中子发生器靶高压电源优化设计

研发小型密封可控中子发生器替代同位素中子源可降低诸多环境和社会风险。为实现中子发生器的小型化,关键在于减小靶高压电源体积。对靶高压电源的驱动电路、倍压电路以及机械结构进行了优化设计。经测试验证实现了靶高压额定电压/电流-150 kV/200μA,靶高压电源常温连续工作稳定性:24 h,≤±1%。完成了靶高压电源设计及优化。为后续研发高性能中子发生器奠定了坚实的基础。     

脉冲离子束作用下的靶温度场-应力场耦合分析

靶温对无冷却装置的密封式中子发生器的靶寿命有重要影响。为对脉冲离子束作用下靶进行热-力耦合分析,采用以时-空二维高斯轴对称分布的功率密度为热源的间接耦合的有限元方法,获得了不同脉冲离子束工作状态下的靶温度场和应力场有限元分析结果。结合密封式中子发生器的靶温要求和热应力引起的靶膜热-力破坏效应,优化了密封式中子发生器中的脉冲离子束工作参数。     

自成靶陶瓷中子管的井下中子发生器

介绍自成靶陶瓷中子管的技术特点以及以它为核心的中子发生器的原理和特性。该中子发生器在吉林油田首次ＡＴＬＡＳ２７２７Ｃ／Ｏ测井仪对接成功，并开始批量测井。     

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。     

仪器中子活化分析技术在氚靶靶膜材料分析中的应用

采用仪器中子活化分析技术（INAA）对中子发生器用氚靶的靶膜材料Ti、Y中的12种杂质元素进行了分析。对实验结果中存在的问题进行了讨论,计算了实验条件下各杂质元素的检出限,用作质控标准的国标物质测量值与推荐值的相对标准偏差（RSD）≤±10%。     

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。     

D-T环形氚钛靶的制备工艺

我们制成的φ150mm环形氚钛靶,成功地进行了试机,中子产额初步达到10~(11)n/sec,试机15分钟下降3％。氚钛靶的环宽为36mm,钛层厚度为1mg/cm~2,吸氚量为50Ci。 为了提高我所自制2000伏中子发生器的中子产额,决定试制大面积环形氚靶,以增大靶的有效面积,改善靶片冷却,提高中子产额。由于受当时吸氚设备条件的限制,能够吸氚的衬底尺寸,对角线长度不得超过50mm。所以决     

含表面层的厚靶D-T中子产额计算

本文给出一种含表面层氚钛靶D-T反应中子产额的计算方法,并开发了相应的数值计算程序。以氧化层为TiO2为例,定量计算了D核在TiO2中的深度分布统计及透过率、200keV的D核穿过不同厚度TiO2的能量分布函数、D核入射含不同厚度氧化层TiT1.0的D-T中子产额和不同能量D核入射固定厚度氧化层TiT1.0的D-T中子产额。结果显示,中子产额随氧化层厚度的增加而减小,对于200keV的D核入射到含TiO2氧化层的TiT1.0厚靶,当TiO2厚度为0.1μm时,损失约10%的中子产额,厚度为0.2μm时,损失约20%的中子产额。本方法可推广到其他类型表面层(如污染层、保护层等)的中子产额计算,可用于中子发生器用靶的结构设计和中子产额评估。     

利用伴随α粒子能谱分析固体氚靶中氚浓度深度分布

在目前的氘氚中子发生器源中子分析过程中,固体氚靶中氚浓度深度分布信息的缺失是普遍遇到的问题。为解决此问题,本文建立了利用伴随粒子能谱反演氚浓度深度分布的模型,采用来自氚钛靶的α实验能谱作为模型测试对象,通过该模型获得了氚钛靶中氚浓度深度分布的数据。结果表明,氚浓度随氚钛靶深度的增加呈双峰趋势,两峰之间的氚浓度波谷位于靶中0.94 μm处,该深度正是入射氘粒子的射程极限。所得的氚浓度深度分布趋势与其他实验方法测量结果相符,表明该模型能为氘氚中子发生器的源中子分析提供即时的氚浓度深度分布信息。     

中子发生器用氚靶的研究进展

对粒子加速器和密封中子管用氚靶的工作原理、制备过程及基本要求,包括具有较高的载氚密度、较高的热稳定性、氚靶靶膜应具有较低的3He释放率和掉粉率等作了简要介绍.在此基础上,综述了近年来在金属氚化物膜块结构和性质、靶膜表面性质、金属氚化物的氦释放和新型靶材料的研制等方面的进展,提出了今后中子发生器氚靶的研究方向,主要涉及新型靶材料设计开发、新型结构靶研制、氚化物靶膜结构及其氦释放行为研究等方面.     

T(d,n)4He强流中子发生器的中子能谱和角分布模拟计算

采用将厚靶分割成薄靶的方法对厚氚钛靶、260keV氘束流能量条件下T(d,n)⁴He反应中子源的能谱和角分布进行计算。以分割法计算得到的能谱和角分布数据为基础,建立了D-T中子源Monte-Carlo模拟抽样模型,在考虑中子发生器各元件材料及实验大厅墙壁对快中子的慢化、散射和吸收的条件下,采用MCNP程序对兰州大学3×10¹²s^-1强流中子发生器260keV氘束流能量下的中子能谱和角分布进行了模拟,给出了模拟结果。为检验模拟结果的可靠性,与实验测量能谱进行了比较,Monte-Carlo模拟谱和实验测量谱基本符合。     

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.     

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%。     

强流D-T中子发生器n-γ辐射场的MC模拟研究

根据D-T中子源260 keV氘束流能量下的中子能谱和角分布数据,建立了D-T中子源模型,在中子发生器各元件材料及实验大厅墙壁对快中子的慢化、散射和吸收的条件下,采用MCNP模拟程序对强流中子发生器n-γ辐射场进行了模拟研究,得到了中子能谱、中子和γ角分布、n-γ比等重要参数.模拟结果与有关文献实验数据的基本吻合,验证了所建立的MCNP模拟模型的可靠合理.     

Neutron generator for the array borehole logging

The performance mechanism of the array neutron generator to be used to porosity logging is presented.The neutron generator utilizes a drive-in target ceramic neutron tube,which cursts nerutron with fast-slow period selectively pressure.Regulation of the neutron tube is accomplished by pulse width modulation.The high voltage power supply is poerated at optimum frequency.     

90°伴随粒子法D-D中子产额测量修正因子计算

开展了90°伴随粒子法D-D中子产额测量中的修正因子理论计算方法研究,基于MATLAB软件平台,开发了用于修正因子计算的计算机程序.计算给出了厚靶条件下,入射氘能量在20-700 keV范围,90°伴随粒子法D-D中子产额测量各向异性修正因子Rthick、中子和质子产额比(Yd,n/Yd,p)thick及总修正因子RY,并与早先的研究结果进行了对比,分析了计算结果的不确定度,总修正因子计算数据的不确定度约为2％.     

100～500keV能区~9Be(d,n)~(10)B反应中子产额及角分布测量

金属铍具有较稳定的理化性质,同时也易与入射的轻核粒子发生反应产生中子,在小型中子发生器的研制中具有其他靶材所不具有的优势。9Be(d,n)10 B反应的中子产额和中子角分布数据,尤其是低能区的数据,对小型中子发生器的设计非常重要。本文在中国原子能科学研究院的600kV高压倍加器上测量了100～500keV能区9Be(d,n)10B反应的中子产额和中子角分布。     

Feasibility of uranium spallation target in accelerator-driven system

A feasibility study on natural uranium spallation target in accelerator-driven system (ADS) for minor actinide (MA) transmutation was performed. As a result of comparative study of uranium and lead-bismuth (PbBi) targets in the bare case without blanket surrounding, it was found that uranium target had better neutron generation performance, but limited by the geometrical size due to high neutron absorption in ²³⁸U. In ADS for MA transmutation, uranium used as target instead of PbBi also absorbs neutrons passing the target area.More realistic concept of pin type uranium spallation target cooled by liquid PbBi was considered aiming at enhancing spallation target performance in terms of neutron generation efficiency and operation temperature. The uranium pin target design had nothing better effects on neutron balance of such system than a conventional PbBi target in ADS and it was concluded that uranium target was not suitable for the full-scale ADS.