阅读说明：本技术 一种用于小型中子发生器的双层石英玻璃管型高压单元 (Double-layer quartz glass tube type high-voltage unit for small neutron generator ) 是由 陈红涛 赵芳 张凯 阮锡超 侯龙 刘世龙 龚新宝 刘邢宇 张坤 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于中子发生器技术领域,具体涉及一种用于小型中子发生器的双层石英玻璃管型高压单元,包括设置在直管型的冷却液导流管(2)的两端的高压输入模块(1)和靶电极(3),靶电极(3)外部为光滑的外壳体,内部设有靶片(24),冷却液导流管(2)内部设有能够通过冷却液的循环流道,用于为靶片(24)制冷；高压输入模块(1)通过贯穿在冷却液导流管(2)内部的高压连接杆(20)向靶电极(3)提供高压电。高压输入模块(1)简单小巧,可避免高压输入时发生高压打火,能承载130kV高电压；冷却液导流管(2)的电击穿电压达到35kV/mm；靶电极(3)中所有不规则结构和尖端都在靶电极(3)内部,保证了电场分布的均匀性,可有效抑制二次电子。(The invention belongs to the technical field of neutron generators, and particularly relates to a double-layer quartz glass tube type high-voltage unit for a small-sized neutron generator, which comprises a high-voltage input module (1) and a target electrode (3) which are arranged at two ends of a straight-tube type cooling liquid guide tube (2), wherein the outside of the target electrode (3) is a smooth outer shell, a target sheet (24) is arranged inside the target electrode, and a circulating flow passage capable of passing through cooling liquid is arranged inside the cooling liquid guide tube (2) and used for refrigerating the target sheet (24); the high-voltage input module (1) provides high voltage electricity to the target electrode (3) through a high-voltage connecting rod (20) penetrating through the cooling liquid guide pipe (2). The high-voltage input module (1) is simple and small, can avoid high-voltage ignition during high-voltage input, and can bear 130kV high voltage; the electric breakdown voltage of the cooling liquid guide pipe (2) reaches 35 kV/mm; all irregular structures and tips in the target electrode (3) are arranged in the target electrode (3), so that the uniformity of electric field distribution is ensured, and secondary electrons can be effectively inhibited.)

一种用于小型中子发生器的双层石英玻璃管型高压单元

技术领域

本发明属于中子发生器技术领域，具体涉及一种用于小型中子发生器的双层石英玻璃管型高压单元。

背景技术

小型中子发生器的突出特点是体积小，重量轻，便于移动和实际应用，这就要求组成发生器的各个单元的尺寸要小，结构要紧凑。小型中子发生器主体部分主要包括离子源、高压单元、真空单元和电气单元四个单元，其基本工作原理是，离子源产生D⁺，通过加速单元提升D⁺的能量后打靶发生核反应，产生中子，加速单元需要加载的高压一般在100kV以上。提升D⁺的能量有两种方法，一种是将离子源放置在高电位，靶放置在地电位，在离子源上加载正高压使D⁺在电场作用下受力加速，使其能量提升，另一种是将离子源放置在地电位，靶放置在高电位，在靶上加载负高压使D⁺在电场作用下受力加速，使其能量提升。第一种方法由于需要将离子源相关电源、供气装置、冷却装置安装在与离子源同一电位的高电位上，需要对其绝缘，还需要在离子源和靶之间安装加速单元和绝缘子，在大气中的绝缘等级达到100kV以上，各绝缘子长度达到几十厘米以上，造成整个装置体积庞大。第二种方法由于离子源处于地电位，其相关电源等设备也可安装在地电位，不需要绝缘，另外这种方法可将靶放置在真空腔室内，D⁺的能量提升可采用间隙加速，离子源和靶之间的绝缘可采用真空绝缘，间隙尺寸只需要几个厘米，需要解决的是真空中靶与地之间的高压绝缘、冷却、支撑和高压馈入的问题。

发明内容

本发明的目的是针对小型中子发生器的技术要求，研究一种紧凑型的高压单元结构，解决处于高电位靶端的高压馈入、支撑、绝缘和冷却问题。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于小型中子发生器的双层石英玻璃管型高压单元，其中，包括设置在直管型的冷却液导流管的两端的高压输入模块和靶电极，所述靶电极外部为光滑的外壳体，内部设有靶片，所述冷却液导流管内部设有能够通过冷却液的循环流道，用于为所述靶片制冷；所述高压输入模块通过贯穿在所述冷却液导流管内部的高压连接杆向所述靶电极提供高压电。

进一步，所述靶电极包括由靶基座和电极组成的外表光滑的圆柱形的所述外壳体，设置在所述靶基座上、位于所述外壳体内部的靶片，所述靶基座上设有冷却液通道，所述电极上设有束流通道；

所述靶基座为铜质材料，为圆柱形，一端设有所述冷却液通道，另一端为设有靶片开口的斜面，所述斜面和所述冷却液通道之间构成靶基内腔；所述冷却液通道位于所述外壳体的一端为圆弧型的开口，表面光滑、无尖锐的棱角；所述电极为不锈钢圆筒，一端为所述束流通道，为圆弧型的开口，表面光滑、无尖锐的棱角，另一端为带内螺纹的开口，与所述靶基座通过螺纹连接；

所述斜面的角度为45度，所述靶片密封设置在所述靶片开口上，所述靶片与所述斜面之间为绝缘密封连接；

所述靶片开口的朝向所述束流通道的一侧的边沿设有凹槽，所述靶片设置在所述凹槽内；所述靶片与所述凹槽之间设有第二密封圈，所述靶片通过压环压紧在所述第二密封圈上，实现所述靶片与所述斜面之间的绝缘密封连接；

所述高压连接杆的尾端穿过所述冷却液通道延伸到所述靶基内腔内，所述高压连接杆的尾端成L形，连接在所述靶基座的侧壁上；所述高压连接杆为不锈钢材质；所述高压连接杆的顶端设置有用于连接高压电的高压接头；所述高压接头为铜质；

还包括连接在所述压环和所述靶基座之间的电阻；

还包括设置在所述电极内的一对永磁铁，所述永磁铁为长方形薄片,通过铁片支架设置在所述电极内,位于所述斜面和所述束流通道之间的位置，所述永磁铁的N极和S极相对设置。

进一步，所述第二密封圈的材质为聚四氟乙烯，厚度大于所述凹槽深度；所述斜面上设有若干螺纹孔，所述压环与所述斜面之间通过螺钉和所述螺纹孔实行连接，所述螺钉***套有胶木绝缘套管；

所述靶片为圆片形钼片，直径小于所述凹槽的直径，所述靶片的一面镀钛后吸附氘或者氚，形成氘靶或者氚靶；

所述压环为不锈钢圆环，外径与所述靶片等径，内径大于所述靶片的活性区，所述压环的环面设有用于安装所述螺钉的螺钉通孔。

进一步，所述冷却液导流管包括外管和设置在所述外管内的内管，所述外管和所述内管形成套筒结构，所述内管的顶端位于所述外管内部，所述外管的内壁和所述内管的外壁之间的空间以及所述内管的内部空间共同构成所述循环流道；所述内管的顶端的外壁与所述外管的内壁密封连接，所述内管和所述外管的尾端设置在所述靶电极上，所述外管与所述靶电极密封连接，并用于对所述靶电极进行支撑；所述外管和所述内管的材质为石英玻璃；

所述外管的尾端设置在所述冷却液通道内，所述外管尾端的开口的外壁与所述冷却液通道之间密封连接；所述内管尾端的开口延伸至所述靶基内腔内；

所述高压连接杆的主体贯穿在所述内管内部，所述高压连接杆的顶端的所述高压接头延伸至所述外管的顶端之外；

还包括设置在所述外管的顶端的外壁上的绝缘外螺纹环，所述绝缘外螺纹环的外壁设有外螺纹；

还包括设置在所述外管的顶端上的绝缘螺纹塞，所述高压连接杆的顶端的所述高压接头穿过所述绝缘螺纹塞延伸至所述外管的顶端之外，所述绝缘螺纹塞用于封堵述外管的顶端，所述绝缘螺纹塞与所述高压连接杆之间为密封连接；

还包括绝缘压盖，所述绝缘压盖用于配合所述绝缘外螺纹环的外螺纹将所述绝缘螺纹塞压紧在所述外管的顶端上；

还包括设置在所述绝缘压盖与所述绝缘外螺纹环之间的第一密封圈，用于实现所述绝缘压盖与所述绝缘外螺纹环之间的密封；

还包括冷却液输入管，所述冷却液输入管的一端穿过所述外管的侧壁与所述内管连通，另一端用于连接外部的循环冷却机的出口，所述冷却液输入管与所述外管的侧壁之间为密封连接；还包括冷却液输出管，所述冷却液输出管的一端与所述外管连通，另一端用于连接外部的循环冷却机的入口；

所述冷却液输入管和所述冷却液输出管设置在靠近所述内管的顶端的位置上，所述冷却液输入管和所述冷却液输出管垂直于所述外管，且相对的位于所述外管的两侧。

进一步，所述绝缘螺纹塞和所述绝缘压盖的材质为聚四氟乙烯，所述绝缘外螺纹环的材质为有机玻璃；所述冷却液输入管和所述冷却液输出管的材质为石英玻璃；所述冷却液为氟化液。

进一步，所述高压输入模块包括内部设有高压线的T形绝缘子，所述高压连接杆的顶端的所述高压接头设置在所述T形绝缘子内并与所述高压线连接。

进一步，所述高压接头通过所述绝缘螺纹塞和所述T形绝缘子的螺纹与所述T形绝缘子密封连接；所述高压接头的侧面设有凹槽；所述高压线的顶端设置圆头铜帽，所述高压线通过活套塞设置在所述T形绝缘子内，所述圆头铜帽通过绝缘固定塞固定在所述T形绝缘子内；所述圆头铜帽设置在所述高压接头的所述凹槽内，实现所述高压接头与所述高压线的连接；所述活套塞与所述T形绝缘子通过螺纹密封连接。

进一步，所述T形绝缘子和所述绝缘固定塞和所述活套塞的材质为聚四氟乙烯。

本发明的有益效果在于：

1.聚四氟乙烯的绝缘等级与陶瓷相当，而机械加工性能优于陶瓷，再加上其材质偏软，利于螺纹密封。采用聚四氟乙烯作为高压输入模块1中的T形绝缘子8、绝缘固定塞6和活套塞5的主要材料可以使高压输入模块1的结构简单，尺寸很小，同时避免高压输入时发生高压打火，具有很高的安全性能。

2.由于靶电极3需要设置在真空腔室中，因此主体材料采用聚四氟乙烯的高压输入模块1的横截面尺寸小于采用陶瓷、水、变压器油等其它材料组成的结构，使得靶电极3尺寸变小、真空腔体尺寸变小、整体结构简化、从而使得中子发生器的系统尺寸变小。

3.高压输入模块1能承载130kV的高电压。

4.冷却液导流管2采用石英玻璃制作，因为石英玻璃在绝缘等级上与陶瓷和聚四氟乙烯相当，机械强度和真空性能与陶瓷相当，优于聚四氟乙烯，电击穿电压达到35kV/mm，利于焊接，机械强度高，容易加工成冷却液导流管2所需的小尺寸的循环流道的结构。再加上石英玻璃与金属很容易粘接形成牢固的整体，使其容易跟靶电极3密封连接。

5.氟化液具有良好绝缘性能、流动性能和导热性能，三个性能均优于变压器油，流动性能与水相当，导热性能仅次于水。无毒无味，不挥发，不侵蚀。是绝佳的绝缘冷却液，可减小、简化系统结构和体积。

6.靶电极3组装完成后是一个端面为圆弧状的圆柱，所有不规则结构和尖端都在靶电极3内部，保证了电场分布的均匀性。

7.将靶基座18与冷却液导流管2粘接，冷却液将通过冷却液导流管2的内管16导向靶片24，对靶片24冷却，然后通过靶片24下方的靶基内腔33流入冷却液导流管2的内管16和外管15之间的循环流道导出，对靶片24实现循环冷却。

8.束流为D⁺粒子，打在靶片24的靶面上的正电荷将通过电阻26流向电极19，在靶面和电极19之间形成电压差，产生方向由靶面指向电极19的内壁的电力线，形成自抑制电场，靶面上产生的二次电子在该电场作用下反向运动，打到靶面消失掉。阻止二次电子向加速场区运动。

9.电极19内壁的永磁铁27产生的横向磁场，使靶面产生的二次电子在向加速场区运动的过程中发生偏转，打到电极19的内壁上消失掉，阻止其进入加速场区。

10.自抑制电场和永磁铁27产生的横向磁场对二次电子起到双层抑制的作用，抑制效果非常好，而且能起到双保险的作用，即一个失效，另一个还能起作用。

11.靶电极3尺寸小，功能全，抑制二次电子效果显著。

12.靶片24上能承载3.5mA以上、能量为130keV的D+束流。

附图说明

图1是本发明

具体实施方式

中所述的一种用于小型中子发生器的双层石英玻璃管型高压单元的示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述的靶电极3的示意图；

图3是本发明具体实施方式中所述的靶片24部分的绝缘密封的局部放大图；

图4是本发明具体实施方式中冷却液导流管2的顶端位置(设置冷却液输入管13和冷却液输出管14的位置)的局部放大示意图；

图5是本发明具体实施方式中冷却液导流管2的尾端位置(冷却液导流管2和冷却液通道29连接位置)的局部放大示意图；

图中：1-高压输入模块，2-冷却液导流管，3-靶电极，4-高压线，5-活套塞，6-绝缘固定塞，7-圆头铜帽，8-T形绝缘子，9-绝缘压盖，10-第一密封圈，11-绝缘螺纹塞，12-绝缘外螺纹环，13-冷却液输入管，14-冷却液输出管，15-外管，16-内管，17-高压接头，18-靶基座，19-电极，20-高压连接杆，21-胶木绝缘套管，22-螺钉，23-压环，24-靶片，25-第二密封圈，26-电阻，27-永磁铁，28-铁片支架，29-冷却液通道，30-束流通道，31-斜面，32-靶片开口，33-靶基内腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的一种用于小型中子发生器的双层石英玻璃管型高压单元，包括高压输入模块1、冷却液导流管2和靶电极3。其中冷却液导流管2为直管型，高压输入模块1设置在冷却液导流管2的顶端，靶电极3设置在冷却液导流管2的尾端。靶电极3外部为光滑的外壳体，内部设有靶片24，冷却液导流管2内部设有能够通过冷却液的循环流道，用于为靶片24制冷；高压输入模块1通过贯穿在冷却液导流管2内部的高压连接杆20向靶电极3提供高压电。

如图1、图2所示，靶电极3包括高压连接杆20、靶基座18、靶片24、电阻26、电极19、永磁铁27等部件。

靶基座18和电极19组成外表光滑的圆柱形的外壳体，靶片24设置在靶基座18上、位于外壳体内部，靶基座18上设有冷却液通道29，电极19上设有束流通道30，用于通过由离子源产生的D⁺束流。

靶基座18为铜质材料，为圆柱形，一端设有冷却液通道29(冷却液通道29用于与绝缘的冷却液导流管2粘接，向靶基座18上的靶片24输送冷却液，对靶片24进行冷却)，另一端为设有靶片开口32的斜面31，并设有外螺纹；斜面31和冷却液通道29之间构成靶基内腔33；冷却液通道29位于外壳体的一端为圆弧型的开口，表面光滑、无尖锐的棱角。

电极19为不锈钢圆筒(由圆筒形不锈钢棒加工而成)，一端为束流通道30，为圆弧型的开口，表面光滑、无尖锐的棱角，另一端为带内螺纹(与靶基座18的外螺纹相适应)的开口，与靶基座18通过螺纹连接。

斜面31的角度为45度，靶片24密封设置在靶片开口32上，靶片24与斜面31之间为绝缘密封连接；靶片24的直径为40mm，冷却液通道29的直径为30mm，束流通道30的直径为18mm，外壳体的外径为52mm，内径为46mm，长度150mm电极19构成外壳体的主体部分(即电极19的外径为52mm，内径为46mm)。

如图3所示，靶片开口32的朝向束流通道30的一侧的边沿设有凹槽，靶片24设置在凹槽内；靶片24与凹槽之间设有第二密封圈25，靶片24通过压环23压紧在第二密封圈25上，实现靶片24与斜面31之间的绝缘密封连接(靶片24与斜面31之间不接触)，安装顺序是依次在凹槽内安装第二密封圈25、靶片24和压环23，压环23和靶基座18之间采用绝缘的螺钉22连接，使靶片24和斜面31(即靶基座18)之间实现绝缘密封。

第二密封圈25为绝缘密封圈，材质为聚四氟乙烯，厚度大于凹槽深度。

斜面31上设有均匀设置的若干螺纹孔。

靶片24为圆片形钼片，直径小于凹槽的直径，靶片24的一面镀钛后吸附氘或者氚，形成氘靶或者氚靶。

压环23为不锈钢圆环，外径与靶片24等径，内径大于靶片24的活性区，压环23的环面设有用于安装螺钉22的螺钉通孔。

压环23与斜面31之间通过螺钉22和螺纹孔实行连接，螺钉22***套有胶木绝缘套管21。安装时靶片24不接触靶基座18，胶木绝缘套管21放置在压环23的螺钉通孔内，最后用螺钉22压紧压环23，使靶片24与靶基座18之间实现绝缘密封。

电阻26连接在压环23和靶基座18之间，电阻26的阻值为300kΩ。

高压连接杆20的尾端穿过靶基座18的冷却液通道29延伸到靶基内腔33内，高压连接杆20的尾端成L形，通过焊接连接在靶基座18的侧壁上；高压连接杆20的材质为不锈钢，用于与高压线4连接，给靶电极3输送加速高压。高压连接杆20的顶端设置有用于连接高压电的高压接头17；高压接头17为铜质。

永磁铁27为两片，形状为长方形薄片，通过半圆形的铁片支架28设置在电极19内，磁场强度为200高斯。永磁铁27位于斜面31和束流通道30之间的位置，永磁铁27的N极和S极相对设置。

如图1所示，冷却液导流管2包括绝缘螺纹塞11、绝缘压盖9、冷却液输出管14、绝缘外螺纹环12、第一密封圈10、冷却液输入管13、外管15、内管16等部件。

内管16设置在外管15内，外管15和内管16形成套筒结构，内管16的顶端(即远离靶电极3的一端)位于外管15内部(靠近外管15的顶端)，外管15的内壁和内管16的外壁之间的空间以及内管16的内部空间共同构成循环流道；内管16的顶端的外壁与外管15的(顶端附近的)内壁密封连接(即密封循环流道的一端)，内管16和外管15的尾端设置在靶电极3上，外管15与靶电极3密封连接，并用于对靶电极3进行支撑；外管15和内管16的材质为石英玻璃。

外管15的外直径为20mm，内直径为14mm，管壁厚度为3mm，长度大于等于500mm，两端开口磨平；内管16的外直径为10mm，内直径为6mm，管壁厚度为2mm，长度大于等于490mm，两端开口磨平。

如图5所示，外管15的尾端设置在靶电极3的冷却液通道29内，外管15尾端的开口的外壁与冷却液通道29之间通过使用AB胶粘接的方式密封连接；内管16尾端的开口延伸至靶基内腔33内，内管16尾端的开口与外管15尾端的开口之间相距20mm左右。

靶电极3上的高压连接杆20的主体贯穿在内管16内部，高压连接杆20的顶端的高压接头17延伸至外管15的顶端之外(也就是延伸到冷却液导流管2的顶端之外)。

绝缘螺纹塞11、绝缘压盖9、绝缘外螺纹环12设置在外管15的顶端，用于外管15的顶端的密封和高压连接杆20的固定；

绝缘外螺纹环12设置在外管15的顶端的外壁上，绝缘外螺纹环12的外壁设有外螺纹；

绝缘螺纹塞11设置在外管15的顶端上，高压连接杆20的顶端的高压接头17穿过绝缘螺纹塞11延伸至外管15的顶端之外，绝缘螺纹塞11用于封堵述外管15的顶端，绝缘螺纹塞11与高压连接杆20之间为密封连接；

绝缘压盖9用于配合绝缘外螺纹环12的外螺纹将绝缘螺纹塞11压紧在外管15的顶端上；

第一密封圈10设置在绝缘压盖9与绝缘外螺纹环12之间，用于实现绝缘压盖9与绝缘外螺纹环12之间的密封。

绝缘螺纹塞11和绝缘压盖9的材质为聚四氟乙烯，绝缘外螺纹环12的材质为有机玻璃，绝缘外螺纹环12通过粘接设置在外管15上。

如图4所示，冷却液输入管13的一端穿过外管15的侧壁与内管16连通，另一端用于连接外部的循环冷却机的出口，冷却液输入管13与外管15的侧壁之间为密封连接；冷却液输出管14的一端与外管15连通，另一端用于连接外部的循环冷却机的入口。冷却液首先经冷却液输入管13进入内管16导流到靶基内腔33内对靶片24进行冷却，再由内管16和外管15之间的循环流道流向冷却液输出管14回流到循环冷却机内，形成冷却液导流回路。

冷却液输入管13和冷却液输出管14设置在靠近内管16的顶端的位置上，冷却液输入管13和冷却液输出管14垂直于外管15，且相对的位于外管15的两侧。

冷却液输入管13和冷却液输出管14的材质为石英玻璃，外直径为10mm，内直径为6mm，管壁厚度为2mm，长度大于等于100mm；冷却液为流动性和绝缘性能很高的氟化液。

如图1所示，高压输入模块1包括内部设有高压线4的T形绝缘子8，高压连接杆20的顶端的高压接头17设置在T形绝缘子8内并与高压线4连接。

高压接头17通过绝缘螺纹塞11和T形绝缘子8的螺纹与T形绝缘子8密封连接；高压接头17的侧面设有半圆形的凹槽；高压线4的顶端设置圆头铜帽7(即高压线4的多股金属线芯套上圆头铜帽7并焊接牢固)，高压线4通过活套塞5设置在T形绝缘子8内，圆头铜帽7通过绝缘固定塞6固定在T形绝缘子8内；圆头铜帽7设置在高压接头17的凹槽内，实现高压接头17与高压线4的连接；活套塞5与T形绝缘子8通过螺纹密封连接；高压线4、T形绝缘子8和高压接头17成为一个整体。

T形绝缘子8、绝缘固定塞6和活套塞5的材料为聚四氟乙烯。

本发明所提供的一种用于小型中子发生器的双层石英玻璃管型高压单元的工作原理及效果：冷却液从循环冷却机的出口导入冷却液输入管13后流入内管16，然后喷向靶片24的背面，冷却液填满靶基内腔33后回流到内管16与外管15之间的循环流道，通过冷却液输出管14回流到循环冷却机内，从而形成冷却液回路。高压连接杆20穿过内管16连接靶电极3的靶基座18，通过高压接头17连接高压线4，将-100kV左右的高压馈入到靶电极3上。构成冷却液导流管2的石英玻璃管的总厚度为5mm(外管15和内管16的壁厚的和)，冷却液层厚3mm，冷却液和石英玻璃管的击穿电压均可达到30kV/mm，使得冷却液导流管2的体击穿电压可达到200kV以上。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。