真空科学与技术学报杂志已发表格式范文参考
1.紧凑型ECR-DD中子发生器二次电子抑制研究
作者：廖晨伦;孟献才;李旭 ;李晨暄;谢亚红;曹小岗;徐伟;李辉;梁立振
作者单位：合肥综合性国家科学中心能源研究院;东华理工大学;中国科学院合肥物质科学研究院;中国科学院高能物理研究所
关键词：氘氘中子源;二次电子抑制;电阻抑制;磁场抑制
摘要:中子发生器在工作时，D +被加速轰击至钛靶，钛靶受到高能束流轰击的同时表面会产生二次电子，加重电源负载， 影响系统的稳定性。文章研究了不同电极结构对腔室温度、真空度和中子产额的影响。结果表明电极腰孔的形状会直接影 响二次电子从腰孔逃逸的数量，并进一步影响腔室壁温度，导致壁吸附气体的释放，提升高压打火的频率。模拟分析了二次 电子的传输路径，模拟显示靶面溅射二次电子一部分从腰孔溢出轰击在腔室壁，一部分溅射在电极内侧，少部分被反向加速 轰击在陶瓷窗上，模拟结果与实物痕迹相吻合。基于该结果开展了电阻与磁场两种方式下二次电子的抑制实验，结果表明采 用 30−68kΩ 的电阻能较好抑制二次电子，此时能在相对较小的电流下获得更高的中子产额；使用 1.3T 剩磁永磁铁在中心产 生约 100Gs 磁场，能实现二次电子的有效偏转，不影响中子产额的情况下电流下降约 23%，实现二次电子的抑制效果。总的 来说，在保证电极内部真空度的情况下，应尽量在电极壁开小孔或不开孔或采取有效的二次电子抑制措施，有助于提升中子 发生器的稳定性，进而延长其使用寿命。
中子源一般分为反应堆中子源、同位素中子源 和加速器中子源 [1]。反应堆中子源通过控制重核元 素裂变反应生成大量中子，核心优势在于中子注量 率高且能谱宽。然而，反应堆中子源的建设和运行 伴随高昂的成本与复杂的安全要求，相关的核废料 处理也是运行过程中不可忽视的问题。因此，为降 低成本并提升实用性，研究人员开发了小型加速器 中子源。该类型中子源利用电场加速氘或氚离子 撞击靶材，通过 DD 或 DT 核反应产生中子。相比 其他中子源，紧凑型 DD/DT 中子发生器不仅制造成 本低、周期短，还支持远程操作，具有较高的安全性， 同时提供的中子产额足以满足大多数科研和工业 应用的需求 [2]。
加速器中子源广泛应用于同位素生产 [3]、中子 照相 [4]、瞬发 γ 中子活化分析 [5]、硼中子俘获治疗 [6-7] 等 领 域 。 基 于 电 子 回 旋 共 振（Electron Cyclotron Resonance，ECR）离子源的紧凑型中子发生器具有 成本相对较低、无阴极结构、引出流强高及束流品 质好、设备稳定性高等优点，被广泛应用。合肥综 合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室） 下属的中子技术应用研究中心依托在 EAST 装置上 积累的大面积强流离子源、聚变中子产生技术，重 点开展高参数稳态中子源的研发，探索其在新型癌 症治疗装备、中子成像、同位素药物制备、物品辐 照检测等领域的产业化应用 [8]。本文实验所用的是 一款基于全永磁 2.45GHz 微波离子源的紧凑型 ECR-DD 中子源，该源由 ECR 离子源、加速电极、 铜基底靶镀钛、高压系统、真空系统等几部分组成 [2]。
在中子发生器在工作时，D +被加速轰击至钛靶， 钛靶经过轰击沉积在靶面的氘与后续被加速的氘 束流发生 DD 核反应产生中子 [9]。实验研究发现， 当靶受到高能束流轰击的同时表面会产生二次电 子，这些二次电子的一部分溅射在真空腔室或电极 内侧，一部分被反向加速形成电子流回到离子源， 损坏设备。这部分二次电子不能产生中子，但会极 大影响中子发生器工作寿命，同时消耗功率，增加 电源的负载。中子发生器中常采用各种方法抑制 产生的二次电子，以达到延长工作寿命，增加系统 稳定性的目的 [10]。吉林大学物理系用磁场抑制二次 电子代替偏压电阻，对 Philip 型中子管，对直径为 30mm 的阴极，在 B=0.6T 时，抑制电子电流为总电 流的 50% [11]。中国原子能科学研究院刘国财等 [12] 研究发现，DD 中子管阳极电流 300μA，二次电子抑 制电阻阻值为 8.7MΩ 或者抑制电压为 403V 时，便 可以完全抑制住二次电子。中国工程物理研究院 金大志等 [13] 通过 PIC 粒子模拟发现，当抑制电压大 于 400V 时就能将二次电子抑制在靶的附近，用剩 余磁 1.08T，直径 10mm 磁柱也能实现电子抑制。
本文研究了电极结构对腔室温度、真空度、系 统稳定性的影响，采用束流模拟软件的粒子轨迹追 踪模块分析了不同腰孔形状对二次电子的传输路 径的影响，并基于该结果开展了电阻与磁场两种方 式 下的二次电子抑制实验。
1 实验装置
实验平台所使用 2.45GHz 小型 ECR 中子源如 图 1 所示，分为 ECR 离子源、引出系统、真空系统 和水冷系统几部分。一个 2.45GHz 固体微波源为 离子源提供产生并维持等离子体的微波能量，微波 通过波同转换头与三销钉，再经由 Al2O3 陶瓷窗馈 入腔室，腔室外围由两块 N42 永磁体提供点亮等离 子体所需磁场，同时陶瓷下层使用 BN 来有效抵御 回流电子的点蚀。离子源剖面图如图 2 所示，离子 源通过电子回旋共振原理产生并约束等离子体。 在静磁场中，电子受洛伦兹力作用做螺旋运动，当 回旋频率与微波频率一致时，电子会吸收微波能量 并电离气体分子，这个过程称为电子回旋共振。引 出系统为三电极引出结构，离子源为地电位，引出电极处于−80kV 负高压电位，从而产生巨大电势差 从离子源中引出氘离子。真空系统由一个机械泵 加一个分子泵组成，高真空有助于增加电子的共振 回旋次数，每回旋一次电子能量就会增加，获得更 高密度的等离子体。实验前，需保证真空度在 1× 10 −3 Pa 以下。
靶体表面被氘离子轰击后释放的二次电子会 被加速回离子源，产生二次电子电流。这种效应会 增加高压电源的负荷，并会产生频繁的高压击穿和 显著的轫致辐射 X 射线 [14-15]。这些效应既影响靶上 氘离子电流的准确测量，也影响中子发生器的稳定 运 行，并存在潜在的辐射安全隐患。
2 电极腰孔对二次电子的作用
2.1 腰孔形状对系统真空度的影响
本文研究中所用引出电极结构（靶罩）如图 3 所示，整体为无氧铜材质，高 120mm，直径为 144m， 体型较小。引出电极位置如图 2 所示，引出电极位于真空腔体内，与靶共同安装在绝缘基座上，并通 过接入负高压引出束流。为了改善电极内部空间 的真空，减少真空梯度，保证束流稳定传输，在电极 四个方向对称地开了四个腰孔。腰孔设计保证电 极内部的真空，但这同时导致靶面产生的溅射二次 电子从孔中溢出，被加速轰击至真空腔室。为了研 究腰孔形状对系统真空度的影响，进行多次长时间 放电实验，在真空腔室处安装规管（如图 2 所示）监 测并收集真空度的实时数据，如下图 4 所示。
电子轰击产生的热效应，会导致真空腔室受溅 射区域表面的吸附气体的释放。这一现象的宏观 表现为真空变差，如图 4 所示。图中 A 点至 B 点， 离子源开始通入 1mL/min（标准状态）氘气并激发 等 离 子 体， 真 空 腔 室 的 真 空 度 由 1×10 −4 跳 变 至 4×10 −3。B 点至 C 点，随实验时间的推进，真空度缓 慢变差，这是由于电子溅射导致的热效应使腔室吸 附气体开始释放。条形腰孔，开孔面积大，受电子 溅射区域大，导致条形腰孔真空始终略差于圆形腰 孔。C 点时，壁面吸附气体已经随时间推移基本释 放 ，二者真空度趋于一致。
2.2 腰孔形状对腔室温度的影响
为了进一步验证二次电子溅射对系统的作用 机理，研究腰孔形状对腔室温度的影响。在如图 2 所示三个位置安装热电偶，监测长时间放电过程中的温度变化。实验结果如图 5 所示，相同引出电压 时，使用条形腰孔会使腔室侧面与腔室顶部温度随 时间线性增加，使用圆形腰孔各处温度基本呈稳态， 无明显变化。
随着电压升高，腔室侧面与顶部在实验前后的 温差也在不断变大，30kV 时温差为 6.4℃，35kV 时 温差为 8.4℃，40kV 时温差为 13℃，45kV 时温差 为 13.8℃，50kV 时温差为 18℃。离子源设置有独 立水冷，因此实验过程中温度不变。
实验结束后，对腔室内部进行了拍照检查如图 6 所示，可见明显的轰击溅射痕迹在腔室侧面与顶部。 这一实验结果说明了溅射电子从腰孔逃逸，并轰击 至真空腔室内壁。开孔面积较大的条形腰孔导致 了大量溅射电子的泄露，温差较为明显。开孔面积 小，大量溅射电子都被留在了电极内部，而电极有 单独设置水冷，腔室温度变化小。电压升高后温差 变大，是因为随着束流能量的提高，溅射二次电子 的数量与能量也会进一步提高 [16]。腰孔形状对温度 影响的实验结果进一步揭示了二次电子对中子发 生 器设备的危害。
2.3 腰孔形状对于系统稳定性的影响
为了研究腰孔形状对系统稳定性的影响，进行 了多次长时间放电实验，实时记录产额随时间变化。 实验中系统稳定性主要依据每分钟的打火频率来 定量评价，打火具体表现为电源过流保护而停止电 压输出，束流中断，产额掉回 0。如图 7（a）所示，使 用条形腰孔，30kV−40kV 时无打火现象，40kV 开 始打火频率明显提升，50kV 打火频率为 2min/次； 如图 7（b）所示，使用圆形腰孔时，50kV 以上出现少 量打火现象，频率为 6min/次。在相同的电压下，无 论使用哪种结构的引出电极，其中子产额不发生变 化。结果表明腰孔形状影响二次电子的溅射逃逸， 进而对系统稳定性有很大影响。
实验中电极使用了不同的腰孔设计，靶面产生 的二次电子从腰孔中泄露的数量不同。当过多的 二次电子从腰孔逃逸时会导致局部的电场增强，局部的电场强化容易导致放电通道的建立，进一步促 进了电弧的形成（即打火现象的发生）。
3 二次电子穿越腰孔溅射模拟
基于以上的研究结果，腰孔的形状会对二次电 子的溅射传播路径有所影响，从而影响系统整体稳 定性。因此，对二次电子在电场作用下溅射路径进 行模拟。设定铜靶表面二次电子能量为 600eV，电 极加速电压为−80kV，靶与电极处于同电位。模拟 结果如图 8，9 所示，可见无任何抑制手段时，靶面溅 射二次电子一部分从腰孔溅射而出，一部分逃逸出 引出孔，并被反向加速轰击在陶瓷窗上。
如图 8 所示，在使用圆形腰孔电极时，由于电 极与靶面均为负高压，靶面溅射的二次电子大部分 被约束在电极内。如图 8 所示，逃逸出电极外的溅 射电子分为两部分，一部分从腰孔溅射出后受到高 压影响，加速轰击在腔室侧面；另一部分沿引出孔 溅射出，被加速轰击至陶瓷窗上。图 8 展示了腔室 侧面收到轰击的范围，溅射区域近似呈椭圆形，面 积约为 300mm 2。
如图 9 所示，条形腰孔二次电子溅射区域明显 大于圆形腰孔，在某一侧的腔室壁溅射范围可见， 溅射区域也呈现矩形。溅射区域约为使用圆形腰 孔电极的 12 倍。溅射区域的增加带来了热量的增 加，同时增加了电极打火的隐患，导致系统稳定性 不佳。这恰好印证了本文第三章中，腰孔形状对于 真空腔室温度，系统稳定性的影响。
在长时间放电实验后对部件进行拍照检查，如 图 10 所示，可见清晰的溅射痕迹，图 9（a）为电极内 壁电子溅射痕迹，图 9（b）为腔室内壁的溅射痕迹。 实物痕迹与模拟出来的电子溅射痕迹位置基本保 持一致，进一步说明了模拟的有效性。
4 电阻抑制二次电子实验研究
本文通过腰孔形状对系统真空度、腔室温度与 系统温度的影响研究揭示二次电子的危害，进一步 的，设计了通过电阻抑制二次电子的实验方案。电 阻抑制二次电子装置如图 11 所示，在靶和电极之间 接入一个抑制电阻即可在靶与电极之间形成压差， 起到抑制二次电子发射的作用。电源端测得的总 电流 可分为三类：
式（1）中 I1为部分束流溅射到引出电极形成的 电流， 为到靶电流， 为二次电子溅射产生的电流， R 为抑制电阻的阻值。通过更换不同的抑制电阻， 将产生不同的抑制压差，总电流 I 也会随电阻改变 而改变。其中 与 是不变的，可通过 I 反映出 的 变化量（ ）。当 不随阻值变化而变时，可认为 此时二次电子完全被抑制。为了寻找当前结构的 最佳抑制电阻阻值，进行了多组电阻测试实验。
在微波功率为 500W，氘气进气量为 1mL/min 时，更换 24−600kΩ 的抑制电阻，研究了抑制电阻阻 值对产额的影响，电流变化趋势与产额变化趋势基 本一致。实验结果如图 12 所示，相同抑制阻值时， 中子产额随引出电压的增加线性增大；相同电压下， 增加抑制电阻比起无抑制（1Ω），能显著观察到产额 有所提高，抑制阻值增加到 100kΩ 及以上时，产额 开始下降。这一实验结果表面，抑制电阻阻值并不 是越大越好，阻值越大，产生的抑制压差越大，反而 会对束流传输成反作用。根据实验结果，抑制阻值 在 30−60kΩ 时能获得最大产额（抑制率）。
5 磁场抑制二次电子实验研究 抑制二次电子的另一种方法是在二次电子的 传播路径上添加横向磁场，通过洛伦兹力将二次电 子偏转至与靶相连的电极壁上。氘离子的相对原 子质量为 2.01，质量约为 3.32×10 −27 kg，而电子的质 量仅为 9.10956×10 −31 kg。由于离子束流的能量与 质量均比二次电子大得多，原离子束流的传播并不 会受到影响，而二次电子则会受到很大偏转 [17-18]。
在电场和磁场相互作用下，电子所受洛仑兹力 满足方程 [19]
式中e是电子电荷，V 是电子运动速度，E 和 B 是空 间的电场和磁场。
粒子的动力学方程 [20] 满足：
式中 m0 是电子的静止质量，γ0 是相对论因子。基于 式（2）（3），在靶上方，电极两侧固定两个剩磁约 1.3T 永磁体，产生横向磁场如图 13（a）所示，靶中心位置 磁场强度约为 100Gs。增加磁场抑制的二次电子 传输路径模拟如图 13（b）所示，由模拟可见，二次电 子被偏转至电极一侧上，且电子能量几乎无变化， 不形成高能束流。
磁铁偏转实测实验结果如图 14 所示，添加磁 场抑制后电流对比无任何抑制时明显降低，无任何 抑制 60kV 时电流为 2.73mA，装上磁铁后电流为 2.01mA，电流下降约 23%。电流的显著下降，但产 额变化不大，这说明，磁场抑制确实生效，与模拟结 果 吻合。
6 结论
本文研究了电极结构对于腔室温度、真空度、系统稳定性的影响，模拟分析了不同腰孔形状对二 次电子的传输路径的影响，并基于该结果开展了电 阻与磁场两种方式下二次电子的抑制实验，实验结 果表明：电极腰孔的形状会直接影响二次电子从腰 孔逃逸的数量，并进一步影响腔室壁温度，导致壁 吸附气体的释放，同时会极大增加系统高压打火的 概率。腰孔实验结果揭示了二次电子对中子发生 器的危害，在保证电极内部真空度的情况下，应尽 量在电极壁开小孔或不开孔，有助于延长中子发生 器的使用寿命，提高运行时的稳定性。对二次电子 在的溅射路径进行模拟，模拟结果从实物中得到印 证，并基于该结果，开展了电阻与磁场两种方式下 二次电子的抑制实验。实验结果表明采用 30− 68kΩ 的电阻能较好抑制二次电子，此时能在相对 较小的电流下获得更高的中子产额；使用 1.3T 剩 磁永磁铁在中心产生约 100Gs 磁场，能实现二次电 子的有效偏转，并在实验中观察到电流明显下降约 23% 左右，实现二次电子的抑制效果。在二次电子 抑制过程中，电阻抑制仅需加入电阻元件，成本较 低且易于实施。但其抑制压差选取根据不同靶电 极结构具体而定，难以精确调节。磁场抑制可以精 确调节磁场强度，但引入磁场设备需占据更多空间， 磁铁的安装位点也需要谨慎选择。本文所搭建使 用的紧凑型中子发生器采用电阻抑制为佳。
