用于紧凑型氘氚中子发生器的氚靶优化设计

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用于紧凑型氘氚中子发生器的氚靶优化设计

时间：2026年1月17日

来源：Applied Radiation and Isotopes

编辑推荐：

提高中子源输出与靶温控制的水冷系统设计及材料优化研究，通过铜钼合金基板和镁镍保护层组合有效抑制辐照损伤并控制温度低于200°C，在500μA束流、200keV入射能下实现10¹¹n/s的高产额。

刘思琪|景世伟|贾富全|周思佳|李泽斌|孙月|顾宇轩|徐海龙|李家宇|江尚瑞|张天|曲国峰|高志华

中国长春，东北师范大学物理学院，130024

摘要

中子发生器是一种小型加速器中子源，其产额受到离子束强度增加所引起的加热效应的限制。高束流功率会导致靶材过热，当温度超过某个阈值（本研究中设定为200°C）时，靶材会释放氢气。为了提高中子产额并控制靶材温度在氢气释放温度以下，设计了一种水冷靶系统。研究了靶材薄膜、基底和冷却系统的各个部分，并通过大量的固-流耦合计算和热传递分析确定了最终优化的靶系统结构。选用了铜钼合金作为基底，并配置了相应的冷却系统。靶材薄膜表面涂覆了镍保护层，有效减少了镁膜的辐照损伤同时提高了中子产额。当离子束强度为500μA、入射能量为200keV且工作温度不超过200°C时，优化后的DT中子发生器的产额可达10^11 n/s。这避免了因氢气释放而导致靶材中氚损失的风险。

章节摘录

引言

中子活化分析（NAA）具有诸多优点，例如不受被测物质化学状态和化学性质的影响、可实现无损检测以及同时分析多种元素等。目前，NAA已广泛应用于环境科学、地质科学、医学治疗和生物物理学等领域，作为一种核分析技术[1]、[2]、[3]。中子在材料中具有很强的穿透能力，因此可以用于无损检测等应用。

中子发生器系统

本研究中的DT中子发生器基于东北师范大学的NG-9密封DT中子发生器，如图1所示。整个发生器由中子发射器、主控制箱和电子系统组成。中子发射器由SUS304材料制成，呈圆柱形，直径为8.6cm，长度为89cm；发射器底部与靶材之间的距离为18.5cm。中子管同样为圆柱形，直径为5cm，长度为19cm。

中子产额与辐照损伤计算

本文研究的中子发生器的工作参数如下：离子束强度为300μA，入射能量不超过120keV。对于D-T中子发生器，其中子产额由公式（1）表示^[16]：

其中，Y(E)表示中子产额，AR表示靶材原子吸附的氢同位素比例，在本研究中为1.77；I表示入射的氘离子束电流，N_T表示靶材薄膜中的氚密度。

仿真模型

本研究使用COMSOL6.2a软件对靶系统的耦合热传递进行了分析，并建立了三维模型。靶材薄膜和基底的半径均为25mm。靶材薄膜由钛层和镁层构成，基底材料分别为铜和钼，冷却水通道采用不锈钢材质。冷却系统由两根同轴管组成，冷却水从内环流入。

结论

通过优化靶材薄膜和基底材料的组成，本研究提出了一种高产额、长寿命的DT中子发生器靶系统结构。利用SRIM代码计算了氘离子束轰击靶材薄膜时的沉积情况，并获得了相应的产额结果及靶材的辐照损伤数据。同时，通过COMSOL6.2a多物理场分析软件对靶系统在运行过程中的温度升高和热膨胀进行了研究。

作者贡献声明

徐海龙：撰写、审稿与编辑、验证工作。李泽斌：撰写、审稿与编辑、数据整理。孙月：数据分析。顾宇轩：实验研究。李家宇：数据整理。江尚瑞：实验研究。张天：撰写、审稿与编辑、指导工作。曲国峰：撰写、审稿与编辑。刘思琪：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、概念构思。贾富全：撰写、审稿与编辑、指导工作。高志华：撰写、审稿与编辑。