强流氘束引出系统与加速管束流匹配的研究

为增加传输通过加速管的束流强度,提高中子发生器的中子产额,采用Particle-in-cell(PIC)程序模拟研究了入射束强度在10～150 mA范围内,不同初始参数条件下D⁺₁束在加速管中的传输状态。结果表明,当入射束在加速管入口处的归一化发射度取0.25 πcm•mrad,Courant-Snyder参数α=-4、β=60 cm/rad时,50～100 mA D⁺₁束与加速管匹配良好。根据匹配参数,对双等离子体离子源的引出系统进行了优化,结果显示,在引出系统与加速管之间放置两个螺线管透镜和1个光阑,能有效去除D⁺₂、D⁺₃离子,实现100 mA D⁺₁束顺利传输通过加速管的目的。     

兰州大学的中子发生器研制及应用展望

1988年兰州大学成功研制了3×10¹² s^-1的ZF-300强流中子发生器,主要用于核数据测量、材料辐照损伤等研究。为进一步开展活化法中子核数据测量、裂变物理等研究,兰州大学启动了基于倍压加速器的ZF-400强流中子发生器研制工程,该中子发生器的设计指标为D束流能量400 keV、D束流强度大于30 mA、D-D中子产额大于5×10¹⁰ s^-1,D-T中子产额大于5×10¹² s^-1。在裂变物理研究方面,已成功发展了描述裂变核断点裂变势的势驱动模型（potential-driving model）,并开展了中子诱发典型锕系核素裂变发射中子前裂变产物的质量分布计算研究;将potential-driving model植入Geant4程序,发展了用于裂变发射中子后裂变产物质量分布、动能分布、裂变中子能谱等模拟的蒙特卡罗方法,并开展了可靠性评估研究;研制了一套用于裂变产物实验测量的双屏栅电离室（TFGIC）,并完成了初步实验测试。在中子应用技术方面,为满足小型化中子应用技术系统的研发需求,兰州大学成功研制了长度984 mm、直径234 mm的紧凑型中子发生器,通过在引出加速电极和靶之间加电阻的方式产生偏置电场,实现对靶上二次电子的抑制。在自注入靶条件和150 keV氘束流能量下,D-D中子产额可大于5×10⁸ s^-1,该中子发生器已具备产生D-T中子产额大于10¹⁰ s^-1量级的潜力。完成了基于紧凑型D-T中子发生器的快中子准直屏蔽体的设计,并研发了基于微通道板的快中子成像探测器,初步D-T快中成像测试显示,图像空间分辨率约为500 μm。开展了基于紧凑型D-D中子发生器的核燃料棒²³⁵U富集度及均匀性检测系统研发,仿真研究表明,在D-D中子产额5×10⁸ s^-1条件下,对核燃料棒中10%范围内的²³⁵U富集度相对变化的检测置信度可达到99%。     

中子管用PIG负氢离子源及其束流引出实验研究

PIG离子源用于中子管引出正离子,但在使用过程中存在一定问题,如单原子离子比低、靶材料溅射严重及功耗大等。为解决这些问题,提高中子管的寿命和稳定性,本文设计一种中子管用PIG负氢离子源,并对其束流引出进行实验研究。分别测量了离子源的磁场、不同阴极材料及引出阴极离子发射孔径对引出负氢离子束流的影响。实验数据表明,该负氢离子源可用于制作性能指标良好的中子管。     

带伴随粒子中子发生器研制

为研制带伴随α粒子法检测隐藏爆炸物,我们研制了外形尺寸为Φ76 mm×1100 mm的中子发生器,采用中子管离子源加高压,靶接地的设计方式,便于安装α粒子探测器.靶与束流入射方向成45°角,以便探测器接收更多的α粒子,提高探测效率.试验测试表明,中子产额在3×107n/s-5×107n/s范围,中子发生器稳定工作已超过...     

提高中子管产额的措施

针对国产密封中子管存在的提高产额问题,采取三项措施:排气过程的真空度提高到2×10-6 Pa;离子源引出端磁场强度提高到0.33T;通过实验寻找到靶上镀膜厚度的最佳值为2.2 μm.以φ50 mm中子管为例,实际测试结果表明,中子管产额达109/s量级,在5×107/s下运行,寿命达到4000h以上,稳定性≤2％.     

产额大于1.5×1010n/s中子管引出/加速系统的物理设计

根据高产额(>1.5×1010n/s)中子管对引出/加速系统的要求,完成了在180kV引出/加速电压下,加速离子束流1.1mA的新型屏蔽式引出/加速系统的物理设计,与普通中子管比较,加速电压增加50%,束流增加一个数量级,中子产额增加一个数量级,实现了系统的结构优化.经长期实践考验证明,系统的物理设计合理,为更高产额中子管的研制奠定了基础.     

一台可产生直流束和微秒脉冲束的ECR离子源

ECR离子源与其他离子源相比具有一些优点。例如在放电室中具有较低的工作气压,能产生均匀的高密度等离子体,由于无热阴极可耐腐蚀气体,工作寿命长、发射度小、高原子离子比和束流强度大。所以,应用在中子发生器中具有良好发展前景。专门应用于中子发生器的ECR离子源既可引出直流离子束,又可引出微秒脉冲离子束。介绍了这种ECR离子源的工作原理和结构,给出了测量到的主要参数和脉冲波形。     

小型移动式中子发生器

把从国外引进的高压终端与自行研制的脉冲系统等结合在一起,建成了一台小型移动式中子发生器。该中子发生器的长度是2 500 mm,重量小于1 t,可以方便地移动到所需要的实验场合。它主要由高频离子源、加速管、高压发生器、聚焦装置、供气系统、微秒脉冲系统、控制系统、真空系统和实验靶室组成。它能产生150μA的直流氘离子束和宽度为10～100μs,频率分别为10 Hz,1 000 Hz,10 000 Hz的脉冲氘离子束。D-T中子产额可达1.5×10~(10)s~(-1)。文章主要介绍了小型移动式中子发生器主要部件的工作原理和结构。     

大面积氘/氚靶制备及中子产额分析

大面积氘/氚靶是实现高产额强流中子源的关键部件,是氘、氚中子源广泛应用的前提条件。本工作采用磁控溅射镀膜与多弧离子镀结合的方式,制备以铜或钼为基底、直径大于500 mm的大面积钛膜。针对制备的钛膜,采用自研的氘/氚靶生产系统,经过除气、净化、高温吸氘/氚、尾气回收等流程,生产了氘/氚钛原子比大于1.85的氘靶、氚靶,采用Ф22 mm的小靶片,进行氘束流加速器中子产额测试,研制的氘靶中子产额达到8.0×10⁸/s,根据氘靶与氚靶反应截面计算氚靶中子产额,相同条件下,氚靶的中子产额在1.0×10¹¹/s以上。以上测试结果表明,本工作研制的Ф500 mm大面积氘/氚靶,可实现强流中子源的高产额中子输出,达到国际先进水平。     

基于FMEA的密封氘氚中子管可靠性分析

中子管是可控中子发生器的关键核心部件。国产中子管在可靠性、稳定性等方面与国外先进水平还有一定差距。为了得出影响中子管可靠性的关键因素,以预制靶密封氘氚中子管为例,采用风险优先数法(Risk Priority Number, RPN)开展了故障模式及影响分析(Failure Mode and Effect Analysis, FMEA),按不同约定层次对所有可能的故障模式、故障原因、故障影响、后果严酷度、发生概率及危害程度进行了详细分析。根据FMEA结果,讨论了危害性较大的故障模式,并给出了提高中子管可靠性的设计改进方向。研究表明:离子源和靶是影响中子管可靠性的关键部件,离子源阴极/阳极短路导致的电离异常、靶膜氧化或脱落导致的吸附氘氚气体能力丧失等故障模式的危害性较大。     

AB-BNCT中子靶物理设计分析

质子加速器适用于为硼中子俘获治疗提供中子源,其中子源强及能谱较反应堆中子源更具可调性。中子靶物理计算分析是加速器中子源设计的基础,为其提供粒子能量、流强等参数需求分析,并为靶体结构尺寸设计、中子慢化和屏蔽分析等提供前端参数。本文利用MCNPX蒙特卡罗程序,通过对质子打靶的中子产额和能谱、靶体能量沉积、打靶后靶材放射性活度和中子出射空间角分布等进行研究,提出能量2.5 MeV质子轰击100～200 μm锂靶的设计,并用模拟计算数据论证其合理性。该设计中子源在1 mA流强质子轰击下,源强可达9.74×10¹¹ s^-1;拟设计15 mA、2.5 MeV质子束产生的中子源,在治疗过程中靶材放射性活度累积最大值约为1.44×10¹³ Bq。     

400 kV强流中子发生器的物理设计

对400 kV强流中子发生器进行了物理设计。采用Poisson/Superfish软件对中子发生器高压电极和加速管的电场分布进行了模拟,结果显示,各关键区域的空间电场最大值远低于击穿电场限值。以强流束旁轴包络方程为基本模型,发展了强流束传输系统束包络的计算机模拟程序IONB1.0,模拟了中子发生器传输系统中40 mA的D束流包络。结果显示,设计方案中所采取的两间隙高梯度加速结构有较强的聚焦性能,能有效抵消强流束空间电荷效应造成的束流发散,加速管出口处的束包络半径约3 cm,由加速管出口处的空间电荷透镜和三重四极磁透镜组成的传输系统能将束流聚焦在约140 cm处的靶上,且束斑直径小于2 cm。     

电流型银激活探测器标定技术

为测量DPF脉冲中子产额,设计了电流型银激活探测器。该探测器由中子慢化体、天然银片、塑料闪烁体和光电倍增管组成。定义了该探测器测量DPF快脉冲中子产额时的探测灵敏度。采用高压倍加器稳态中子源对电流型银激活探测器的探测灵敏度进行了标定。稳态中子源的绝对中子产额由伴随粒子法给出。通过计算机自动记录探测器在饱和照射后其输出电流随时间的变化曲线,通过分析变化曲线求解特征参数,进而得到电流型银激活探测器在距离14 MeV脉冲中子源1 m处时的探测灵敏度为1.843´10⁹ nA^－1。在包含因子k为2时,探测灵敏度的扩展不确定度小于17.5 %。     

含钆中子屏蔽材料的设计及其力学性能分析

设计了一种具有良好中子屏蔽能力、高强度及高韧性的新型中子屏蔽材料,用于吸收核电站乏燃料储存格架和乏燃料运输过程中的热中子辐射。材料通过蒙特卡罗粒子传输(输运）软件MCNP进行设计,并通过放电等离子烧结设备及热轧的方式制成了板材。MCNP模拟结果及材料热中子屏蔽测试结果表明：铝基Gd₂O₃复合材料的热中子屏蔽性能与铝基碳化硼相当。Gd₂O₃颗粒球磨后呈现μm、亚μm级甚至有些颗粒达到了nm级。随球磨时间的增加,材料的力学性能逐渐增强。X射线衍射检测发现了钆-铝合金相的生成。经TEM分析表明：材料的强化机制主要是位错强化和nm级Gd₂O₃颗粒的弥散强化,拉伸强度和伸长率分别达到了240 MPa和16%,其断口主要为韧性断裂。     

A D-D neutron generator using a titanium drive-in target

A D-D neutron generator was developed with an intensity of 10⁸ n/s. A helicon plasma ion source was used to produce a large current deuteron beam, and neutrons were generated by irradiating the deuteron beam on a titanium drive-in target made of commercial pure titanium. The neutron generator was test-run for several hundred hours, and the performances were investigated. The available range of the deuteron beam current was 0.8-8 mA and the beam could be accelerated up to 97.5 keV. The maximum neutron generation rate in the test-runs was 1.9 × 10⁸ n/s, which was achieved by irradiating a 7.6 mA deuteron beam at 94.0 keV on a 0.5 mm-thick target. The operation of the neutron generator was fairly stable, such that the neutron generation rate was not altered by high voltage breakdowns during the test-runs. Neutron generation efficiency was rated as low as 10% when compared to an ideal case of irradiating a 100% monatomic deuteron beam on a perfect TiD₂ target. Factors causing the low efficiency were suggested and discussed.     

Measurement and calculation of neutron densities in BWR high burn-up fuels

A neutron-scanning device was developed for measuring accurate neutron densities of BWR high burn-up fuels up to 65 GWd tU⁻¹. Characteristic test of this device was done with a ²⁵²Cf source and adopted to measure axial distributions of neutron densities of BWR spent fuels with various enrichments (2.0–3.4%), which had been irradiated up to 60 GWd tU⁻¹ at Fukushima Daini Nuclear Power Station Unit 2(2F-2). We found the measured neutron densities were proportional to about fourth power of the corresponding burn-up values. The neutron densities calculated by the ORIGEN2.1 code and various cross section libraries showed good agreements with the measured ones in profile and absolute value except for BWR-UE file mainly based on ENDF/B-IV. The BS240J32 library based on JENDL3.2 was the best among the investigated libraries.     

磁流体动力学电沉积法制备241Am α放射源

针对目前核电站安全运行实时监测中对高分辨率²⁴¹Am作为稳峰源的需求,建立了一种高分辨率α放射源制备方法--磁流体动力学电沉积法,并设计了磁流体动力学电沉积法制备放射源的装置和流程。以²⁴¹Am为研究对象,对磁流体动力学电沉积法制备放射源的工艺条件进行了优化选择：在沉积槽单侧施加磁场使沉积源片中心处的磁感应强度B=0.193 T、(NH₄)₂SO₄电解液浓度0.5 mol/L、电流密度180 mA/cm²、沉积液pH=2.0～2.5、电极间距5 mm、沉积时间1 h。结果显示,²⁴¹Am可定量沉积在不锈钢阴极源片上,沉积效率近100%,且所制源的能量分辨率较不加磁场时提高了15.0%。所制源的牢固性和均匀性检验结果表明,磁流体动力学电沉积法所制备的²⁴¹Am α放射源的牢固性和均匀性均良好。     

锦屏深地核天体物理实验(JUNA)进展

锦屏深地核天体物理实验（JUNA）项目将利用中国锦屏深地实验室（CJPL）的良好条件,在天体物理伽莫夫能量窗口开展核天体关键反应²⁵Mg(p,γ)²⁶Al、¹⁹F(p,α)¹⁶O、¹³C(α,n)¹⁶O和¹²C(α,γ)¹⁶O的直接测量。目前已成功完成400 kV强流加速器和ECR离子源的研发,获得了400 keV、10 mA的质子束流和一价氦离子束流及800 keV、2 mA二价氦离子束流。大功率固体靶的研制及实验数据获取系统的建立也已成功完成。超低本底快中子探测器、4π BGO探测器阵列以及大立体角带电粒子探测器阵列已研制组装完成,并测量了地面和锦屏地下实验室的本底水平。总体来说,JUNA项目整体进展顺利,完成了中期设立的目标并通过了基金委评估（A级）和国际评估。