中子發(fā)生器的納秒脈沖聚束系統(tǒng)

周長庚 婁本超 邱 瑞 柯建林

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900）

中子發(fā)生器的納秒脈沖聚束系統(tǒng)

周長庚 婁本超 邱 瑞 柯建林

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900）

為了用飛行時間法精確測量中子能譜，從俄羅斯Efremov電物理所引進了一臺納秒脈沖中子發(fā)生器。該中子發(fā)生器采用聚束系統(tǒng)產(chǎn)生納秒脈沖束流，其中的納秒脈沖信號源、高頻聚束電源、負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備都是自主研制的。采用雙掃描技術(shù)解決了聚束電源電壓過高的問題，采用負(fù)反饋技術(shù)使納秒脈沖聚束系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作。為了測量納秒脈沖束流，研制了快脈沖同軸靶測量裝置，測得中子發(fā)生器的離子束流脈沖半高全寬為1.5 ns，脈沖重復(fù)頻率為1 kHz-4 MHz，束斑直徑為10 mm。由于采用了電子回旋共振離子源(Electron Cyclotron Resonance, ECR)，所以該中子發(fā)生器具有發(fā)射度小、能散小、無燈絲、可長時間連續(xù)工作的優(yōu)點，是中子物理研究的良好實驗平臺。

聚束，離子束流，納秒脈沖，中子發(fā)生器

納秒脈沖聚束系統(tǒng)對于研究核聚變過程的中子能譜是十分重要的。中子飛行時間法[1-3]是測量中子能譜最直接、最有效的方法，用此法測量的中子能譜能量范圍寬、精度高，主要關(guān)心幾個參數(shù)：一是譜儀的能量分辨率；二是中子能量范圍內(nèi)的中子計數(shù)ΔN。ΔN越大，信噪比越大，中子能譜的測量更精確。脈沖寬度盡可能窄也是重要的因素，納秒脈沖聚束是唯一可以保證中子束脈沖半高寬小于1.5ns的方法。

美國[4]、日本[5]等都研制了帶有納秒脈沖聚束系統(tǒng)的中子發(fā)生器。這些納秒脈沖中子發(fā)生器的脈沖半高寬在1.5-2 ns，脈沖中子產(chǎn)額約為103。中國原子能科學(xué)研究院建立600 kV中子發(fā)生器[6]納秒脈沖系統(tǒng)的脈沖半高寬約1.5 ns，脈沖束平均流強30μA（脈沖中子產(chǎn)額約為102），脈沖重復(fù)頻率1.5MHz，采用了高頻離子源。用反沖質(zhì)子法測量中子能譜下閾至50 keV時誤差很大，不能滿足開展精密物理實驗的需要。

中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所從俄羅斯Efremov電物理研究所引進了一臺納秒脈沖中子發(fā)生器。該中子發(fā)生器采用速調(diào)管（簡稱聚束筒）聚束系統(tǒng)產(chǎn)生納秒脈沖束流，其中納秒脈沖信號源、高頻聚束電源、反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)、納秒脈沖束測量系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備都是自主研制的。

納秒脈沖中子發(fā)生器離子束流脈沖半高全寬為1.5ns，脈沖重復(fù)頻率為1 kHz-4 MHz，脈沖束平均流強67 μA，束斑直徑為10 mm，每個脈沖的中子產(chǎn)額約為1×103。首次采用ECR離子源[7]作為高壓終端，與美國、日本等的同類中子發(fā)生器用離子源相比，優(yōu)點是發(fā)射度小、能散小、無燈絲、連續(xù)工作時間長。這些措施使納秒脈沖離子束波形更穩(wěn)定，連續(xù)工作時間更長。

1 納秒脈沖聚束系統(tǒng)工作原理

納秒脈沖聚束系統(tǒng)如圖1所示，主要由掃描板、聚束筒、切割器、掃描電源、聚束電源、直流偏移電源、納秒脈沖信號源、測控系統(tǒng)等組成。其工作原理是：在高頻掃描電壓的作用下，使連續(xù)的離子束流得到垂直于行進方向的不同速度，經(jīng)過切割器時被切割成一段段較寬的脈沖束(約40 ns)；在束傳輸通道中插入雙間隙聚束筒，利用速度調(diào)制，使原來均勻的離子束，經(jīng)過一段漂移距離后，出現(xiàn)密度的交變分量，某些晚出發(fā)的離子，以快的速度趕上早出發(fā)的離子，形成峰值較大、寬度較窄的納秒脈沖束(1.5 ns)。

圖1 納秒脈沖聚束系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic drawing of nanosecond beam bunching system.

2 納秒脈沖聚束系統(tǒng)關(guān)鍵部件的研制

2.1納秒脈沖信號發(fā)生器

納秒脈沖信號發(fā)生器的原理如圖2所示，信號發(fā)生器主要由寬帶存儲示波器、波形發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、計算機、信號測試接口、系統(tǒng)軟件組成。其工作過程為：通過計算機為波形發(fā)生器和函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)定三路固定頻率、固定信號幅度、固定相位差的高頻信號(1-8 MHz，5 V)，作為水平掃描、垂直掃描和聚束的激勵信號源，當(dāng)三組電源輸出信號的頻率、幅度、相位差發(fā)生變化時，這些變化經(jīng)信號測試接口接受并整形后送示波器，示波器把測定的波形進行模數(shù)變換后再反饋至計算機，計算機對信號進行分析并與原設(shè)定的信號進行比較，根據(jù)結(jié)果調(diào)整波形發(fā)生器和函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)置值，使水平掃描電源、垂直掃描電源和聚束電源的輸出信號保持穩(wěn)定。

圖2 納秒脈沖信號發(fā)生器的方框圖Fig.2 Block diagram of the nanosecond pulse signal generator.

2.2聚束電源

根據(jù)聚束理論[8]，理想的聚束狀態(tài)是聚束電源的頻率應(yīng)是掃描頻率的2倍，且式(1)中的聚束參數(shù)A=1。

式中，L為等效漂移長度，m；A為聚束參數(shù)；Vb為聚束電壓幅值，V；fb為聚束頻率，Hz；V0為加速電壓，V。

式(1)中fb與Vb成反比關(guān)系，聚束電源的頻率取決于掃描電源的頻率，掃描電源的頻率又取決于所需要的輸出脈沖束流的頻率和寬度。在實際應(yīng)用中，輸出脈沖束流的頻率有時要求在1 MHz以下。例如要求輸出脈沖束流的頻率為100 kHz，單掃描時，掃描頻率應(yīng)為100 kHz，聚束頻率為200 kHz，通過式(1)計算聚束電壓幅度將達(dá)到50 kV以上，如此高電壓的聚束電源不僅研制難度大，使用中也會出現(xiàn)與聚束筒的連接問題。為了解決這些問題，在設(shè)計中采用離子束雙掃描技術(shù)，即X掃描決定脈沖幅度和寬度，Y掃描決定脈沖頻率，且X方向掃描和Y方向掃描的頻率可以不一致。因此，聚束頻率只與Y掃描脈沖頻率有關(guān)，而與X掃描脈沖頻率無關(guān)。仍以輸出脈沖束流頻率100kHz為例，X掃描脈沖頻率設(shè)置為100 kHz，Y掃描決定脈沖頻率可固定為1 MHz，聚束信號的頻率為2MHz。根據(jù)式(1)計算得到，聚束電源電壓Vb幅度約為10 kV，比單掃描時聚束脈沖幅度降低了5倍。

高頻聚束電源主要由功率放大器、諧振電路、輔助電源、整流濾波電路、輸入激勵電路等組成，功率放大器是最關(guān)鍵部件。如圖3所示，功率放大器由四極陶瓷風(fēng)冷電子管為主，由于本功率放大器只放大單一頻率(8 MHz)的信號，因此放大器是C類放大器。器件型號為選用景光電工廠引進EIMAC公司技術(shù)生產(chǎn)的釷鎢陰極四極管4CX1500A，冷卻方式為強制風(fēng)冷。該管可工作于AB類或C類。4CX1500A燈絲獨特的結(jié)構(gòu)，使其具有很好的穩(wěn)定性、長壽命和通用特性。

圖3 功率放大器電路原理圖Fig.3 Schematic drawing of the power amplifier.

2.3負(fù)反饋系統(tǒng)

納秒脈沖聚束系統(tǒng)要求長期穩(wěn)定的工作，必須使整個系統(tǒng)處于系統(tǒng)的負(fù)反饋狀態(tài)下。負(fù)反饋技術(shù)的原理如圖4所示。控制軟件系統(tǒng)采用LabVIEW開發(fā)平臺[9]研制。系統(tǒng)軟件主要由主界面模塊和反饋模塊組成。

主界面模塊：軟件運行的主要執(zhí)行模塊，其功能是設(shè)置固定頻率、固定信號幅度、固定相位差，并以圖表形式顯示設(shè)定結(jié)果和反饋結(jié)果。

反饋模塊：該模塊將水平掃描電源、垂直掃描電源和聚束電源的輸出信號與設(shè)定值進行分析、比較、計算，得出實際值與設(shè)定值的偏差，用于波形發(fā)生器和函數(shù)發(fā)生器的調(diào)節(jié)。軟件系統(tǒng)按照三路電源分開獨立控制，保證三路信號間不產(chǎn)生相互制約。

帶天線傳感器的高頻高壓測試接口對高頻掃描電源、高頻聚束電源功率輸出信號取樣，以負(fù)反饋技術(shù)把測量信號回輸?shù)绞静ㄆ鳎仍O(shè)置、頻率、相位設(shè)置、比較、計算調(diào)整值由計算機完成，數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、頻率相位測量由寬帶示波器執(zhí)行，波形發(fā)生器產(chǎn)生所要求的正弦波。由于采用國際上最先進的波形發(fā)生器，頻率和幅度穩(wěn)定度達(dá)到了千分之一。

圖4 負(fù)反饋系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic drawing of the signal negative feedback system.

3 納秒脈沖束流測量及結(jié)果

納秒脈沖束流測量通常使用同軸靶。自行研制的同軸靶是一種電荷收集系統(tǒng)，它將離子流無畸變地轉(zhuǎn)換成電信號，它能正確反映脈沖離子流特性的裝置，可用來直接測量中子發(fā)生器的納秒脈沖束流。設(shè)計合適的同軸靶與測量儀器相連，就能避免出現(xiàn)波形失真、延遲與衰減等一系列的問題。

同軸靶的內(nèi)外筒直徑設(shè)計，根據(jù)同軸靶特性阻抗計算公式(2)來選取。同軸靶中間采用聚四氟乙烯材料，其余部分全部采用黃銅材料。

式中，Z0為特性阻抗，Ω；D為外筒的內(nèi)直徑；d為內(nèi)筒的外直徑；μr為同軸靶內(nèi)絕緣介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，真空中取1；εr為同軸靶內(nèi)絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)，聚四氟乙烯取2.3，中間采用聚四氟乙烯材料。

同軸靶的縫隙間距是指收集筒和屏蔽筒的間距。根據(jù)納秒脈沖技術(shù)指標(biāo)需求，進行縫隙間距的設(shè)計。設(shè)計完成的同軸靶測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。在同軸靶上測量到的納秒脈沖波形如圖6所示。

圖5 同軸靶測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of the coaxial target measuring system.

圖6 在同軸靶上測量到的納秒脈沖波形Fig.6 Nanosecond pulse waveform measured with coaxial target.

源到探測器的距離為195 cm。測量到的中子波形半高寬為1.00 ns。中子發(fā)生器納秒脈沖氘離子束流技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 納秒脈沖氘離子束流技術(shù)指標(biāo)Table 1 Nanosecond pulse deuterium ion beam technical index.

4 結(jié)語

建立的中子發(fā)生器納秒脈沖聚束系統(tǒng)具有脈沖中子產(chǎn)額高（達(dá)到每個脈沖產(chǎn)生1×103個中子）、脈沖重復(fù)頻率范圍寬(1 kHz-4 MHz)的特點。采用了ECR離子源的優(yōu)點是發(fā)射度小、能散小、無燈絲，可長時間連續(xù)工作在大脈沖束平均流強狀態(tài)(67μA)，且不需要經(jīng)常更換離子源中的部件。采用了雙掃描技術(shù)，降低了聚束電源電壓幅度。

1 Huber P, Lewanndowski F, Platlner R, et al. A time-of-flight spectrometer for fast neutrons[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1961, 14(3): 131-137

2 Sumita K, Takahashi A, Lidn T. Status of OKTAVIAN I and proposal for OKTAVIAN II[J]. Nuclear Science and Engineering, 1990, 106(2): 249-265

3 Pivarc J, Hlavac S. The multipurpose 14-MeV neutron source at Bratislava[J]. Nuclear Science and Engineering, 1990, 106(3): 266-278

4 Krizinger J J, Mcmrrray W R, Nuspliger R J. Versatile klystron bunching system for 5.5 MV Van de Graaff accerator[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1972, 101(3): 573-581

5 Anderson J H, Swann D A. A bunching and chopping system for the generation of short duration ion bursts[J]. Nuclear Instruments and Methods,1964, 30(1): 1-22

6 呂建欽, 謝大林, 全勝文, 等. 600 kV毫微秒脈沖中子發(fā)生器研制[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2003, 37(4): 376-380

LYU Jianqin, XIE Dalin, QUAN Shengwen, et al. Development of 600 kV ns pulse neutron generator[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2003, 37(4): 376-380

7 Voronin G, Solnyshkov D, Svinin M, et al. High current ECR ion source[J]. Nuclear Instruments and Methods, 2000, B161(2): 1118-1120

8 呂建欽, 全勝文. 北大4.5 MV靜電加速器束流脈沖化系統(tǒng)[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 1995, 29(2): 102-107

LYU Jianqin, QUAN Shengwen. Beam pulsing system for 4.5-MV electrostatic accelerator at Peking University[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1995, 29(2): 102-107

9 楊樂平, 李海濤, 楊磊. LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2005: 10-36

YANG Leping, LI Haitao, YANG Lei. Design and application of LabVIEW program[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2005: 10-36

CLCTL51

Nanosecond pulse bunching system of a neutron generator

ZHOU Changgeng LOU Benchao QIU Rui KE Jianlin
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, Chinese Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background:In order to accurately measure the neutron spectrum using time-of-flight method, a nanosecond pulse neutron generator is introduced from Efremov Institute of Electric Physics, Russia. Purpose: The nanosecond pulse ion beam current is generated by a bunching system. Some key equipments (nanosecond pulse signal source, high frequency bunching power supply, adjustment system of the negative feedback, etc.) are developed by ourselves for the localization of the components. Methods: The problem of high bunching power supply voltage is solved with bidirectional scanning technology. The negative feedback technology makes the nanosecond pulse bunching system of long-term stability. In order to measure the nanosecond pulse beam, a fast pulse Faraday cup measurement device is developed. Results: The Full Width at Half Maximum (FWHM) of the neutron generator ion beam pulse is 1.5 ns, and the pulse repetition frequency-range is 1 kHz-4 MHz, beam spot diameter is about 10 mm. Conclusion: Because the Electron Cyclotron Resonance (ECR) ion source is used in neutron generator, it has a number of advantages, such as small emittance, small energy divergency, no filament and long-time continuous working stability, which is a good experimental device for neutron physical research.

Bunching system, Ion beam, Nanosecond pulse, Neutron generator

TL51

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060205

周長庚，男，1956年出生，2001年于四川大學(xué)獲博士學(xué)位，研究員，從事核技術(shù)及應(yīng)用研究工作

2013-10-24，

2013-12-14