负离子中子管的良率稳定性实验_陆杰.pdf

46 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学0 引言 近年来负离子中子管是人们研究的热点之一。潘宁离子源内部既可以产生正离子，也可以产生负离子1,2，主要是电子和D-。传统的潘宁离子源中子管大都采用正离子引出打靶。实验表明，引出束流中单原子正离子所占比例不足10%3。申请者及其团队近期提出了一个简单高效的方法，来计算这一占比分数，其结果约为6%4。相比于传统的正离基金项目：中国石油天然气集团有限公司关键核心技术攻关项目(2020B-3714)，电子元器件可靠性物理及应用技术重点实验室开放基金项目(ZHD201701)。作者简介：陆杰，西安奥华电子仪器股份有限公司西安市可控源装备工程技术研究中心，工程师；研究方向：可控中子源应用技术。通信作者：周晓华，陕西省可控中子源应用技术国际联合研究中心，西京学院，副教授，博士；研究方向：中子管及中子应用。收稿日期：2022-07-27；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述正离子中子管存在二次电子发射率高，束流单原子离子比例低的问题。若采用负离子引出则可避免上述问题。设计了一款采用潘宁离子源负离子引出打靶的中子管，在90kV的靶压下，实现了最大16A的引出束流，中子产额最高达到1.32108n/s。利用3支中子管分别进行4h的连续打靶，实验表明，开始时产额随打靶时间缓慢上升，在130min左右产额达到最大值，随后开始缓慢下降。整个过程中的中子产额始终稳定在1.15108n/s以上，理论分析表明其靶流中电子占比约为70%，而氘负离子占比约为30%。关键词：中子管，负离子中子管，离子源，中子产额。中图分类号：TL503.3 文章编号：1000-0755(2023)05-0046-03文献引用格式：陆杰，周晓华，岳爱忠，闫星泉，刘洋，柴鑫.负离子中子管的良率稳定性实验J.电子技术,2023,52(05):46-48.负离子中子管的良率稳定性实验陆杰1，周晓华2,1，岳爱忠3，闫星泉4，刘洋4，柴鑫1（1.西安奥华电子仪器股份有限公司西安市可控源装备工程技术研究中心，陕西 710100；2.陕西省可控中子源应用技术国际联合研究中心，西京学院，陕西 710123；3.中国石油测井集团有限公司测井技术研究院，陕西 710077；4.西安冠能中子探测技术有限公司，陕西 710123）Abstract This paper explains that positive ion neutron tube has two shortcomings,one is the secondary electrons problem and the other is the low proportion of monatomic ions in extracting beams.These two problems can be avoided by extracting negative ions.In this study,a kind of negative neutron tube with penning ion source was designed.With the target voltage 90kV,the maximal target current and neutron yield attain 16A and 1.32108n/s,respectively.Three negative ion tubes were tested and each one worked about 4 hours continuously.The results show that the target current will increase slowly at the begin of shorting time.The maximal target current occurs when shorting time reach to 130 minuets.Then,it will decrease slowly with shorting time increase.In whole process,the target current keeps no less than 1.15108n/s stably.Theoretical analysis reveals that the proportion of electrons and positive deuterium ions in target current are about 70%and 30%,respectively.Index Terms neutron tube,negative ion neutron tube,ion source,neutron yield.Stability Testing of Yields of Negative Ion Neutron Tubes LU Jie1,ZHOU Xiaohua2,1,YUE Aizhong3,YAN Xingquan4,LIU Yang4,CHAI Xin1(1.Xian Engineering Research Center of Controllable Source and Equipment,Xian AoHua Electronic Instrument Co.,Ltd.,Shaanxi 710100,China.2.Shaanxi International Joint Research Center for Applied Technology of Controllable Neutron Source,Xijing University,Shaanxi 710123,China.3.Logging Technology Research Institute,China Petroleum Logging Corporation,Shaanxi 710077,China.4.Xian Guanneng Neutron Detection Technology Co.,Ltd.,Shaanxi 710123,China.）电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 47Electronics 电子学子中子管，负离子中子管具有以下优势：（1）引出束流中单原子比重较高1；（2）由于靶极是正高压，碰撞产生的二次电子会被靶吸收，不存在电子溅射问题。国外最早在1980年代初期对负离子中子管进行了实验研究5。在国内，中国工程物理研究院和东北师范大学的两个团队较早地开展了负离子潘宁源的研究工作，并取得了一定的进展6-9。我们前期的研究表明，相同的结构参数和电压条件下，负离子中子管单位靶流的中子产额是正离子中子管相应参数的2倍以上10。鉴于负离子中子管的诸多优点，本文在设计加工了一款直径为26mm的负离子中子管，利用正高压引出负离子打靶来产生中子。实验表明，在90kV的靶压下，实现了最大16A的引出束流，中子产额最高达到1.32108n/s。利用3支中子管分别进行4小时的连续打靶实验结果显示，其中子产额始终稳定在1.15108n/s以上，具有潜在的应用价值。1 结构与实验设计 1.1 中子管结构设计实验中设计的中子管整体结构如图1，其中省略了引线等次要结构。其外壳采用直径为26mm厚度为3mm的氧化铝陶瓷，其内部左端为潘宁离子源，右端为铜靶。离子源罩通过可伐与陶瓷管焊接，罩体采用导磁不锈钢材料，起到增强离子源内磁场强度的作用。阳极筒采用无氧铜，直径10mm，长度8mm，通过陶瓷定位环与离子源罩固定。两侧阴极采用钼材料。永磁体采用钕铁硼材料，表面磁感应强度0.3T，其中磁柱长度约30mm，磁环厚5mm，引出孔直径4mm。加速筒和靶采用无氧铜。预制钛氚靶固定在V型铜靶底部。整个结构还包括引线、氘储存器、抽气管等其他附件。封装前所有零件都将在清洗后利用高温去气炉进行去气处理。通过在离子源一侧预留的铜管将内部压强抽至10-5Pa。图1所示负离子中子管结构中，1陶瓷外壳，2离子源罩，3磁环，4阴极环，5阳极筒，6对阴极，7磁柱，8加速筒，9铜靶，10定位环。1.2 中子管打靶实验中子打靶实验在西安冠能中子探测技术有限公司位于地下3层的实验室中进行。实验过程中，整个中子管放置于直径30cm，盛满变压器油的聚乙烯桶中，如图2所示，油桶底部有铜制高压接头与中子管靶极相连，最大可施100kV的正高压。阳极筒施加2kV电压，两侧阴极接地。预制氚靶直径8mm，钛膜厚度约1mm，氚和钛的原子比约为1.5。负氘离子（D-）被引出后打在靶上产生中子。如图2，采用3He探测器进行中子计数。探测器包裹在直径约30cm，长40cm的慢化材料聚乙烯中，距离中子管约2.5m。经过校准后的探测器每分钟计数为40 000时，对应的中子产额为1.2108n/s。2 实验结果实验中利用3支负离子中子管进行了近4小时的打靶实验，测试表明靶压太高容易打火，太低会导致引出束流很低，因此实验中将靶压固定在90kV。从高压加载后开始记时，每间隔10min记录下探测器计数，每次记录3组求平均。阳极电流始终保持在约400mA，储存器热丝电流在386mA左右。通过探测器计数及算得的中子产额。图3给出了三支负离子中子管连续近4h的打靶时间与中子产额的关系。结果表明，尽管每支管子的产额随时间波动，但其整体趋势都较为一致。开始的一段时间内，每支管子的产额都会随着打靶时间缓慢增加，在130min左右达到最大值。例如，3号管子的最大产额达到了1.31108n/s，靶流数据图1 负离子中子管结构图2 中子管打靶与中子探测实验图3 三支负离子中子管的产额与打靶时间的关系48 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学表明此时靶流达到最大值，约16A。此后，中子产额会随打靶时间缓慢降低。整个过程中，每支管子的产额都保持在1.15108n/s以上。靶流一直保持在要12mA16A之间，变化很小。即使是将靶压升高到100kV，靶流几乎不再升高。3 结果分析与讨论 3.1 靶流成分分析负离子中子管引出束流中主要是D-和电子，获得每种离子的占比分数通常需要利用质谱仪。前一个工作中，我们给出了一种方法来分析正离子中子管靶流中的离子成分比例，不需要质谱仪，仅利用靶流、靶压和靶中的原子比三个参数即可，其结果与实验高度一致4。借鉴这一方法，假设D-的入射动能为E，定义如式（1）。（1）其中，Se=Se(E)为钛靶对D-的阻止本领；=(E)为反应截面；E0为截止能量，其值大小主要由靶膜厚度和探测器决定。设负离子中子管的靶流为I，其中D-的占比为k，中子产额为Y，钛氚靶中钛和氚的原子比为，如式（2）。（2）其中，N为靶膜中钛原子的密度，e=1.610-19C为电子电量。利用前期的方法，在加速电压为90kV，截止电压为45kV时，取本次实验中的参数=1.5，I=12A，Y=1.3108n/s，N=4.751028m-3，计算得到k=0.3。这一结果说明引出束流的主要成分为电子，离子源内D-的产率非常低。3.2 讨论图3说明产额在打靶初期随时间缓慢增长，在到达一个最大之后又开始下降，这一现象可能是由于中子管温度升高所导致。中子管的温度会随着打靶时间不断上升，从而使得内部气压升高。中子管内的压强在封装前需要抽到10-5Pa，工作状态下的压强普遍认为会在10-210-1Pa。初期压强的上升进一步导致了靶流以及产额的增大。然而，此时必须注意到预制钛氚靶的温度达到250时，其中的氚会大量析出。因此，随着打靶时间继续增加，中子管靶面温度的进一步升高会使得其中的氚缓慢析出，从而导致产额开始降低。由于目前没有相关的实验给出中子管靶面温度随打靶时间的关系，因此这一推测还有待验证。我们近期利用仿真模拟方法得到的