的氘離子被加速到100 keV 以上轟擊一塊金屬靶。靶片一般預(yù)載氘或氚，或者非常容易吸收氘氚的靶。D/D 與D/T 反應(yīng)分別產(chǎn)生2.45 和14.1 MeV 能量的中子，如式(1) ，式(2) 所示。

　　由于傳統(tǒng)的中子發(fā)生器一般采用的是單孔引出系統(tǒng)，中子產(chǎn)額受限于離子源的性能和束流大小。D/D反應(yīng)截面的中子通量要比D/T反應(yīng)截面低兩個(gè)量級(jí)，所以中子發(fā)生器一般使用D/T聚變反應(yīng)產(chǎn)生中子。在傳統(tǒng)中子發(fā)生器中，離子束轟擊靶時(shí)產(chǎn)生很高的能量沉積，即使在通水冷卻的條件下，靶上能夠承受的功率密度也必須控制在一個(gè)合理的范圍，保證靶的正常使用。

　　要進(jìn)一步提升中子產(chǎn)額，必須增加離子束流強(qiáng)度或者離子束能量，都會(huì)在靶上產(chǎn)生更大的沉積功率。目前采用三種方式提升靶承受沉積功率的能力：一是加大離子束束斑直徑，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是靶上可以承受更多的離子束注入，總的中子產(chǎn)額增加，這種方法的缺點(diǎn)是中子源的點(diǎn)源特性變差，準(zhǔn)直比降低，這在很多應(yīng)用領(lǐng)域都是不利的，比如: 快中子照相、中子治療、爆炸物檢測等。二是采用旋轉(zhuǎn)靶方式增加靶面積的方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在不增加束斑尺寸的條件下，提升靶承受沉積功率的能力，進(jìn)而提升中子產(chǎn)額和通量，該方法的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)雜，體積龐大，有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可靠性稍差，成本較高;三是采用氣體靶的方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是無固定靶，產(chǎn)額高，靶壽命長，該方法的缺點(diǎn)是技術(shù)難度高，真空系統(tǒng)龐大，造價(jià)高。

　　因此，提出了一種小型中子發(fā)生器的設(shè)計(jì)，在特定方向上產(chǎn)生高通量高準(zhǔn)直比中子束，解決目前高產(chǎn)額中子發(fā)生器在特定方向上通量低，準(zhǔn)直性能差，或技術(shù)復(fù)雜，體積龐大，成本高的問題。本文采用潘寧離子源引出寬幅離子束，轟擊同軸長形靶，既保證引出離子束流強(qiáng)不受限制，又保證靶上沉積功率不受限制，總的中子產(chǎn)額很高。更為有益的效果是在特定方向上可以輸出高通量和高準(zhǔn)直比中子束。

圖1 小型定向高通量中子發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖1 是小型定向高通量中子發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖(1. 長形靶；2. 離子源；3. 高壓引入芯線；4. 高壓引入絕緣座；5. 陶瓷絕緣支撐；6. 儲(chǔ)氣材料；7. 高壓圓筒電極；8. 靶屏蔽極；9. 圓柱形真空外殼；10. 冷卻管路；11. 定向出射中子；12. 被照射物) 。小型定向高通量中子發(fā)生器主要由真空腔室、潘寧離子源、加速電極、供氣系統(tǒng)和靶等組成。真空腔室內(nèi)部真空度保持在10 ^-1 Pa。初始真空建立后，系統(tǒng)真空由吸氣劑維持。吸氣劑預(yù)先吸附了充足的D(氘) 氣或D/T混合氣體，通過改變吸氣劑中加熱子的加熱功率，控制D 或D/T 混合氣體的釋放與吸收，保持系統(tǒng)內(nèi)部真空度在合適的范圍。

　　與其他離子源比較，潘寧離子源具有以下優(yōu)點(diǎn):①因?yàn)闆]有燈絲，在活性氣體中工作壽命長；②結(jié)構(gòu)簡單、易于清洗；③電源系統(tǒng)簡單，因而在中子發(fā)生器高電位端選用潘寧源是比較合適的。離子源陰極上開一排引出孔或者長條形孔，引出寬離子束。調(diào)節(jié)孔徑或開口尺寸，可以改變不同位置引出離子束的強(qiáng)度，在靶上產(chǎn)生需要的中子源密度分布。在離子源引出口和靶之間對(duì)應(yīng)位置開一條尺寸略大于離子束的條形孔，形成離子束的入射通道。文獻(xiàn)中表明，當(dāng)放電電壓為1200 V，真空度為10^-2 Pa 時(shí)，離子束密度可達(dá)0.5 ～2.5 mA/cm²，總的束流可達(dá)250 mA。

　　與靶之間施加- 300 V 的直流電位，阻止靶上產(chǎn)生的二次電子溢出到加速電場中。靶屏蔽極的尺寸比靶大，成圓柱形狀，頭部設(shè)置一個(gè)大尺寸的高壓球殼，有效降低了表面場強(qiáng)，提升發(fā)生器的整體耐壓性能。長形靶放置在高電位，內(nèi)部有冷卻結(jié)構(gòu)，將離子束轟擊產(chǎn)生的熱量帶走。長形定向靶面有一定傾斜角度，其上產(chǎn)生的中子可以順利地在規(guī)定方向出射。靶截面形狀和尺寸則可根據(jù)應(yīng)用需要任意調(diào)整，在特定方向上獲得所需的高通量、高準(zhǔn)直比中子束。

　　5、結(jié)論

　　運(yùn)用束流引出理論，設(shè)計(jì)了定向高通量中子發(fā)生器的引出系統(tǒng)和初聚焦系統(tǒng)，計(jì)算確定了它們的結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)以及其它主要技術(shù)參數(shù)。根據(jù)離子光學(xué)原理設(shè)計(jì)了定向高通量中子發(fā)生器的束流傳輸過程；設(shè)計(jì)上引入了離子光學(xué)解析和模擬計(jì)算相結(jié)合方式，運(yùn)用PIC 方式計(jì)算了束流在束流光學(xué)系統(tǒng)中的傳輸情況，直觀地反映了設(shè)計(jì)是否合理。模擬計(jì)算的結(jié)果表明設(shè)計(jì)的束流光學(xué)系統(tǒng)是合理的。定向高通中子發(fā)生器在成像屏上得到提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的中子注量，且不均勻度小于5‰，滿足中子照相對(duì)高準(zhǔn)直比和高產(chǎn)額的要求，保證了成像質(zhì)量，縮短了照相時(shí)間。