高產額中子管

套用於中子輻射成像的高產額中子管，由於其內部結構複雜和高中子產額、強束流，對引出的束流品質和離子光學系統設計要求嚴格。在強束流、高產額條件下工作，離子源和靶極的散熱設計也極為苛刻。國內外進行高產額、長壽命中子發生器研製一般向兩個方向發展，一是利用小束流適當降低產額、小型化、DT 混和自成靶，以提高使用壽命，最主要的套用是在石油測井和其它需要使攜式中子發生器的地方；另一種是大的靶面積、自成靶以實時補充消耗的DT混和氣體，利用大束流、靶散熱、多級加速系統、甚至帶有真空泵以維持中子管內部真空。 一種高產額中子管，由離子源，加速電極、錐形靶及氣壓調節元件組成，高產額中子管引出束流要達到mA量級，離子源離子流有幾十mA，對離子源陰陽極間隙、電磁場分布、絕緣、離子濺射、散熱等都需要最佳化發計和進行大量實驗驗證，以滿足結構尺寸要求和一定強度高品質束流的技術指標。

基本介紹

• 中文名：高產額中子管
• 外文名：high yield neutron tube
• 所屬學科：物理
• 組成部分：離子源，加速電極、靶等
• 相關概念：中子管，產額，離子源等

產額與束流的計算

中子管的最終產額與靶中離子射程內的氚濃度緊密相關。中子管在存放和工作過程中氚濃度不斷遭到損失，在一定充氚條件下，氚粒子濃度在靶膜中並非均勻分布，而隨膜厚形成某種分布。設氚在膜層中的飽和濃度為n_s，在整個膜層中均勻分布時，則濃度分布為一直線。如下圖a所示。但由於吸附、擴散、滲透及表面脫附等物理過程的影響，實際分布將可能如下圖b中曲線所示。參與核反應的氚僅是靶膜表層一倍射程之內的氚。假設由於核反應、脫附、氘離子稀釋、離子濺射等因素，使靶表面氚濃度下降到n₀時，中子產額降低到最低限值，此時靶膜深度的氚會緩慢向外擴散形成新的濃度分布。若沒有外部的氚實時向靶中補充消耗掉的氚，則只有氚濃度高於曲線c的部分才能對額定產額有貢獻。這樣的氚靶其氚的利用率非常低，而稀釋的速度又很快，其壽命必然很短，預製氚靶就屬於這樣一種類型。

圖1 靶膜中氚濃度隨膜厚的假想分布

a：均勻飽和分布；b：初始分布；c：壽命終結時分布。

離子源

在小型測井中子管和其它小型中子管中採用的penning 離子源由於結構簡單、工作氣壓低、供電系統簡單、工作可靠等優點等到了廣泛的套用，但其電離後的單原子離子所占比例低，要獲得高產額中子所需束流大、離子濺射和二次電子發射嚴重，對靶散熱、高壓電源提出較高要求。

RF 射頻離子源屬於無極放電，不存在絕緣問題，結構也相對簡單，工作氣壓較高，單原子比例在85%以上，但存在離子源電源功率和工作網路頻率匹配難調的問題。

LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)在1998 年發表的文章中介紹了一種套用於活化分析的攜帶型中子發生器用RF脈衝離子源，在100kV 加速電壓下獲得的中子產額在10⁹-10¹⁰n/s。離子源放電室直徑50mm，頻率2MHz，工作氣壓0.5Pa 左右，2mm引出孔引出最大峰值束流約37mA，單原子離子比例最高達到94%左右。

圖2（a）LBNL研製的RF脈衝離子源引出的束流值

圖2（b）LBNL研製的RF脈衝離子源引出的離子成分

離子光學系統

離子光學系統包括離子的引出、聚焦、加速和擴散等過程，要使束流達到mA 量級的離子較均勻地入射靶面，單極加速系統實現起來相當困難。採用多級加速對束流進行不斷的調製後可以儘可能地實現束流均勻轟擊靶面。LBNL 在2005 年發表文章中介紹了的D-D 中子管多級加速系統，其採用靶接地結構，以方便對靶實行冷卻。採用多級加速、靶接地設計，則需要離子源和加速電極等電位，須採用隔離變壓器技術和其它高壓電源技術設計，設計電源難度較大。

在設計中，在不降低技術指標的要求下，擬採用較簡單的單極加速系統，對工藝裝配生產和高壓電源製作要求相對低一些，對工藝和研製成本的控制有好處，也有助於減小整個系統的體積，利於工業化使用。

圖3高產額中子管中設計的單極加速系統

靶結構及散熱設計

中子管中一般採用兩種類型的靶即預製氚靶和自成靶，預製氚靶具有初始產額很高，但由於沒有氚的補充，使用一段時間後產額會逐漸下降，使用壽命較短。自成靶在工作幾小時後，消耗的氚與補充的氚達到平衡狀態，其產額穩定度好，工作壽命也較長。

一般產額在10⁸n/s 的中子管，對靶進行散熱設計，不需要額外的冷卻；而設計10⁹-10¹⁰n/s的高產額中子管為防止靶溫過高，須解決靶子的散熱問題，一般需要加如水冷或油冷的散熱設計，

為在一定尺寸下擴大靶的利用面積，一般還採用凹面靶設計技術，在直徑不變的情況靶子的表面積可以擴大一倍或更多。

為防止離子濺射、減輕電源負載和提高中子管工作的穩定性需要對靶面反應產生的二次電子進行抑制，可以通過外加電場或磁場的方式來解決。

要達到中子管長壽命工作要求，需要實時補充靶中氚的消耗，則要採用D、T 混和自成靶技術，以延長中子管的使用壽命。在小直徑靶面進行離子聚焦和散熱設計也很困難，初期擬採用單極加速系統進行試驗，對束流在靶上的分布進行仿真和試驗驗證結合的辦法，以最佳化離子光學設計。

對離子源設計擬採用penning離子源和RF源兩種結構，通過試驗考證兩種離子源在中子管中的優缺點，選用一種較優的設計。

圖3

圖4