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《中國工程物理研究院》 2019年
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中子管中離子束束流品質影響因素的數值模擬研究

孟曉慧  
【摘要】:緊湊型中子管是一種小型、加速器型中子發生器,由于具有的例如高産額、長壽命、便攜等優點,具有非常廣闊的應用前景,成爲國內外的研究熱點。緊湊型中子管的主要組成部门爲真空弧離子源、等離子體擴散區、抽取加速系統以及靶系統。其中氘離子離子從離子源中由真空弧放電産生,經擴散均勻後在抽取加速系統電場作用下被抽取成束且不斷受到加速後抵達靶面,與靶中氚核發生核反應生成中子。中子産額不僅取決于入射氘離子束能量(受DT反應截面影響),還與束流品質、束流強度以及待轟擊靶的狀態等紧密相關。百keV量級的氘離子束流轟擊含氚金屬靶膜外貌,不行幸免地會産生二次電子,而由于荷質比的原因,二次電子電流不僅會大大增加加速電源的負載而且可能會反轟損壞抽取柵網,因此通凡人們會接纳加弱反向電壓屏蔽筒或屏蔽網等方法來加以抑制,這是一個由外電路所描述的動態過程。由于靶膜中的氚元素具有天然放射性,會自發地衰變成氦原子,而氦原子除少量會通過早期氦釋放從靶膜逃逸出來形成本底氣體以外,大多數氦原子會在靶膜中遊離並在缺陷處會聚成氦泡而被“固化”在靶膜中。當具有100keV左右能量的氘離子轟擊靶外貌時,除了會産生二次電子效應以外,同時還會擊破膜面附近的氦泡導致大量原來被固化在膜內的氦原子快速釋放出來。而這些釋放出來的氦原子會與加速進行中的氘離子通過彈性碰撞、電荷交換、電離等反應而使其偏離原軌迹無法正常抵達靶面、變成中性粒子而無法得到加速或者無法在有限的加速區內獲取足夠的能量(導致産率降低),從而降低束流的品質,進而減少中子産額。針對這兩個動態過程,本文基于數值模擬的方法對其進行了分析研究。構建了緊湊型中子管中的簡化的離子發射加速模型,通過加入外加電路模型動態模擬了在加速電源作用下離子束從發射、加速到轟擊靶面産生二次電子(及其在電場作用下運動、耗能等)的整個物理過程,研究了二次電子對氘離子束流品質的影響。使用在加速區外加電路模型,動態研究了二次電子發射及其運動對加速電壓以及離子束束流品質影響規律。結果表明,當有55.44mA的二次電子電流産生時,加速電壓會下降45.135%,離子束束流品質隨之下降,離子打在靶面的能量也隨之下降。隨後,引入屏蔽筒,即在靶面和屏蔽筒間引入線性電阻,研究了弱反向電場抑制二次電子的效果。模擬結果表明,該方法可以起到良好的抑制效果,可以通過改變抑制電壓的大小來利用抑制效果。同時構建加速區離子束碰撞模型,氘離子束在加速過程中小斷地與早期釋放的本底氦原子發生彈性碰撞、電荷交換以及電離反應,並在最終轟擊含氚金屬靶膜時導致氦泡破裂釋放出大量氦原子(類似于轟擊釋氣),從而考察靜、動態釋氣對氘離子束加速、品質的影響。模擬結果表明,粒子與氦原子碰撞發生上述反應後,到靶離子數量會有所減小,設定模擬條件下束流減小0.26%,離子束束流品質降低,打在屏蔽電極上的離子數量增加。二次電子以及靶面氦釋放對緊湊型中子管的影響不行忽視,本文的研究結論爲改善中子管的性能以及更精細的設計奠定了基礎。
【學位授予單位】:中國工程物理研究院
【學位級別】:碩士
【學位授予年份】:2019
【分類號】:TL50;O571.53

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