基于强流脉冲离子束的中子辐照模拟装置及快速评价方法

技术领域

本发明是一种基于强流脉冲离子束的中子辐照模拟装置及快速评价方法，依据0.1～1MeV高能原子与中子辐照的PKA能谱相似性，发明了不同原子种类、动能及脉冲辐照剂量可控的强流脉冲原子束技术装备，获得了满足裂变堆、聚变堆等各堆型核辐照环境下1-14MeV不同动能中子辐照材料的模拟测试条件和评价方法，属于核工程技术领域。

技术背景

核能是当今清洁能源的主要发展趋势，核结构材料的中子辐照损伤是影响核能装置安全性和稳定性的关键问题之一。在各类裂变堆和聚变堆中，中子辐照缺陷损伤将引发核结构材料的硬化、脆化、肿胀及蠕变等性能退化行为，合金则还包括辐照诱发偏析与相变等行为。采用反应堆中子辐照条件对材料服役行为的评价难度大、费用高、周期长，造成系统数据匮乏，严重制约了其失效行为、规律评价与寿命预测技术的发展，进一步限制了抗辐照材料的研发。因此，电子束、离子束等堆外模拟中子辐照的技术及材料辐照损伤的评估方法在近年来一直备受关注。电子辐照只产生单一Frenkel缺陷，主要用于研究初始点缺陷产生规律和理解相关辐照损伤机理；离子辐照可产生与中子辐照类似的初级离位原子(Primary Knock-on Atom,PKA)碰撞级联损伤行为，近年来国际上主要采用离子束技术进行中子辐照模拟。2007年，Was等在Radiation Effects in Solids发表论文“Radiationdamage from different particle types”，对比了质子、Ni

2021年，Pushkarev等在Laser and Partical Beams发表论文“Comparison ofinfluence of the atom beam and ion beam on the metal target”，研究表明，高能原子与材料原子相互作用过程中的电子能损远低于离子辐照的结果，将更多能量传递给碰撞原子而得到较高动能的PKA，对于纯Fe材料，0.2～0.4MeV高能C原子辐照与2～3MeV中子辐照的PKA能量传递形成规律具有极高的相似度。这种高能原子辐照与中子辐照PKA能谱的相似性，可针对所需的中子能谱条件，通过原子种类和动能调节进行高度匹配，为解决离子模拟中子辐照的差异性难题提供了理论依据。此外，在高能原子束装置研究方面，2018年，Belchenko等在Physics-Uspekhi发表的综述论文“Studies of ion and neutral beamphysics and technology at the Budker Institute of Nuclear Physics”，总结了俄罗斯科学院西伯利亚分院巴克核物理研究所的离子束、中性束理论和技术研究进展，当离子动能超过100keV量级时，常规的离子与气体分子发生共振电荷转移碰撞或离子与低能电子结合等中和机制的效率非常低，因此，磁约束聚变堆所需的动能达到百keV到MeV中性束加热源的研发，采取了复杂的负离子源系统中性化方案。至今，仍缺乏低成本、高效率产生动能大于100keV的高能原子束装置。

发明内容

为了解决堆内中子辐照模拟的工程技术难题，基于高能原子辐照与中子辐照的PKA能谱相似性，从物理本质上保证了与中子辐照缺陷形成机理的一致性，本发明提供了一种基于强流脉冲离子束的中子辐照模拟装置及快速评价方法，突破目前模拟中子辐照的离子束技术的原理局限性。通过强流脉冲原子和混合束模拟中子辐照过程的热能损失功与热辐射功对应变化的差热分析原理，建立了适用于模拟中子辐照材料点缺陷形成规律定量评价的原位差热快速分析新方法。

本发明采用的技术方案是：基于强流脉冲离子束的中子辐照模拟装置，由双极脉冲电源系统、强流脉冲磁绝缘离子二极管系统、强流脉冲电子栅极系统、束流测控系统、原位差热分析系统五部分构成，通过各部分的联合操作与控制，实现待测材料在中子辐照模拟条件下的辐照性能评价：

1)双极脉冲电源系统为强流脉冲磁绝缘离子二极管的运行提供电能，包括直流高压模块、微秒级脉冲模块、纳秒级双极脉冲模块、双极脉冲延迟控制模块；

2)强流脉冲磁绝缘离子二极管系统产生强流脉冲离子束，包括磁绝缘离子二极管阳极、引出阴极，其中，阳极具有实心阳极和空心阳极两种结构，空心阳极采用连接阳极的气体管路向阳极内部输送工作气体；

3)强流脉冲电子栅极系统利用强流脉冲离子束轰击金属栅网产生二次电子的作用，形成伴随的强流脉冲二次电子束流，实现0.1MeV以上高能离子的高效率中和，相应获得高动能的强流脉冲原子束，包括插槽式金属栅网座、可替换的金属栅网；

4)束流测控系统，包括脉冲电压测量模块、离子束流测量模块、电子束流测量模块、原子与离子混合束流测量模块、中和比例分析模块，分别对强流脉冲离子束、强流脉冲电子束和强流脉冲原子束参数进行测量，分析中和束的原子占比关系，用于反馈调节控制；

5)原位差热分析系统，包括辐照试样原位测温模块、辐照缺陷原位差热分析软件模块，对试样的辐照缺陷数量与密度进行原位测量分析。

所述的强流脉冲磁绝缘离子二极管系统，在双极脉冲电源系统所施加的一负一正的双极脉冲作用下，先到达的负脉冲在二极管阳极表面产生爆炸电子发射、形成等离子体，利用先到达的负脉冲输出反馈信号延迟触发控制随后的正脉冲输出，正脉冲宽度为120～140ns，将离子加速并从二极管阴极栅格引出形成强流脉冲离子束；负脉冲与正脉冲之间的延迟时间在200～600ns范围可控调节，控制精度为±10ns量级；阳极具有实心阳极和空心阳极两种结构，实心阳极利用其表面爆炸电子发射形成阳极材料离化的等离子体，空心阳极利用管路向阳极内通入工作气体、从阳极工作面的微孔释放并吸附于阳极表面，利用爆炸电子发射形成吸附气体离化的等离子体；

所述的强流脉冲磁绝缘离子二极管系统，在本底真空度不低于5×10

所述的强流脉冲磁绝缘离子二极管系统，产生等离子体的负脉冲电压在100～400kV范围内调节，通过控制负脉冲幅值获得不同价态的离子，加速引出离子的正脉冲电压为100～300kV，输出的离子动能在0.1～1MeV范围内可控调节，离子束流脉冲宽度为120～160ns；当阳极和阴极放电区采用平面结构时，获得与二极管阳极放电区对应的10～100cm

所述的强流脉冲电子栅极系统，采用单个或多个可替换的金属栅网安装于插槽式金属栅网支架，布置在强流脉冲离子束输出路径上，与二极管阴极间隔距离10～20cm，可替换的系列金属栅网具有不同的网孔尺寸和丝径，透过率调节范围为20％～80％；利用强流脉冲离子束轰击栅网形成高密度二次电子的作用，获得伴随强流脉冲离子束的不同束流密度的强流脉冲电子束，对穿越金属栅网的离子束实现了高效电子中和，调节金属栅网透过率及数量，获得原子占比为80％～100％的强流脉冲原子束或原子与离子混合束；原子保留了中和前离子的高动能，原子动能可通过离子加速电压和价态调节；原子束及混合束的束流密度J

所述束流测控系统，对强流脉冲离子束、强流脉冲电子束、以及强流脉冲原子束的参数进行联合测量与分析，依据模拟中子辐照效应所需的原子种类、原子动能、原子占比及脉冲辐照剂量的要求进行反馈调节输出；加速电压测量模块采用低电感水溶液分压电阻测量离子二极管的加速电压，确定离子动能；离子束流测量模块采用具有偏转磁场或电场的法拉第筒，分别测量强流脉冲磁绝缘离子二极管系统输出的离子束流密度以及被强流脉冲电子栅极系统中和后的残留离子束流密度，并结合加速电压测量结果，采用飞行时间法(TOF)分析离子束流密度波形，确定离子种类以及脉冲辐照剂量；电子束流密度测量模块采用无偏转场的法拉第筒，测量强流脉冲离子束轰击栅网形成的伴随的强流脉冲电子束流密度，确定中和束的负/正电荷量比值；

原子与离子混合束流密度测量模块，利用红外热成像法测量辐照试样的峰值温度确定中和束的能量密度，具体通过公式q

所述的原位差热分析系统，辐照试样原位测温模块采用快速红外测温仪实时测量辐照试样温度变化，测温响应速度不低于100ms，对于导热性良好的多数金属材料而言，试样厚度通常可选100μm；对于导热较差的材料，则依据测温仪响应时间内的试样辐照热传导的均温条件，计算试样可选的厚度，再结合辐照温度测量验证，确定试样厚度；采用辐照缺陷原位差热分析软件模块进行辐照试样冷却温度变化分析，计算出辐照试样冷却过程的热能损失功与热辐射功；试样热能损失功计算公式为

依据100～1000keV量级的高能原子辐照与中子辐照的PKA能谱相似原理，基于强流脉冲离子束技术发展出高能脉冲原子束装置，获得原子种类、原子动能0.1～1MeV可控调节的高能脉冲原子束，用于模拟各类型核反应堆不同中子能谱辐照条件，进行材料辐照性能快速评价。所述评价方法采用以下步骤：

1)试样准备：依据辐照束流密度均匀分布的束斑面积及红外测温条件，将选定厚度的待测材料加工成小于束斑面积的箔片试样，在其辐照背面均匀地喷涂厚度不超过10μm的黑色哑光漆，用直径不超过0.1mm的不锈钢丝固定在试样支架上，获得热传导热能损失可忽略的辐照条件；

2)辐照实验：在不低于5×10

3)原位差热分析：将红外测温仪测量数据导入辐照缺陷原位差热分析软件进行处理，输出所需的分析结果，包括试样热能损失功W

4)辐照性能评价：对于不同材料的辐照性能分析，提供中子辐照模拟条件下两方面的辐照性能评价结果，其一、中子辐照模拟条件下产生的点缺陷密度及其dpa损伤速率，分析不同材料的辐照点缺陷损伤形成能力，依据中子模拟辐照结果外推，预测材料在核反应堆服役寿期内高剂量中子辐照的损伤程度；其二、分析辐照点缺陷退火回复能E

本发明的优点是：(1)该装置由强流脉冲磁绝缘离子二极管系统、强流脉冲电子栅极系统、束流测控系统、原位差热分析系统五部分构成，通过各部分的联合操作与控制，获得一种可以模拟中子辐照的高能脉冲原子束，且原子种类、动能、原子占比及脉冲辐照剂量可控调节，并且可原位完成试样辐照缺陷的定量分析，依据0.1～1MeV高能原子与中子辐照的PKA能谱相似性，实现裂变堆、聚变堆等各堆型环境1-14MeV不同动能中子辐照材料的模拟中子辐照测试评价，装置与评价方法原理明确，运行维护及防护简便，测量时间短，提供了高效、安全的快速评价。

(2)双极脉冲电源系统给强流脉冲磁绝缘离子二极管系统供电，导致二极管阳极爆炸电子发射形成固体离化碳、铝等离子体或气体离化氢、氘、氦、氮、氧、氩等离子体，并引出离子束；结合强流脉冲电子栅极系统实现离子的高效率中和，利用束流测控系统检测中和比例，获得原子占比80～100％、动能0.1～1MeV、脉冲宽度120～160ns的脉冲辐照剂量10

(3)依据高能原子与中子辐照试样的初级离位原子(PKA)能谱相似性，选择原子种类、原子占比与动能参数，以及脉冲剂量与脉冲次数，实现单脉冲或多脉冲的中子辐照模拟；利用模拟中子辐照的热效应，通过原位差热分析系统测量辐照试样的温度变化规律，计算辐照试样冷却过程的热能损失功及热辐射功变化，获得试样辐照缺陷的退火回复能，确定模拟中子辐照的缺陷数量和密度，评价材料辐照性能。

附图说明

图1是基于强流脉冲离子束的中子辐照模拟装置的整体构成示意图。

图2是基于强流脉冲离子束的中子辐照模拟装置的主要测控单元构成示意图。

图3是采用弧柱面聚焦结构的空心阳极强流脉冲离子源的中子辐照模拟装置示意图。

图4是采用平面结构的空心阳极强流脉冲离子源的中子辐照模拟装置示意图。

图中：1、双极脉冲电源，2、强流脉冲磁绝缘离子二极管系统，3、强流脉冲电子栅极系统，4、束流测控系统，5、原位差热分析系统，6、脉冲电压测量模块，7、离子束流测量模块，8、电子束流测量模块，9、原子与离子混合束流测量模块，10、中和比例分析模块，11、辐照试样原位测温模块，12、辐照缺陷原位差热分析软件模块，13、强流脉冲原子束，14、试样，15、BaF

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步说明本发明的细节：

图1、2分别给出了强流脉冲离子束的中子辐照模拟装置的整体构成和主要测控单元构成的示意图。该装置的高能脉冲原子束产生主要由双极脉冲电源1、强流脉冲磁绝缘离子二极管系统2、强流脉冲电子栅极系统3、束流测控系统4四个部分构成，通过各部分的联合操作与控制，获得一种可以模拟中子辐照的高能脉冲原子束，并通过原位差热分析系统5完成对待测材料辐照点缺陷的定量分析，从而实现材料在模拟堆内中子辐照条件下的辐照性能的快速评价。

束流测控系统主要由脉冲电压测量模块6、离子束流测量模块7、电子束流测量模块8、以及原子与离子混合束流测量模块9组成。其中，脉冲电压测量模块6采用水阻分压器测量二极管加速电压；离子束流测量模块7采用法拉第杯测量离子束流密度；电子束流测量模块8采用无偏转磁场或电场的法拉第杯测量电子中和后的电子束流密度，与中和束残留离子束流密度的绝对值相加，获得中和束的总电子束流密度；原子与离子混合束流测量模块9采用红外热成像法测量，中和比例分析模块10通过公式

原位差热分析系统5主要由辐照试样原位测温模块11、辐照缺陷原位差热分析软件模块12组成，其中，辐照试样原位测温模块11包括选定厚度的待测箔片试样14、BaF

实施例1

采用动能为220keV强流脉冲氮原子束对Fe试样进行2.0MeV中子模拟辐照性能测试，脉冲能量密度控制在1～4J/cm

1)试样准备：将纯Fe加工为直径10mm、厚度0.1mm的圆形箔片试样，在其背面均匀喷涂一层厚约10μm黑色哑光漆，采用直径为0.05mm的不锈钢细丝固定，选择大于试样的聚焦原子束辐照束斑面积，保证束流的均匀辐照，且热传导的热能损失可以忽略；

2)辐照实验：根据所需氮原子和离子种类，选取弧柱面聚焦结构的空心阳极强流脉冲离子源，二极管阳极材料为AISI 304不锈钢，在本底真空度2×10

3)原位差热分析：脉冲束辐照过程的缺陷产生及伴随冷却过程显现的退火回复过程，导致了不同试样输入热能与热辐射耗散能之间存在差异性，将红外测温仪记录的数据导入辐照缺陷原位差热分析软件进行处理，得出1～4J/cm

4)辐照性能评价：利用辐照缺陷原位差热分析软件，定量计算脉冲辐照纯Fe的缺陷密度，Fe原子移位能E

实施例2

采用动能为220keV强流脉冲氮原子束对Ni试样进行2.0MeV中子模拟辐照性能测试，脉冲能量密度控制在0.5～1J/cm

1)试样准备：将厚度0.1mm纯Ni箔片加工为长50mm、宽30mm的试样，在其背面均匀喷涂一层厚约10μm黑色哑光漆，采用直径为0.1mm的不锈钢细丝固定，选择大于试样的非聚焦原子束辐照束斑面积，保证束流的均匀辐照，且热传导的热能损失可以忽略；

2)辐照实验：根据所需氮原子和离子种类，选取平面结构的空心阳极强流脉冲离子源，二极管阳极材料为AISI 304不锈钢，在本底真空度2×10

3)原位差热分析：脉冲束辐照过程的缺陷产生及伴随冷却过程显现的退火回复过程，导致了不同试样输入热能与热辐射耗散能之间存在差异性，将红外测温仪记录的数据导入辐照缺陷原位差热分析软件进行处理，得出0.5～1J/cm

4)辐照性能评价：利用辐照缺陷原位差热分析软件，定量计算脉冲辐照纯Ni缺陷密度，Ni原子移位能E

实施例3

采用动能为220keV强流脉冲碳原子束对Ti试样进行1.8MeV中子模拟辐照性能测试，脉冲能量密度控制在1～4J/cm

1)试样准备：将纯Ti加工为直径10mm、厚度0.1mm的圆形箔片试样，在其背面均匀喷涂一层厚约10μm黑色哑光漆，采用直径为0.05mm的不锈钢细丝固定，选择大于试样的聚焦原子束辐照束斑面积，保证束流的均匀辐照，且热传导的热能损失可以忽略；

2)辐照实验：根据所需氮原子和离子种类，选取弧柱面聚焦结构的实心阳极强流脉冲离子源，二极管阳极材料为石墨，在本底真空度5×10

3)原位差热分析：脉冲束辐照过程的缺陷产生及伴随冷却过程显现的退火回复过程，导致了不同试样输入热能与热辐射耗散能之间存在差异性，将红外测温仪记录的数据导入辐照缺陷原位差热分析软件进行处理，得出1～4J/cm

4)辐照性能评价：利用辐照缺陷原位差热分析软件，定量计算脉冲辐照缺陷密度，Ti原子移位能E

实施例4

采用动能为250keV强流脉冲碳原子束对核级AISI304奥氏体不锈钢试样进行2.0MeV中子模拟辐照性能测试，脉冲能量密度控制在1～4J/cm

1)试样准备：将核级AISI304奥氏体不锈钢加工为直径10mm、厚度0.1mm的圆形箔片试样，在其背面均匀喷涂一层厚约10μm黑色哑光漆，采用直径为0.05mm的不锈钢细丝固定，选择大于试样的聚焦原子束辐照束斑面积，保证束流的均匀辐照，且热传导的热能损失可以忽略；

2)辐照实验：根据所需氮原子和离子种类，选取弧柱面聚焦结构的实心阳极强流脉冲离子源，二极管阳极材料为石墨，在本底真空度5×10

3)原位差热分析：脉冲束辐照过程的缺陷产生及伴随冷却过程显现的退火回复过程，导致了不同试样输入热能与热辐射耗散能之间存在差异性，将红外测温仪记录的数据导入辐照缺陷原位差热分析软件进行处理，得出1～4J/cm

4)辐照性能评价：利用辐照缺陷原位差热分析软件，定量计算脉冲辐照缺陷密度，Fe基材料原子移位能E