王　翠，喬　雙

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

中子管用三電極離子聚焦系統(tǒng)的仿真研究

王翠，喬雙

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

[摘要]建立了中子管三電極結(jié)構(gòu)的離子聚焦系統(tǒng)模型.利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)加速電壓、加速間隙等影響束流形狀的參數(shù)進(jìn)行了分析.通過(guò)改變加速間隙、加速電壓，得到了離子束聚焦位置和離子束在靶上分布面積的大量仿真數(shù)據(jù)，得出一些比較有價(jià)值的結(jié)論，這些結(jié)論對(duì)中子管加速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值.

[關(guān)鍵詞]軟件仿真；離子軌跡；聚焦；中子管

所有類(lèi)型的中子管都包含4個(gè)部分[1-2]：(1)產(chǎn)生離子的離子源；(2)引出、加速系統(tǒng)；(3)離子轟擊的靶；(4)起到密封和絕緣部分的陶瓷管殼.我們所用的中子管是一種小型加速器中子源，具有體積小、可關(guān)斷、中子發(fā)射量可控、中子發(fā)射方式可控及密封中子管的特點(diǎn).如今中子管在中子照相、中子治療、中子反恐、石油勘探、地質(zhì)和礦物勘探等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[3-6].不同應(yīng)用中子在靶上產(chǎn)生的區(qū)域面積直徑不同，中子照相用的中子管要求中子在靶上產(chǎn)生的區(qū)域面積直徑小于10 mm，而中子元素分析則要求大于10 mm[7].離子聚焦系統(tǒng)是中子管的主要構(gòu)成之一，它與離子源相連，通過(guò)系統(tǒng)中電極間的電場(chǎng)，并且從離子源的引出口引出束流.在電場(chǎng)的作用下，使其聚焦并形成一定發(fā)射角和散射角束流，轟擊到靶上.束流在靶上的分布情況直接影響到中子管的產(chǎn)額、使用壽命和熱穩(wěn)定性等重要指標(biāo).改變離子聚焦系統(tǒng)的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)以及空間的電場(chǎng)，可以改變束流的光學(xué)特性.因此通過(guò)調(diào)試束流的光學(xué)特性，就可以改變中子管的工作性能.本文使用CST仿真軟件研究了三電極離子聚焦系統(tǒng)中的離子束聚焦位置和離子束在靶上的分布面積隨電極之間的距離、電壓的變化情況，為今后中子管照相、中子管元素分析提供重要的參考.

1離子聚焦系統(tǒng)仿真的理論依據(jù)

圖1　加速電極模型

離子聚焦系統(tǒng)采用三電極軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu).對(duì)稱(chēng)軸設(shè)為Z軸，A電極為地電極，電位vA為0；b電極為引出正離子的電極，電位vb是負(fù)值；C電極為加速電極，起加速離子的作用，電位vC是負(fù)值(如圖1所示).通常情況下3個(gè)電極電位之間的關(guān)系為vA>vb>vC，這樣在3個(gè)電極之間建立起軸對(duì)稱(chēng)電場(chǎng)[8].L為A電極和b電極之間的加速距離，L1為b電極和C電極之間的加速距離，Z軸坐標(biāo)原點(diǎn)定在A電極孔中心.由于電極中心的孔徑比較小，所以只考慮中子管中心軸附近的電場(chǎng)分布即可，對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)、電位分布用Scherzer(謝而赤)公式表示[9]為：

(1)

(2)

其中：(1)式表示為A極板和b極板之間的電位分布；(2)式為b極板和C極板之間的電位分布.

如果只考慮一階近似，則近軸區(qū)域軸向和徑向電場(chǎng)強(qiáng)度為：

(3)

(4)

(5)

(6)

其中：(3)和(4)式為A極板和b極板之間的近軸區(qū)域軸向和徑向場(chǎng)強(qiáng)分布；(5)和(6)式為b極板和C極板之間的近軸區(qū)域軸向和徑向場(chǎng)強(qiáng)分布.

電場(chǎng)對(duì)正離子的作用力為：

fz=qEz=-qV′(Z)；

(7)

(8)

(9)

(10)

其中：(7)和(8)式為A極板和b極板之間的電場(chǎng)對(duì)正離子的作用力；(9)和(10)式為b極板和C極板之間的電場(chǎng)對(duì)正離子的作用力.由(8)和(10)式可看出，正離子所受徑向力fr和f1r的大小與v″(Z)成正比，而正離子所受力的方向由v″(Z)的符號(hào)來(lái)決定(因?yàn)閞總是正數(shù)).當(dāng)v″(Z)>0時(shí)，fr>0表示正離子受到遠(yuǎn)離軸的力，使離子束發(fā)散；當(dāng)v″(Z)<0時(shí)，fr<0表示正離子受到指向軸的力，使正離子束匯聚.

2三電極離子聚焦系統(tǒng)的仿真

CST(Computer Simulation Technology)是全球最大電磁場(chǎng)仿真軟件公司CST出品的三維全波段電磁場(chǎng)仿真軟件.CST成立于1992年，總部位于德國(guó)達(dá)姆斯塔特市，其軟件產(chǎn)品CST是專(zhuān)門(mén)面向3D電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)者的一款最有效的、精確的三維全波段電磁場(chǎng)仿真工具，它是覆蓋靜場(chǎng)、簡(jiǎn)諧場(chǎng)、瞬態(tài)場(chǎng)、微波毫米波、光波直到高能帶電粒子的全電磁場(chǎng)頻段的時(shí)域、頻域仿真軟件.并且包含7個(gè)工作室子軟件，集成在同一平臺(tái)上.可以為用戶(hù)提供完整的系統(tǒng)級(jí)和部件級(jí)的數(shù)值仿真分析[9].

本文采用CST中的粒子工作室的軟件包，用于分析和設(shè)計(jì)在加速帶電粒子束上的電磁場(chǎng)組件.利用CST軟件對(duì)三電極離子聚焦系統(tǒng)進(jìn)行模擬，可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和時(shí)間，獲得比較可信的數(shù)據(jù)，縮短開(kāi)發(fā)周期.針對(duì)不同的加速間隙、極板電壓進(jìn)行軟件仿真，通過(guò)對(duì)比找出并確定不同參數(shù)的改變對(duì)離子軌跡的影響[10].在圖1中設(shè)置：A電極是引出電極，直徑為34 mm，中間孔徑為5 mm的引出孔，厚度為1 mm；中間B電極的形狀與A電極相同；C電極為一個(gè)長(zhǎng)金屬桶電極即加速電極，直徑為22 mm，孔徑為10 mm，加速桶長(zhǎng)為45 mm，粒子的位置在A電極引出孔的圓心處.

2.1改變A極板與B極板間距離產(chǎn)生的影響

為了詳細(xì)說(shuō)明在不同加速間隙下，粒子的聚焦位置及離子束流在C電極靶上的分布面積，本文進(jìn)行了CST軟件仿真.仿真共采用了7組數(shù)據(jù)，固定A極板與C極板之間的距離為15 mm，改變B極板與A極板之間的距離，3個(gè)電極電壓分別為EA=0，EB=-20 kV，EC=-120 kV.A電極與B電極的加速間隙為1～7 mm，其他條件不變.

通過(guò)大量的仿真結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)：A極板與C極板之間距離保持15 mm不變，隨著B(niǎo)極板與A極板之間的距離逐漸增大，則B極板與C極板的距離逐漸減小，聚焦效果越來(lái)越明顯，聚焦點(diǎn)離A電極越來(lái)越近，離子束流在C電極靶上的分布面積越來(lái)越大，但是當(dāng)B電極與A電極距離增大到一定程度的時(shí)候，聚焦點(diǎn)的位置不發(fā)生顯著變化(如圖2所示).

圖2聚焦位置與A、B極板間距離的關(guān)系

2.2改變B極板電壓產(chǎn)生的影響

保持其他參量不變，固定A極板與C極板之間的距離為15 mm，當(dāng)A極板與B極板之間加速間隙為5 mm，EA=0，EC=-120 kV，只改變B極板的電壓值，電壓值分別為-5，-10，-15和-20 kV，B極板電壓的變化對(duì)粒子軌跡的影響如圖3所示.從圖3中的仿真結(jié)果可以看到，B極板電壓的改變，粒子聚焦變化明顯.通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著B(niǎo)極板電壓的減小，聚焦點(diǎn)離A極板越來(lái)越遠(yuǎn)，且離子束流在C板靶上的分布面積越來(lái)越小.

圖3　B極板電壓與聚焦位置的關(guān)系

2.3改變C極板電壓所產(chǎn)生的影響

保持其他參量不變，固定A極板與C極板之間的距離為15 mm，當(dāng)A極板與B極板之間加速間隙為5 mm，EA=0，EB=-20 kV，只改變C極板的電壓值，電壓值分別為-120，-100，-80和-60 kV.C極板電壓的變化對(duì)粒子軌跡的影響如圖4所示.從圖4中的仿真結(jié)果可以看到，粒子的聚焦變化明顯，通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著C極板電壓的增大，聚焦點(diǎn)的位置越來(lái)越遠(yuǎn)離A電極，且離子束流在C電極靶上的分布面積越來(lái)越小，聚焦效果越來(lái)越不明顯，.

圖4　C電極電壓與聚焦位置的關(guān)系

3結(jié)論

中子管的離子聚焦系統(tǒng)是中子管正常運(yùn)作的主要部分，本文主要針對(duì)的是潘寧離子源中子管的聚焦系統(tǒng)進(jìn)行了研究.首先對(duì)離子聚焦系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，導(dǎo)出了離子束聚焦、發(fā)散的條件.然后運(yùn)用CST軟件對(duì)潘寧離子源中子管的離子引出與加速系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在探索三電極離子聚集系統(tǒng)的聚焦面和聚焦位置的實(shí)驗(yàn)中取得了階段性的進(jìn)展.通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)，得到了比較有價(jià)值的結(jié)論：

(1)B極板與A極板的距離發(fā)生改變，對(duì)離子軌跡影響較大.離子束聚焦點(diǎn)的位置隨著B(niǎo)極板與A極板間距離的增大，而越來(lái)越靠近A電極.但兩極板之間的距離增大到一定程度時(shí)，聚焦點(diǎn)的位置變化不是特別明顯.

(2)隨著B(niǎo)極板與A極板距離的增大聚焦效果越明顯.離子束流在C電極靶上的分布面積隨著B(niǎo)極板與A極板距離的增大而增大.

(3)改變B極板電壓對(duì)粒子軌跡有明顯地影響.聚焦點(diǎn)的位置隨B電極電壓的減小而遠(yuǎn)離A極板，離子束流在C電極靶上的分布面積隨B電極電壓的減小而越來(lái)越小.

(4)改變C電極電壓對(duì)離子軌跡也有明顯地影響.聚焦點(diǎn)的位置隨C電極電壓的增大而遠(yuǎn)離A極板，離子束流在C電極靶上的分布面積隨C電極電壓的變化一致.

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(責(zé)任編輯：石紹慶)

The simulation research on ion focus system of three electrodes in neutron tube

WANG Cui，QIAO Shuang

(School of Physics，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

Abstract:Neutron tube three electrode structure model of ion focusing system was established.The computer simulation techniques have been used to simulate neutron tube in this paper.The process to analyse and calculate the acceleration voltage and acceleration gap of the neutron tube accelerator is based on CST analysis theory.Through a large number of simulating experiments data，The influence of acceleration gap and acceleration voltage on ion focus position and the distribution of the ion beam on the target area.That sums up some valuable conclusions shows important reference on Neutron tube to design of acceleration system.

Keywords:software simulation；particle trajectories；focus on the location；ion beam distribution area

[文章編號(hào)]1000-1832(2016)02-0099-04

[收稿日期]2014-12-14

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11275046，11305034)；國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2013YQ040861).

[作者簡(jiǎn)介]王翠(1989—)，女，碩士研究生；通訊作者：?jiǎn)屉p(1963—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事功率電子學(xué)、核電子學(xué)及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域研究.

[中圖分類(lèi)號(hào)]O 571[學(xué)科代碼]140·65

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.02.021