黃繼鵬，喬 雙

(東北師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

中子管是將離子源、加速系統(tǒng)、靶以及氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)密封在一個(gè)陶瓷或玻璃管內(nèi)，形成一個(gè)小型的特種電真空器件[1-3]。

目前，以PIG源為離子源生產(chǎn)的中子管普遍采用引出正離子的方式[4-5]，在靶端加-60 kV～-120 kV的負(fù)高壓將離子源產(chǎn)生的氘離子和氚離子加速，與靶發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生中子。在離子束流被加速過(guò)程中，包圍靶的法拉第筒表面易形成電子的場(chǎng)致發(fā)射點(diǎn)。這些電子有些打向陶瓷壁，造成陶瓷外殼絕緣性能下降；有些打向加速間隙的地電極，形成暗電流，對(duì)高壓電源產(chǎn)生不利影響。在引出的離子束流中含有單原子離子、分子離子、三原子離子等，而分子離子、三原子離子的速度的平方是單原子離子的1/2和1/3，對(duì)中子產(chǎn)額的貢獻(xiàn)很小。另外，不銹鋼材料中的碳及陶瓷材料中的氧也可形成正離子，并被加速，對(duì)中子產(chǎn)額無(wú)貢獻(xiàn)。但這些無(wú)貢獻(xiàn)或貢獻(xiàn)小的重離子打到靶上引起濺射，使靶材料有較大消耗，縮短了靶的壽命，導(dǎo)致中子產(chǎn)額快速減小。重離子打到靶上還會(huì)產(chǎn)生二次電子，這些電子若進(jìn)入離子源，會(huì)破壞離子源的工作狀態(tài)，產(chǎn)生雪崩放電等嚴(yán)重后果，因此，須通過(guò)加偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)或其他方法抑制二次電子。

PIG負(fù)離子源可產(chǎn)生氘、氚的負(fù)離子，在靶上加正高壓可引出束流。多原子負(fù)離子存在時(shí)間較短[6-7]，引出的比例較小[5]，在去除引出束流中電子的情況下，引出束流多為單原子負(fù)離子，打到靶上產(chǎn)生中子的束流利用率可達(dá)80%以上。因此，本文設(shè)計(jì)一種適用于中子管的PIG負(fù)氫離子源，并對(duì)其束流引出進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，給出磁場(chǎng)、陰極材料及離子源的離子發(fā)射孔對(duì)引出負(fù)氫離子束的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

用于產(chǎn)生負(fù)氫離子的PIG源及束流引出系統(tǒng)如圖1所示。源的外形尺寸為φ48 mm×50 mm，源的磁場(chǎng)由φ16 mm×18 mm～φ22 mm×24 mm的SmCo磁鋼產(chǎn)生，不同尺寸的磁鋼均可在對(duì)陰極和引出陰極之間產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度不小于0.15 T的平均約束磁場(chǎng)。磁感應(yīng)強(qiáng)度從對(duì)陰極到引出陰極逐漸下降，呈單端發(fā)散型。因此，在引出陰極表面存在與表面平行、磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.02 T的橫向磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)可有效抑制電子從引出陰極孔逸出。通常，引出束流中電子僅占30%左右。引出束流中電子通過(guò)設(shè)置在離子源下方的磁過(guò)濾器和收集電極去除。兩陰極間距12 mm，對(duì)陰極為φ12 mm×5 mm的圓盤(pán)，引出陰極尺寸為φ12 mm×4 mm，其上開(kāi)有φ(3～5)mm的束流引出孔。在磁過(guò)濾器的下方設(shè)置一平面引出電極。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將整個(gè)裝置放置在真空系統(tǒng)中。

圖1 永磁鋼軸向引出PIG離子源

2 負(fù)氫離子產(chǎn)生機(jī)理

負(fù)離子的產(chǎn)生通常有兩種方式——發(fā)生在放電室的空間過(guò)程和發(fā)生在電極的表面過(guò)程。

2.1 空間過(guò)程

由于永磁PIG源的氣體放電形式為有磁場(chǎng)約束的冷陰極輝光放電，維持冷陰極輝光放電的電子流主要由離子轟擊對(duì)陰極和引出陰極產(chǎn)生。并且，這一電子流在磁場(chǎng)約束下在對(duì)陰極和引出陰極間振蕩，并與工作氣體氫頻繁碰撞，使氣體分子激發(fā)和電離，形成富含激發(fā)態(tài)分子和離子的低溫等離子體。電離形成的正離子向兩個(gè)陰極運(yùn)動(dòng)，而陰極附近的電子能量約為0至數(shù)十eV，這一能量范圍非常適于電子與激發(fā)態(tài)氫分子或氫分子離子碰撞形成負(fù)氫離子的空間過(guò)程。隨著電子逐漸靠近陰極，其能量逐漸降低，負(fù)氫離子主要通過(guò)氫分子及離子的離解復(fù)合形成，反應(yīng)式為：

(1)

H-+H

(2)

(3)

2.2 表面過(guò)程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 磁場(chǎng)的影響

由于實(shí)驗(yàn)所用的PIG源采用SmCo磁鋼產(chǎn)生磁場(chǎng)，所以，離子源磁場(chǎng)的改變只能通過(guò)更換不同尺寸的磁鋼實(shí)現(xiàn)。隨著磁鋼的直徑和長(zhǎng)度的增加，兩陰極間的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，磁場(chǎng)分布也隨之有所改變。實(shí)驗(yàn)中，在相同電場(chǎng)內(nèi)，引出束流中電子和負(fù)氫離子、多原子負(fù)氫離子所受的電場(chǎng)作用力相同，由于電子與負(fù)氫離子、多原子負(fù)氫離子的質(zhì)量差異較大，所受洛倫茲力最大，在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)半徑較小，偏轉(zhuǎn)最嚴(yán)重，磁過(guò)濾器選用表面磁感應(yīng)強(qiáng)度0.02～0.03 T的一對(duì)磁鋼，收集電極電壓0～5 kV連續(xù)可調(diào)，可保證有效去除引出束流中的電子，對(duì)負(fù)氫離子的運(yùn)動(dòng)軌跡影響較小。離子源的電離電流保持在400 μA不變，束流引出孔φ4 mm，4種不同尺寸的磁鋼部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。

由表1可見(jiàn)，在一定的放電電流下，當(dāng)引出電壓一定時(shí)，引出電流隨磁鋼尺寸的增加而增大；磁場(chǎng)一定時(shí)，引出束流強(qiáng)度隨引出電壓的增加而增大。這種現(xiàn)象可由兩陰極附近磁場(chǎng)增強(qiáng)而使被約束在其鄰域的電子密度增加導(dǎo)致負(fù)氫離子形成概率增大來(lái)解釋。若固定引出電壓，改變放電電流，隨著磁場(chǎng)增強(qiáng)，引出負(fù)氫離子的束流強(qiáng)度也顯著增大。

表1 負(fù)氫離子的束流強(qiáng)度隨磁場(chǎng)的變化

3.2 陰極材料的影響

在冷陰極PIG離子源中，放電是由對(duì)陰極和引出陰極被離子轟擊產(chǎn)生的二次電子來(lái)維持的。陰極的二次電子發(fā)射系數(shù)越大，不僅放電越易于形成和穩(wěn)定，且負(fù)氫離子的產(chǎn)額也越高。實(shí)驗(yàn)中使用的離子源束流引出孔直徑4 mm，離子源的電離電流保持400 μA不變，在不同的引出電壓下，不同陰極材料的引出束流測(cè)量結(jié)果列于表2。

表2 不同陰極材料引出束流強(qiáng)度與引出電壓的關(guān)系

由表2可知，陰極材料的引出束流隨引出電壓的增加而增大，隨二次電子發(fā)射系數(shù)的增大而增大。在以LaB6為對(duì)陰極與鋁、銅為引出陰極的組合中，由于LaB6對(duì)陰極的逸出功(2.3～2.7 eV)較低，在氫放電過(guò)程中，受離子轟擊、濺射，除放電室含有La外，引出陰極表面還可形成La薄層，這一薄層的作用與銫濺射負(fù)離子源中的銫原子層的作用相似，可降低引出陰極表面材料的逸出功，這不僅使引出陰極的二次電子的發(fā)射作用增強(qiáng)，有助于空間產(chǎn)生負(fù)氫離子的過(guò)程，且有助于表面負(fù)電離過(guò)程。因此，在采用LaB6對(duì)陰極的永磁PIG源中，無(wú)須注銫亦可產(chǎn)生較多的負(fù)氫離子。

3.3 引出陰極發(fā)射孔徑的影響

永磁冷陰極PIG離子源在引出正離子時(shí)，其引出陰極孔徑經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化為3 mm。引出負(fù)離子時(shí)，由于負(fù)離子被居于放電柱中心的密集電子流排斥，負(fù)離子一般集中在放電柱外圍。離子源中放電柱直徑通過(guò)離子源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的鉛玻璃觀察窗測(cè)量，通常為2 mm左右。因此，為引出較強(qiáng)的負(fù)氫離子束，引出陰極孔徑應(yīng)適當(dāng)增大。為驗(yàn)證這一點(diǎn)，在離子源的電離電流保持400 μA不變條件下，將引出陰極孔徑從3 mm變到5 mm，得到不同引出電壓下的束流強(qiáng)度示于圖2。從圖2可知，孔徑大的陰極引出的負(fù)氫離子流強(qiáng)度也大。但當(dāng)陰極孔徑為3、4 mm時(shí)，隨著引出電壓的增加，引出負(fù)氫離子流強(qiáng)度呈飽和趨勢(shì)或增勢(shì)變緩。當(dāng)陰極孔徑為5 mm時(shí)，負(fù)氫離子流強(qiáng)度隨引出電壓的增加顯著增大。

圖2 引出陰極孔徑對(duì)引出束流強(qiáng)度的影響

4 結(jié)語(yǔ)

離子源是中子管的核心部件，本文設(shè)計(jì)了一種中子管用PIG負(fù)氫離子源，并對(duì)離子源的磁場(chǎng)、不同陰極材料及引出陰極離子發(fā)射孔大小對(duì)引出負(fù)氫離子束流的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,為PIG負(fù)氫離子源中子管的研制提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分說(shuō)明該負(fù)氫離子源可用于制作性能指標(biāo)良好的中子管。顯然，通過(guò)加大系統(tǒng)真空抽速和引出電源功率，優(yōu)選陰極材料及其組合方式，適當(dāng)提高放電強(qiáng)度，加大陰極發(fā)射孔和提高引出電壓，由這種離子源引出更強(qiáng)的負(fù)氫離子束流是可行的?？深A(yù)見(jiàn)，未來(lái)使用這種離子源的中子管的產(chǎn)額、壽命、穩(wěn)定性等指標(biāo)會(huì)明顯提高。

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