密封中子管氘-氘產(chǎn)額及二次電子抑制

劉國財，張培旭，劉志珍，李瑋瑛，楊洪廣

中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程研究所，北京 102413

中子管類似于加速器，它是把貯存器、離子源、加速系統(tǒng)和靶全部真空密封在陶瓷管內(nèi)[1]，構(gòu)成一支緊湊的真空器件(圖1(a))。其工作原理是氘貯存器(熱子)的電流增大時氘氣會釋放到真空系統(tǒng)中。當(dāng)離子源施加一定的陽極高壓時，離子源陰極表面少量的電子逸出并增殖，在離子源內(nèi)電場與磁場的作用下電子與氘氣碰撞產(chǎn)生大量的氘離子。帶正電的氘離子通過加速電極轟擊到靶上，當(dāng)靶上吸附氚的時候會發(fā)生D(T,n)4He反應(yīng)，產(chǎn)生能量為14.1 MeV的中子；當(dāng)靶上吸附氘時會發(fā)生D(D,n)3He反應(yīng)，產(chǎn)生能量為2.44 MeV的中子。與普通的同位素中子源相比，中子管中子產(chǎn)額高，能譜單色性好，γ射線本底低，體積小、質(zhì)量輕，可以隨時控制中子產(chǎn)生，同時中子管可以產(chǎn)生脈沖中子。隨著中子管技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到中子測井、物料分析、中子照相、爆炸物檢測、毒品檢測等各個領(lǐng)域[2-5]。

圖1 中子管結(jié)構(gòu)(a)及內(nèi)部控制參數(shù)(b)

中子管產(chǎn)額穩(wěn)定性是中子管面臨的一項難題。國內(nèi)中子管產(chǎn)額穩(wěn)定性一般在5%左右。中子管產(chǎn)額不穩(wěn)定對中子管的應(yīng)用具有一定的影響。秦愛玲等[6]表明采用閉環(huán)控制電路是中子管提高產(chǎn)額穩(wěn)定性的普遍手段，即通過中子產(chǎn)額反饋調(diào)節(jié)中子管的工作參數(shù)使產(chǎn)額達到穩(wěn)定。中子管工作參數(shù)會對產(chǎn)額有一定的影響。中子管的工作參數(shù)主要有熱子電流、陽極高壓及靶極高壓。如NT802型自成靶陶瓷中子管給出熱子電流與陽極電流關(guān)系[1]，熱子電流微小變化，陽極電流會發(fā)生很大變化，因此熱子電流對產(chǎn)額影響較大。徐紹曾[7]也指出熱子電流對中子管產(chǎn)額為單增函數(shù)。陽極高壓通過影響陽極電流及質(zhì)子比從而影響產(chǎn)額。質(zhì)子比與陽極高壓呈非規(guī)律性關(guān)系[8-10]，隨著陽極高壓升高，質(zhì)子比有增加也有減小[2]。靶極高壓通過影響反應(yīng)截面和靶流從而影響中子產(chǎn)額，徐紹曾[7]指出氘氚中子產(chǎn)額與靶極高壓呈二次方關(guān)系，魏寶杰[9]指出氘氚中子產(chǎn)額與靶極高壓呈指數(shù)關(guān)系，這主要是中子管結(jié)構(gòu)不同造成的。

中子管參數(shù)及結(jié)構(gòu)差異造成中子管的工作參數(shù)與產(chǎn)額關(guān)系呈非固定性關(guān)系，本工作擬對自制的D-D中子管的工作參數(shù)與產(chǎn)額進行研究，以得到中子管最佳工作參數(shù)范圍及其對產(chǎn)額的影響規(guī)律，為今后中子產(chǎn)額穩(wěn)定性的反饋調(diào)節(jié)提供依據(jù)。此外，中子管工作時氘靶靶面會產(chǎn)生大量二次電子，二次電子雖然對中子產(chǎn)額影響很小但是對中子管壽命[11]有一定的影響，因此本工作也進行中子管二次電子抑制實驗，以得到二次電子抑制最小電阻及電壓。

1 實驗部分

1.1 儀器和材料

D-D中子管、高精度電流源、高精度電壓源，自制；已標(biāo)定完成的長硼計數(shù)管，10 m的高壓控制線，10 m數(shù)據(jù)線，直流高壓發(fā)生器(直高發(fā))，He-3管(φ25 mm×700 mm)，聚乙烯慢化筒，阻值分別為3.0、4.5、6.6、8.7、13.3 MΩ的電阻，市售。

1.2 實驗方法

1.2.1中子產(chǎn)額標(biāo)定實驗 首先采用已標(biāo)定的長硼計數(shù)管對未標(biāo)定的He-3管進行相對標(biāo)定，得到He-3計數(shù)與中子產(chǎn)額關(guān)系曲線，其次移走長硼計數(shù)管利用已相對標(biāo)定的He-3管的計數(shù)對中子管的產(chǎn)額進行測量，建立中子產(chǎn)額與He-3管計數(shù)關(guān)系曲線。

1.2.2中子管工作參數(shù)對中子產(chǎn)額的影響實驗 中子管工作參數(shù)控制如圖1(b)所示，采用電流源給中子管提供熱子電流，熱子電流控制在0～900 mA；采用直流高壓發(fā)生器(直高發(fā))控制靶極高壓輸出，負高壓輸出范圍在0～-120 kV；采用高精度電壓源控制陽極高壓輸出，輸出范圍在0～3.0 kV。實驗測量裝置示于圖2，He-3管距離中子管0.75 m，He-3管外嵌套20 mm厚的聚乙烯慢化體。中子管置于φ70 mm的聚四氟乙烯桶內(nèi)，桶內(nèi)充入500 kPa的SF6絕緣氣體。桶下方與直流高壓發(fā)生器相連，控制靶極高壓輸出；桶的上方與熱子電流源及陽極高壓源相連，分別控制熱子電流及陽極高壓。采用控制變量方法分別研究不同工作參數(shù)下的中子管產(chǎn)額，建立工作參數(shù)與中子產(chǎn)額的關(guān)系曲線。

圖2 實驗裝置

1.2.3二次電子抑制實驗 二次電子抑制實驗裝置示于圖3。在加速電極與靶極之間加入一個抑制電阻，靶極電流(I)可以表示為：

圖3 二次電子抑制裝置

I=I1+I2+I3

(1)

式中:I1為氘離子轟擊加速電極產(chǎn)生的電流，μA；I2為氘離子轟擊氘靶產(chǎn)生的電流，μA；I3為氘離子轟擊氘靶時產(chǎn)生的二次電子電流，μA。中子管工作參數(shù)一定時，I1與I2總和保持不變，改變二次電子抑制電阻的阻值，靶極電流會隨著阻值改變而改變，靶極電流I的變化值等于二次電子電流I3的變化值。通過測量靶極電流的變化值，計算二次電子電流的變化值(ΔI3)。當(dāng)ΔI3不隨二次電子抑制電阻改變而變化時，表明此時二次電子完全被抑制。實驗時采用的二次電子抑制電阻分別為3.0、4.5、6.6、8.7、13.3 MΩ。

2 結(jié)果與討論

2.1 中子產(chǎn)額的標(biāo)定

研究中子管工作參數(shù)對產(chǎn)額影響前，需要對中子產(chǎn)額測量裝置He-3管進行標(biāo)定實驗。已標(biāo)定了BF3中子探測器在距離中子源1.2 m處的產(chǎn)額，BF3計數(shù)率與中子產(chǎn)額關(guān)系如式(2)。

Y=1×105N

(2)

式中：Y為中子產(chǎn)額，s-1；N為BF3計數(shù)率，s-1。

中子管在相同的工作參數(shù)下，同時對He-3管和BF3探測器進行計數(shù)，得到圖4(a)所示的BF3計數(shù)與He-3管計數(shù)關(guān)系曲線。根據(jù)式(2)將BF3計數(shù)轉(zhuǎn)化為中子產(chǎn)額，得到如圖4(b)所示的He-3管計數(shù)率與中子產(chǎn)額關(guān)系(式(3))。

(a)——BF3計數(shù)與He-3管計數(shù)關(guān)系，(b)——He-3管計數(shù)率與中子產(chǎn)額關(guān)系

Y=6 384.62N1+5 179.89

(3)

式中：N1為He-3管計數(shù)率，s-1。

2.2 工作參數(shù)對中子產(chǎn)額的影響

(1) 熱子電流對中子產(chǎn)額的影響

(a)：陽極高壓，kV：■——2.6，●——2.3，▲——2.2；(b)：■——第一次實驗，●——第二次實驗，▲——第三次實驗

(2) 陽極高壓對中子產(chǎn)額的影響

研究陽極高壓對中子產(chǎn)額影響時需要控制熱子電流和靶極高壓恒定?？刂瓢袠O高壓為-80 kV，熱子電流為305 mA。改變中子管陽極高壓的值，得到陽極高壓與He-3管計數(shù)(產(chǎn)額相對計數(shù))的時間曲線示于圖6(a)。由圖6(a)可知：隨著陽極高壓的增加，中子產(chǎn)額并非線性增加，當(dāng)陽極高壓穩(wěn)定時，中子管中子產(chǎn)額會出現(xiàn)產(chǎn)額下降的情況。同樣采用式(3)將He-3管計數(shù)(產(chǎn)額相對計數(shù))轉(zhuǎn)換為中子管的中子產(chǎn)額，得到圖6(b)所示曲線。由圖6(b)可知：中子產(chǎn)額與靶極電流變化趨勢一致。陽極高壓從1.0 kV升高到2.6 kV時，中子產(chǎn)額先增加后趨于穩(wěn)定然后再升高。造成陽極高壓與中子產(chǎn)額非線性的原因主要是陽極高壓對陽極電流的影響是非線性的。根據(jù)中子管封裝前期實驗數(shù)據(jù)可得，陽極高壓與陽極電流關(guān)系曲線示于圖7。由圖7可知：陽極高壓主要通過陽極電流影響中子產(chǎn)額，而質(zhì)子比也會隨著陽極高壓變化而變化，但是影響不大。因為從圖6(b)結(jié)果可知：陽極高壓在1.2～2.4 kV時，中子產(chǎn)額基本在6×104s-1上下范圍波動，而圖7中第三次實驗數(shù)據(jù)顯示陽極電流也是在50 μA左右波動；當(dāng)陽極高壓升高到2.6 kV時，圖6(b)中的中子產(chǎn)額增加將近2倍，圖7中的陽極電流也增加2倍。因此從整體來看，實驗所用中子管的陽極高壓對產(chǎn)額影響主要通過陽極電流影響中子產(chǎn)額，而質(zhì)子比影響較小。

熱子電流為305 mA，靶極高壓為-80 kV

■——第一次實驗，2.53×10-4 Pa；●——第二次實驗，2.23×10-3 Pa；▲——第三次實驗，3.04×10-3 Pa

中子管需要較高產(chǎn)額時陽極高壓需要超過2.2～2.6 kV(取決于熱子電流大小)。由于陽極高壓與中子產(chǎn)額的非線性關(guān)系，因此對中子產(chǎn)額穩(wěn)定性調(diào)節(jié)時應(yīng)避免調(diào)節(jié)陽極高壓。

(3) 靶極高壓對中子產(chǎn)額的影響

研究靶極高壓對中子產(chǎn)額影響時，需要控制熱子電流和陽極高壓恒定。控制陽極高壓為2.6 kV、熱子電流為300 mA及306 mA時，逐漸升高靶極高壓(從-50 kV升高到-90 kV)。當(dāng)靶極高壓穩(wěn)定后得到He-3管的計數(shù)，同樣根據(jù)式(3)將He-3管計數(shù)轉(zhuǎn)換為中子產(chǎn)額，得到結(jié)果示于圖8。由圖8可知：隨著靶極高壓的增加，中子產(chǎn)額逐漸增大。靶極高壓與中子產(chǎn)額關(guān)系曲線呈非線性增長趨勢。隨后采用厚靶產(chǎn)額計算方程研究靶極高壓對中子產(chǎn)額關(guān)系曲線，并與實驗數(shù)據(jù)進行對比。

熱子電流：■——306 mA，●——300 mA

對于氘氘中子管，氘鈦靶厚度為2 μm，需要采用厚靶中子產(chǎn)額計算公式(4)。

(4)

式中：Y(E0)為每個氘離子的中子產(chǎn)額，s-1；E0為入射氘離子初始能量，MeV；ND為氘靶中氘的體密度，cm-3；σD-D為氘氘反應(yīng)截面，bar(1 bar=100 kPa)；(dE/dx)TiD1.8為氘離子在氘鈦摩爾比為1.8的膜中的能量損失，keV·cm2/mg。靶極高壓會影響式(4)中的E0，即入射氘離子初始能量。本工作考慮入射氘離子初始能量=靶極高壓×電荷(e)。

式(4)中的氘氘反應(yīng)截面可以在核數(shù)據(jù)中心[12]得到。氘離子在氘鈦比為1.8的膜中的能量損失可以采用SRIM(stopping and range of ions in matter)計算得到。不同氘離子初始入射能量與能量損失關(guān)系示于圖9。圖9為不同的氘束流轟擊厚度為2 μm鈦膜、氘氣以及氘鈦比為1.8的氘鈦膜的能量損失結(jié)果。因此式(4)中的積分項可以采用反應(yīng)截面數(shù)據(jù)除以圖9中的數(shù)據(jù)并做積分。初始假設(shè)靶極高壓與束流密度成線性關(guān)系，與式(4)中的積分項相乘，得到中子產(chǎn)額的相對計數(shù)隨靶極高壓(入射氘離子初始能量)的變化趨勢，結(jié)果示于圖10，實驗得到的中子產(chǎn)額和靶極高壓的關(guān)系也示于圖10。由圖10可知，擬合數(shù)據(jù)的變化趨勢與實驗結(jié)果不符。因為靶極高壓與束流密度大小不是簡單的線性關(guān)系，又采用指數(shù)關(guān)系擬合，得到結(jié)果也不理想。由于靶極高壓與束流密度呈現(xiàn)復(fù)雜關(guān)系，很難精確得到中子產(chǎn)額與靶極高壓的關(guān)系式。因此對于不同結(jié)構(gòu)的中子管，其中子產(chǎn)額與靶極高壓具體關(guān)系需要依靠實驗數(shù)據(jù)擬合。對于中子產(chǎn)額穩(wěn)定性反饋調(diào)節(jié)時，理論上可以通過改變靶極高壓調(diào)節(jié)中子管中子產(chǎn)額。

■——Ti膜，●膜

圖10 中子產(chǎn)額實驗數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)對比結(jié)果

2.3 二次電子抑制實驗

中子管工作時，離子源產(chǎn)生的氘離子被加速電極引出，帶正電的氘離子在-100 kV的高壓電場下加速轟擊到氘靶上產(chǎn)生中子。離子束流轟擊到氘靶時會產(chǎn)生大量的二次電子，一部分二次電子會進入加速空間形成電子電流，電子電流疊加在離子束流形成總的靶流，電子電流不產(chǎn)生中子，但是消耗總功率，增加電源負載[13-15]。產(chǎn)生的二次電子在加速電場作用下會撞擊中子管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)材料，同時間接影響靶極氘束流品質(zhì)[16]。因此對于中子管的二次電子抑制不僅可以減少中子發(fā)生器的總功率，同時能適當(dāng)提高束流品質(zhì)提高中子管壽命。

目前中子管采用最多的抑制方法為電場抑制。如圖3所示在氘鈦靶與靶極高壓增加一個抑制電阻，通過控制陽極高壓為2 kV、靶極高壓為-100 kV、熱子電流為305 mA、陽極電流為300 μA，得到不同二次電子抑制電阻下的靶流情況示于圖11。將未添加抑制電阻作為對照組，與其他5組抑制電阻進行實驗對比。結(jié)果表明：隨著抑制電阻增加，總靶流減少，根據(jù)實驗方法中介紹總靶流減少量等于二次電子電流被抑制量。圖11中抑制率計算如式(5)。

實驗次數(shù)：——第一次，?——第二次

(5)

隨著抑制電阻阻值增加，二次電子產(chǎn)生的電流逐漸減少，當(dāng)阻值達到某一值時，靶流不再減少，表明二次電子全被抑制住。當(dāng)抑制電阻為3.0 MΩ時，抑制效果不明顯。當(dāng)抑制電阻為4.5 MΩ時，抑制率為12.50%。但是當(dāng)電阻阻值增加至8.7 MΩ時，二次電子抑制率達到37.50%，繼續(xù)增加抑制電阻為13.3 MΩ，抑制率仍為37.50%，說明抑制電阻為8.7 MΩ(抑制電壓403 V)時，二次電子完全被抑制，繼續(xù)增加抑制電壓(抑制電阻)抑制率不變。因此中子管二次電子最小抑制電阻為8.7 MΩ，抑制電壓為403 V。

3 結(jié) 論

研究了中子管的工作參數(shù)與中子產(chǎn)額的關(guān)系，為今后中子管中子產(chǎn)額穩(wěn)定性反饋調(diào)節(jié)提供依據(jù)。并通過實驗得到中子管二次電子抑制電阻與二次電子抑制率關(guān)系，得到以下結(jié)論。

(1) 中子產(chǎn)額隨著熱子電流增加而增加。在靶極高壓為-80 kV、陽極高壓為2.6 kV時，熱子電流最佳調(diào)控范圍為290～305 mA。

(2) 陽極高壓對中子產(chǎn)額影響呈非線性關(guān)系。靶極高壓為-80 kV、熱子電流為305 mA時，隨著陽極高壓升高，中子產(chǎn)額先在6×104s-1范圍波動，當(dāng)陽極高壓升高到2.6 kV時，中子產(chǎn)額迅速升高。陽極高壓主要通過陽極電流影響中子產(chǎn)額。當(dāng)中子管需要高產(chǎn)額時，需要調(diào)節(jié)陽極高壓高于2.6 kV。

(3) 靶極高壓越高，氘氘中子管中子產(chǎn)額越高，但是受到管體絕緣性要求，一般靶極高壓控制在-120～-100 kV。

(4) 自制D-D中子管二次電子抑制電阻為8.7 MΩ或抑制電壓在403 V時，二次電子能被完全抑制。