靶系统和具有靶系统的用于产生中子和/或中微子的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型的实施例公开了一种靶系统和具有该靶系统的用于产生中子和/或中微子的系统。所述靶系统用于中子产生系统和中微子产生系统中的至少一个，所述靶系统包括：用作靶体的固体颗粒；收集部件，所述收集部件用于收集固体颗粒，其中收集部件的底部具有开口；以及用于调节该开口的大小的调节部件。根据本实用新型的实施例，可以优化利用颗粒流在收集部件的开口形成的束流，以生产中子或中微子。
【专利说明】
靶系统和具有靶系统的用于产生中子和/或中微子的系统
技术领域
[0001]本实用新型的实施例涉及一种靶系统和具有该靶系统的用于产生中子和/或中微子的系统【背景技术】
[0002]散裂靶可以作为一种高效的中子源和中微子源应用于从基础研究到尖端应用的不同领域。如今世界上各项大科学工程对于高功率中子源的需求十分迫切，但受限于材料、 散热等问题，利用传统的中子源技术在提高散裂靶功率上很难再有进一步的突破。在聚变堆材料辐照损伤研究中，目前国际上没有合适的中子源用于相关研究，传统的加速器氘氚中子源产生的中子通量有限，专用于聚变堆材料研究的中子源项目IFMIF(国际聚变堆材料辐照装置)虽然能够产生较高的中子通量和中子总产额，但其技术难度和投资都非常巨大， 且研制周期漫长。此外，随着中微子的研究成为当今基础科学研究的热点问题，建立中微子工厂，产生大量的适合的中微子成为一个急需解决的问题。【实用新型内容】
[0003]本实用新型的实施例的目的是提供一种靶系统和具有该靶系统的用于产生中子和/或中微子的系统，由此例如可以优化利用颗粒流在收集部件的开口形成的束流，以生产中子或中微子。
[0004]本实用新型的实施例提供了一种靶系统，所述靶系统用于中子产生系统和中微子产生系统中的至少一个，所述靶系统包括:用作靶体的固体颗粒;收集部件，所述收集部件用于收集固体颗粒，其中收集部件的底部具有开口；以及用于调节该开口的大小的调节部件。
[0005]根据本实用新型的实施例，所述开口具有大致矩形的形状。
[0006]根据本实用新型的实施例，所述收集部件具有上部和大致漏斗状的下部，在大致水平的平面中，所述收集部件的下部具有大致矩形的截面形状，所述收集部件的下部的底部是开口的，以构成所述开口。
[0007]根据本实用新型的实施例，所述调节部件是推拉板，所述推拉板能够平移。
[0008]根据本实用新型的实施例，所述推拉板能够大致在所述开口的宽度方向上平移。
[0009]根据本实用新型的实施例，所述推拉板包括相对于在所述开口的长度方向上延伸的直线对称设置的成对的推拉板。
[0010]根据本实用新型的实施例，所述直线是在所述开口的长度方向上延伸的中心线。
[0011]根据本实用新型的实施例，所述推拉板包括至少三对推拉板。
[0012]根据本实用新型的实施例，所述推拉板的边缘具有阶梯部，相邻的推拉板的相邻边缘的阶梯部形状互补。
[0013]根据本实用新型的实施例，所述推拉板由两个重叠的板形成。
[0014]本实用新型的实施例提供了一种用于产生中子和/或中微子的系统，该用于产生中子和/或中微子的系统包括:上述的靶系统。
[0015]根据本实用新型的实施例，所述开口具有大致矩形的形状，并且所述用于产生中子和/或中微子的系统还包括:束流发射件，所述束流发射件发射的束流的方向与所述开口的长度方向大致平行。
[0016]根据本实用新型的实施例，可以优化利用颗粒流在收集部件的开口形成的束流， 以生产中子或中微子。【附图说明】
[0017]图1为根据本实用新型实施例的中子或中微子产生系统的整体示意图；
[0018]图2为根据本实用新型实施例的靶系统的漏斗形收集部件的示意图；
[0019]图3为根据本实用新型实施例的漏斗形收集部件的开口的调节部件或开关装置的示意图。
[0020]图4为根据本实用新型实施例的漏斗形收集部件的开口的调节部件或开关装置的示意图。
[0021]图5为根据本实用新型实施例的样品台示意图。【具体实施方式】
[0022]下面结合说明书附图来说明本实用新型的【具体实施方式】。
[0023]如图1至3所示，根据本实用新型的实施例的中子和/或中微子产生系统100主要包括:靶系统9以及固体颗粒冷却装置3、筛选除尘装置4、颗粒补充回收存储装置5、颗粒提升装置6、汇聚管道7等辅助装置，所述辅助装置用于将固体颗粒冷却、除尘并传送到所述靶系统9的收集部件1的上方。[〇〇24]如图1所示，所述靶系统9的汇聚部件2设置在收集部件1的下游，用于冷却固体颗粒的固体颗粒冷却装置3设置在汇聚部件2的下游。
[0025]如图1至3所示，根据本实用新型的实施例的用于中子和/或中微子产生系统的靶系统9包括:用作靶体的可流动的固体颗粒；用于收集固体颗粒的收集部件1及用于将与束流反应后的固体颗粒引导至固体颗粒冷却装置3的汇聚部件2。收集部件的底部具有开口 10。开口 10可以是下出口并可以具有大致矩形的形状。固体颗粒在重力作用下通过收集部件1的内腔，到达开口 10。开口 10处设置有用于调节该开口 10的大小的调节部件。该调节部件可以是可控的推拉板11，推拉板11可以平移。例如，通过设置在推拉板11上的齿条利用齿轮驱动推拉板11平移。能够根据束流能量和束斑大小进行开启和大小的调节。固体颗粒可以具有球体形状，例如圆球体形状、椭球体形状或其它可以滚动的球体形状。如图2所示，所述收集部件1可以是扁的长方体漏斗。例如，所述收集部件可以具有上部和大致漏斗状的下部，在大致水平的平面中，所述收集部件的下部具有大致矩形的截面形状，所述收集部件的下部的底部是开口的，以构成所述开口 10。
[0026]如图2所示，所述收集部件1，其外形可为扁的长方体漏斗。其空间由两个大的侧壁 12以及两个小的侧壁13组成，下方为4片平面所组成的漏斗底(14表示两个小底壁，15表示两个大底壁)，其与相应侧壁的夹角可为90°?180°，漏斗底部中间为开口 10,该开口 10为漏斗口，推拉板11由多个大小相同并可控制开关的推拉板11组成，其拼合后的整体为与漏斗口 10相应的长方形。每块推拉板11均具有图3所示的咬合接触结构，以免在闭合状态下，颗粒从缝隙中漏出。在每块推拉板11的外侧可设置传感装置，可通过参数输入，远程控制其开关距离。所述推拉板11包括相对于在开口 10的长度方向上延伸的直线对称设置的成对的推拉板11，例如1对、2对、3对或更多对推拉板11。所述直线可以是在开口 10的长度方向上延伸的中心线。所述推拉板11的边缘具有阶梯部，相邻的推拉板的相邻边缘的阶梯部形状互补。 所述推拉板11可以由两个重叠的板形成。推拉板可以包括至少三对推拉板，例如三对推拉板。如图1所示，所述辅助装置包括筛选除尘装置4以及颗粒提升装置6。筛选除尘装置4的功能是除去颗粒中的破碎颗粒及灰尘。颗粒提升装置6的上端设有汇聚管道7,用于将固体颗粒供给靶系统9的收集部件1。此外，中子或中微子产生系统100还包括:设置在筛选除尘装置4下游的颗粒储存及补充装置5。
[0027]在本实用新型的实施例中，中子和中微子产生系统是一种小型高通量高能中子和中微子源，该中子和中微子源中，从电子回旋共振型(ECR)离子源中产生离子，离子经过低能传输线、射频四极场(RFQ)加速器、中能传输线及超导加速段后生成高功率密度束流，高功率密度束流与固体重金属颗粒靶进行反应，产生需要的中子或中微子。
[0028]革E1材料可以选择铍合金或者妈合金颗粒等，其颗粒直径可以约为0.1?0.5mm，铍合金可采用铍钨合金、铍钛合金、铍铼合金、以及相关三元合金、例如Be-W-X合金(其中X为 Re、Ta、Fe等)，或采用其它金属和合金。小球在重力作用下在通道中连续流动，在束靶耦合区(即束流打靶的区域)与高功率密度束流作用产生中子或中微子，同时，固体颗粒还将沉积热量带出束流耦合区，并在固体颗粒冷却装置3中将热导出靶系统9。[〇〇29]如图1，图2及图3所示，靶系统9的收集部件1可以为两宽壁与两窄壁12、13组成的长方形漏斗，开口 10在漏斗下侧。开口 10处设置有可控的推拉板11，能够根据束流能量和束斑大小进行开启大小的调节。开口 10的有效长度可根据整体中子和中微子产生系统的大小以及束流能量即束流穿透深度来确定，开口 10在开口的长度方向上开启大小的调节方式为将开口 10处的推拉板11从中间向两侧相对于沿开口的宽度方向延伸的中心线对称开启；或者，开口 10在开口的长度方向上开启大小的调节方式为将开口 10处的推拉板11连续开启， 即若需要同时开启多对推拉板11，各对推拉板11之间不能有间隔，必须是开启相邻的或连续的一对推拉板11，开口 10的宽度可根据束流束斑大小进行确定，一般情况下其宽度需大于束斑直径(例如6cm)以上，开口在宽度方向上开启大小的调节方式为根据束斑大小将开口 10处的推拉板11从中间向两侧相对于沿开口的长度方向延伸的中心线对称开启。如可根据需要开启成如图2所示的状态。出口 10下方为束流打靶位置，靶系统9的收集部件1可以选用耐辐照，耐高温的材料，例如SiC。漏斗壁以及底的厚度均为0.5?2cm。
[0030]如图4所示，在靶系统9收集部件1开口 10的下方设置有汇聚部件2,汇聚部件2为比收集部件1长宽略大的扁的长方体漏斗，在其漏斗的入口处设置有样品台8,样品台8除了高能束流入射(如图1箭头B方向)一侧无竖直挡板21外，其余三侧均设置有竖直挡板21，可将辐射样品101放置于样品台8的适当位置进行辐照实验。[〇〇31]如图1、图4所示，该中子和中微子产生系统的入射束流B与靶系统9的收集部件1的开口 10的长度方向平行，且在开口的正下方，束流与开口 10的上下、前后距离可调。样品台8 的设置高度与入射束流高度相同，可根据实验要求，将实验样品放置在样品台8相应的位置。
[0032]如图1所示，固体颗粒冷却装置3设置在收集部件1的下游，与靶系统9的收集部件1 的开口 10通过汇聚部件2连接，该冷却装置3可采用波纹板式逆流水冷换热器。待冷却的颗粒从上部入口处在重力的作用下向下流动，而水冷换热器内的冷却水是自下而上流动，吸收颗粒携带的热量，并将其带入冷却水处理回路中。板式结构具有单位体积内换热面积大， 换热器空间结构紧凑，颗粒运动阻力小的特点;波纹结构可明显增强换热效果;冷却水与合金颗粒相对逆流能够提高换热器整体换热效率，以水为冷却工质可保证足够的换热温差。 通过上述的特点，波纹板式逆流水冷换热器可以在保证冷却剂与固体颗粒非接触流动的同时，最大限度的减小换热器体积，保证足够经济性与结构强度。
[0033]如图1所示，颗粒提升装置6设置于固体颗粒冷却装置3的下游，目的是将换热后经过筛选除尘装置4输送至颗粒补充回收存储装置5中的颗粒输送回靶系统9的收集部件1的上方。颗粒提升装置6可以采用垂直斗式提升机，由电机对配有装载斗的环链进行驱动。相对于其他颗粒驱动方式，斗式提升机主要可动部件为循环链与驱动电机，其机械原理较为简单，并具有较高的配合宽容度。其循环链垂直提升的方式，使得其具有较高的工作效率。 作为备选方案，也可使用电磁提升系统。
[0034]如图1，图2，图3，图4所示，初始状态下，靶系统9的收集部件1开口 10的所有推拉板 11呈全部闭合状态，固体粒靶从靶系统9上方的汇聚管道7的出口处在重力作用下注入收集部件1中，固体颗粒在汇聚到设定高度后推拉板11按照束流能量及束斑大小开启成预设尺度，此时固体颗粒在重力作用下从靶系统9的收集部件1的开口 10处均匀下落。下落过程中的固体颗粒与漏斗口正下方且平行于漏斗口长边或开口的长度方向的高能束流B发生反应 (如图1箭头B方向)，产生高通量的中子或中微子，产生的中子或中微子可作用于样品台8上的实验样品1 〇 1。如上所述，束流B的方向与收集部件1开口 10的长边或开口的长度方向平行，与开口 10的上下及前后距离可调，并且样品台8的高度也随之变化。使样品台8中的实验样品受到预计的中子或中微子辐射剂量。可在样品台8上设置有多级样品台。发生反应后的固体颗粒在重力作用下滚落至下方汇聚部件2中，继而进入固体颗粒冷却装置3内，吸收颗粒携带的热量。冷却后的颗粒随即进入筛选除尘装置4,筛选除尘装置4可为普通颗粒筛选除尘装置，也可为电磁颗粒筛选除尘装置。经过筛选除尘后的符合标准的颗粒被输送至颗粒补充回收存储装置5中，若经检测颗粒补充回收存储装置5中的颗粒少于设定阈值，则需外界对其进行补充，与此同时，颗粒提升装置6会将颗粒储存补充回收装置3中的颗粒靶输送至靶系统9的上游，通过汇聚管道7,进入靶系统9,进行下一轮的中子反应。
[0035]根据本实用新型的上述实施例，提供了一种用于小型高通量高能中子和中微子源的靶系统9,以解决现有IFMIF中子源靶在运行过程中由于流体力学的不稳定性而造成的射流影响和强放射性污染等问题。
[0036]在靶系统9中，采用流化固体颗粒，以及长开口的扁漏斗，重金属颗粒靶从漏斗上方的汇聚管道7输出后在重力作用下自由下落，并从漏斗口流出，束流通过聚焦垂直入射到扁漏斗开口处流化颗粒靶上，固体颗粒在此与束流发生核反应产生中子或中微子。
[0037]中子和中微子产生系统100中的固体颗粒冷却装置3设置在收集部件1的下游，该颗粒冷却装置可采用波纹板式逆流水冷换热器。颗粒冷却装置3负责将颗粒从靶系统9带出的热量换至二回路。颗粒补充回收存储装置5设置在固体颗粒冷却装置3的下游，用于储存补充换热后的颗粒，并可在以后需要的时候排空系统与控制系统内颗粒总量。颗粒提升装置6的作用是将颗粒补充回收存储装置5中的颗粒输送至收集部件1的上方，进行下一轮的核反应。该颗粒提升装置6可采用垂直斗式提升机，由电机对配有装载斗的环链进行驱动。 作为备选方案，也可使用电磁提升系统。
[0038]根据本实用新型的实施例，所采用的固体颗粒与目前国际上使用的高功率密度液态喷射锂靶相比，可有效解决其在运行过程中由于流体力学的不稳定性而造成的射流影响，明显提高中子产生的稳定性；由于采用扁形的漏斗开口，并设计了可调节开口，该设计可以调整流出颗粒流的厚度与长度，以便能够根据不同能量或不同束斑大小的束流进行随时调节(而目前公开的已有靶型基本为圆形漏斗，出口呈圆形，其缺点是射流部分具有曲率，使得入射束流在传播方向的穿透距离不均匀，同时射流部分沿径向颗粒的速度差异较大，不利于优化材料利用率)；其次，能降低对加速器连续流强和强放射性环境防护的要求以降低成本，也能大大缩短研制周期;再者，固体颗粒可将产生的热量通过颗粒的流动从靶系统带出至颗粒换热器，并使之换至二回路，有效解决中子源的换热问题;此外，本实用新型的实施例的中子和中微子产生系统结构简单，尺寸大大缩小，可有效降低成本。
[0039]以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。
【主权项】
1.一种靶系统，所述靶系统用于中子产生系统和中微子产生系统中的至少一个，其特 征在于，所述靶系统包括:用作靶体的固体颗粒；收集部件，所述收集部件用于收集固体颗粒，其中收集部件的底部具有开口；以及 用于调节该开口的大小的调节部件。2.根据权利要求1所述的靶系统，其特征在于，所述开口具有大致矩形的形状。3.根据权利要求1所述的靶系统，其特征在于，所述收集部件具有上部和大致漏斗状的下部，在大致水平的平面中，所述收集部件的 下部具有大致矩形的截面形状，所述收集部件的下部的底部是开口的，以构成所述开口。4.根据权利要求2或3所述的靶系统，其特征在于，所述调节部件是推拉板，所述推拉板能够平移。5.根据权利要求4所述的靶系统，其特征在于，所述推拉板能够大致在所述开口的宽度方向上平移。6.根据权利要求5所述的靶系统，其特征在于，所述推拉板包括相对于在所述开口的长度方向上延伸的直线对称设置的成对的推拉 板。7.根据权利要求6所述的靶系统，其特征在于，所述直线是在所述开口的长度方向上延伸的中心线。8.根据权利要求4所述的靶系统，其特征在于，所述推拉板的边缘具有阶梯部，相邻的推拉板的相邻边缘的阶梯部形状互补。9.根据权利要求8所述的靶系统，其特征在于，所述推拉板由两个重叠的板形成。10.根据权利要求5至7中的任一项所述的靶系统，其特征在于，所述推拉板的边缘具有阶梯部，相邻的推拉板的相邻边缘的阶梯部形状互补。11.根据权利要求10所述的靶系统，其特征在于，所述推拉板由两个重叠的板形成。12.—种用于产生中子和/或中微子的系统，其特征在于，包括:权利要求1所述的靶系统。13.根据权利要求12所述的用于产生中子和/或中微子的系统，其特征在于，所述开口具有大致矩形的形状，并且所述用于产生中子和/或中微子的系统还包括:束流发射件，所述束流发射件发射的束流的方向与所述开口的长度方向大致平行。
【文档编号】H05H3/06GK205648167SQ201620244814
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】杨磊, 高笑菲, 林平, 张晟, 詹文龙
【申请人】中国科学院近代物理研究所