采用潘宁负离子源中子管的结构设计及束流引出的实验研究

The project is based on the result that the Penning ion source can produce negative ions and the experience that the neutron tube with Penning positive ion source can be manufactured successfully by our institute. A new design scheme was brought forward for neutron tube with Penning negative ion source.On the situation of eliminating electrons from the eduction beam current, only negative ions of single atom will be genarated based on the proposed neutron tube, and the utilizing rate of the beam current can achieve 100%. Compared with conventional methods, it requires fewer D and T negative ions in producing the same field of neutrons, and costs considerably less sputtering demage on the target. In addition, it can prevent secondary electron emission from the target. So the problems of short life as well as poor stability in previous techniques will be resolved effectively by the proposed one. A special experimental flat was established to study the eduction structure, to find new method to eliminate electrons in eduction beam current and to increase the eduction beam curren. By the spectrum analysis technique and the measurement of eduction beam current, the density distribution law of negative ions at axis will be tried to open out. The key problems will be solved such as the structual design of PIG negative ion source for neutron tube, the form and intensity of electric and magnetic field to eliminate the electrons in eduction beam current. The discharge mechanism of PIG ion source can be illustrated and the discharge law can be opened out, so the result of this project will provide important theory and application value for the innovation and development of neutron tube and neutron generator.

本项目在潘宁离子源已被证实能够产生负离子和我们已有研制中子管的成功经验的基础上，拟将潘宁负离子源作为中子管的离子源，提出一种新的中子管实现方案。采用这种离子源的中子管在去除引出束流中电子的情况下，引出的都是单原子负离子，束流的利用率可以达到100%，产生相同产额中子所需的D、T负离子的量比较小，对靶的溅射损伤非常小，而且靶上不会产生二次电子，能够解决目前中子管寿命短、稳定性不高的问题。通过建立专用实验平台，研究负离子的引出结构、去除引出束流中电子的电磁结构及提高引出束流的方法。采用光谱分析技术结合引出束流的测量，揭示离子源轴向负离子密度分布规律。解决适合中子管用PIG型负离子源的结构设计和有效去除引出束流中电子的电场、磁场的形状及强度等关键技术问题。对进一步阐明PIG离子源的放电机理，揭示其放电规律，对中子管技术和中子发生器技术的创新和发展，具有重要的理论价值和应用价值。

由于PIG离子源具有结构简单、寿命长、功耗低等特点，而被广泛应用于小型加速器（如中子管）中。以往制作的中子管普遍采用引出正离子的方式，在引出的离子束流中含有单原子离 子、分子离子、三原子离子等，而后两种离子的速度平方是单原子离子的1/2 和1/3，对中子产额的贡献很小。另外，不锈钢材料中的碳、陶瓷材料中的氧也可以形成正离子，并被加速。这些重离子， 打到靶上引起溅射，使靶材料产生比较大的消耗，缩短了靶的寿命，同时使中子产额快速减小。重离子打到靶上还会产生二次电子，这些二次电子如果进入离子源，会破坏离 子源的工作状态，产生雪崩放电等严重后果，因此，必须采取措施抑制二次电子。采用PIG型负离子源，产 生氘（D）、氚（T）的负离子。靶上加正高压，在去除引出束流中电子的情况下，引出束流都是单原子负离子，产生中子的束流利用率可以达到100%，而且靶上不会产生二次电子，这项技术获得了发明专利。.在项目的执行过程中，我们设计一种适用于中子管的PIG型负氢离子源，并进行了仿真实验。在仿真实验的基础上建立了PIG型负离子源束流引出实验的试验台即离子源试验台，用该系统既可以做离子源实验，又可做束流引出与整形实验，是研制中子管的重要设备之一，这项技术获得了发明专利。利用束流引出与整形试验台，根据氢负离子产生的方式和条件，结合ＣＳＴ软件仿真实验，研究了阳极筒、阴极的结构及轴向磁场和阳极电压对引出束流的影响。确定在对阴极和引出孔附近区域存在氢负离子，而且是氢负离子密度比较大的区域。另外还设计了磁过滤器，将从PIG源引出束流中的电子过滤掉，仅让单原子负离子通过。 实验中，通过PIG负离子源产生20uA左右的氢负离子流，证实了负氢离子的存在及分布规律。用中子监测仪测量自成靶50mm负离子源陶瓷中子管的中子产额，结果表明在相同的束流下中子产额较传统正离子中子管高出一个数量级以上，产额有希望达到1E+10n/s，发表了6篇EI检索论文。在不增加靶上消耗功率的情况下，产额的大幅度提高为中子成像技术的发展奠定了良好的基础，课题组还做了小型中子成像系统后端的预研工作，即中子图像去模糊去噪工作，发表了5篇SCI论文。这项工作，会对未来基于中子管的小型中子成像系统的开发起到重要的促进作用，扩大中子管中子发生器的应用领域。