[发明专利]一种小型中子源及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型中子源及其制备方法，特别是涉及采用场致离子发射产生中子的技术领域。

背景技术

中子源是能够产生中子的装置，是中子核反应、中子衍射、中子成像等不可缺少的设备。自由中子很不稳定，很容易衰变成质子并放出电子和反电中微子，因此它的寿命平均只有15min，无法长期储存。因此以上应用中必须源源不断供应中子。目前产生中子主要有以下3种方法：1、放射性同位素中子源：体积小，设备简单，使用方便。如（α，n）中子源利用核反应9Be+α→12C +n+5.701兆电子伏特（MeV），将放射α射线的238Pu、226Ra或者241Am同金属铍粉按照一定比例均匀混合压制成小圆柱密封在金属壳中。（γ，n）中子源利用核反应发出的γ射线来产生中子，有24Na-Be源，124Sb-Be源等。2、加速器中子源：利用加速器加速带电粒子轰击适当的靶核，通过核反应产生中子，最常见的核反应是（d，n）、（p，n）等，其中子强度较大，可以在很宽的能区上获得单能中子。加速器采用脉冲调制后，可以成为脉冲中子源。3、反应堆中子源：利用原子裂变反应堆产生大量中子。在反应堆的壁上开孔，即可把中子引出。这种方法得到的中子能量是连续分布的，很接近麦克斯韦分布。

在所有中子源中，同位素中子源有着成本底高、半寿命短、反应出现辐射，后期处理困难等缺点；反应堆中子源则有着系统复杂、体积大、成本底高和反应出现辐射、后期处理困难等缺点。本发明所给出的中子源是一种加速器中子源。相比于本发明的加速中子源，其他加速中子源有着不同的缺点。如⁷Li(p,n)⁷Be反应加速器中子源，它还需要解决强流直线加速器技术问题、强流束条件下的Li靶技术问题、和中子产额、中子能谱、中子角分布的实验测量等问题；⁹Be（p，n）加速器中子源存在着能谱连续，单能性差的缺点；加速器白光中子源由于需要通过高能电子轰击高原子序数的厚金属靶，产生强的韧致辐射光子，然后光子和靶核反应产生中子。这使得加速器白光中子源的造价非常高昂。

本发明是基于CNTs离子源来制备中子的中子源。碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是1991 年才被发现的一种碳结构,它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100 倍。碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等。碳纳米碳管还具有特别的场发射性能，具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、不需要加热和高真空等优点。

现有技术中，有基于其他离子源（如潘宁源）来制备中子的中子源。但是利用潘宁源来制备的中子源也有着很多的缺点。潘宁源的离子引出效率不高，原子离子含量也不大，潘宁源的等离子体参数的诊断还不全面准确，尤其是在不同放电条件下的等离子体密度和电子温度等。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种小型中子源及其制备方法，是基于CNTs离子源来制备中子的中子源，制备而成的中子源结构简单、体积小、成本低、无辐射影响、使用方便等特点，可以在中子成像、元素分析、仪器校正、中子验证等方面广泛应用。本发明采用如下技术方案：

一种小型中子源，其特征在于，包括离子枪、阳极靶和绝缘套筒；

所述离子枪为产生离子束的部件，包括接地或者接正电压的CNTs场致离子发射电极、接负高压的栅极和绝缘基座，所述的CNTs场致离子发射电极和栅极封装在绝缘基座上，所述离子枪内充斥着待电离的气体；

所述的CNTs场致离子发射电极为将生长在基片上的碳纳米管阵列固定在场致离子发射电极上；

所述阳极靶为受离子束轰击并产生中子的阳极；

所述的离子枪和阳极靶封装在绝缘套筒的两端。

作为优选，所述的栅极由金属钼、铜、不锈钢、钨、碳等材料的一种或者合金制备的栅网组成；所述的待电离的气体为氘气或者氚气；所述的绝缘基座为陶瓷基座。

作为优选，所述的基片为导电材料；所述的场致离子发射电极由不锈钢、铜或者钼等导电材料制成。

此小型中子源的制备方法如下：

a、在基片上制备碳纳米管阵列，形成CNTs场致离子发射阵列；

b、将CNTs场致离子发射阵列固定在由金属材料制成的场致离子发射电极上，得到CNTs场致离子发射电极；