论文标题：New Mini Neutron Tubes with Multiple Applications

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-4362/5/3/14

期刊名： Journal of Nuclear Engineering

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/jne

在癌症治疗、材料分析、国土安全及空间探测等领域，紧凑、高效的中子源一直具有重要的应用价值。传统中子发生器通常采用正离子源，存在体积大、功耗高、副产物多等固有局限。美国加州大学伯克利分校核工程系的 Ka-Ngo Leung 教授在Journal of Nuclear Engineering 发表了题为《具有多种应用的新型微型中子管》的最新研究成果，提出了一种基于热解吸过程产生负氢/负氘离子的新型微型中子管，为开发小型化、高性能中子源开辟了新路径。

研究过程与结果

传统中子发生器依赖等离子体源提取正氘离子，存在分子离子占比高、二次电子产生X射线、系统复杂体积大等问题。针对这些不足，研究团队基于前期发现—钛箔在250°C下可通过热解吸过程发射大量H?/D?离子—开发了两种新型微型中子管结构：轴向型与同轴型。

轴向型中子管（如下图）由直径约2.5厘米、长约8厘米的玻璃管构成，一端为钛箔H?/D?离子发射极，另一端为靶电极。通过加热钛箔并引入氘气与铯蒸气，可产生高纯度D?离子束，经高压加速后与靶材发生核反应产生中子。同轴型结构则采用圆柱形发射极与靶电极，可进一步提高离子流密度，并通过多层同轴设计实现更高中子产额。

轴向型微型中子管结构示意图

研究详细探讨了通过不同靶材与核反应产生多种能量中子的方案：

•d-d反应：产生2.45 MeV中子，适用于术中放疗、皮肤癌治疗及测井孔隙度测量。

•d-¹⁰B反应：产生6 MeV中子，适用于碳封存监测、特种核材料探测及PET同位素11C生产。

•d-⁷Li反应：产生10与13 MeV中子，适用于快中子成像、医疗同位素（如225Ra）生产及聚变堆壁材料辐照研究。

•p-⁷Li反应：在近阈值能量下直接产生超热中子，可用于硼中子俘获治疗（BNCT）及99Mo同位素生产。

通过高频交流高压电源驱动，该微型中子管可在脉冲模式下获得极高的峰值中子产额。例如，在1 MV、10 mA、10%占空比条件下，d-d中子管峰值产额可达5×10¹⁰ n/s；在1 MV、250 mA连续波模式下，d-¹⁰B中子管产额可达1.8×10¹³ n/s，足以满足集装箱扫描等主动探测需求。

研究总结

本研究基于热解吸负离子发射原理，成功开发了轴向与同轴型微型中子管，实现了从几百keV到近2 MeV加速电压下的多能量中子输出。该系列中子管摒弃了传统等离子体源，体积与X射线管相当，操作简单，可在连续波或脉冲模式下提供高通量中子束流，在以下领域展现出广阔应用前景：

•医学：术中放疗、皮肤癌治疗、硼中子俘获治疗、PET同位素生产；

•资源勘探：碳封存监测、油气井孔隙度测量；

•安全检测：集装箱内特种核材料主动探测；

•能源与空间：快堆启动、聚变堆材料辐照研究、月球与火星探测。

未来，随着进一步微型化，该类中子管有望发展为手持式设备，类似便携式X光机，为质子及中子近距离治疗等新兴医疗手段提供技术支撑。该研究为紧凑型中子源的应用拓展与性能提升奠定了重要基础，展现了等离子体无源中子管在多学科交叉领域的巨大潜力。

期刊介绍

主编：Dan Gabriel Cacuci, University of South Carolina, USA

期刊创刊于2020年, 最新Impact Factor 1.2，CiteScore 2.6，是一个国际开放获取期刊，发表同行评审的论文。期刊涵盖了与核和辐射过程的科学和应用相关的原创研究、想法和进展。发文类型包括original research papers, reviews, communications, brief reports, opinions, technical notes, editorials等。

截至目前，Journal of Nuclear Engineering期刊已被Scopus, ESCI (Web of Science), EBSCO等数据库收录。