中子管中离子束束流品质影响因素的数值模拟研究

论文摘要

紧凑型中子管是一种小型、加速器型中子发生器,由于具有的例如高产额、长寿命、便携等优点,具有非常广阔的应用前景,成为国内外的研究热点。紧凑型中子管的主要组成部分为真空弧离子源、等离子体扩散区、抽取加速系统以及靶系统。其中氘离子离子从离子源中由真空弧放电产生,经扩散均匀后在抽取加速系统电场作用下被抽取成束且不断受到加速后抵达靶面,与靶中氚核发生核反应生成中子。中子产额不仅取决于入射氘离子束能量(受DT反应截面影响),还与束流品质、束流强度以及待轰击靶的状态等密切相关。百keV量级的氘离子束流轰击含氚金属靶膜表面,不可避免地会产生二次电子,而由于荷质比的原因,二次电子电流不仅会大大增加加速电源的负载而且可能会反轰损坏抽取栅网,因此通常人们会采取加弱反向电压屏蔽筒或屏蔽网等方法来加以抑制,这是一个由外电路所描述的动态过程。由于靶膜中的氚元素具有天然放射性,会自发地衰变成氦原子,而氦原子除少量会通过早期氦释放从靶膜逃逸出来形成本底气体以外,大多数氦原子会在靶膜中游离并在缺陷处会聚成氦泡而被“固化”在靶膜中。当具有100keV左右能量的氘离子轰击靶表面时,除了会产生二次电子效应以外,同时还会击破膜面附近的氦泡导致大量原来被固化在膜内的氦原子快速释放出来。而这些释放出来的氦原子会与加速进行中的氘离子通过弹性碰撞、电荷交换、电离等反应而使其偏离原轨迹无法正常抵达靶面、变成中性粒子而无法得到加速或者无法在有限的加速区内获取足够的能量(导致产率降低),从而降低束流的品质,进而减少中子产额。针对这两个动态过程,本文基于数值模拟的方法对其进行了分析研究。构建了紧凑型中子管中的简化的离子发射加速模型,通过加入外加电路模型动态模拟了在加速电源作用下离子束从发射、加速到轰击靶面产生二次电子(及其在电场作用下运动、耗能等)的整个物理过程,研究了二次电子对氘离子束流品质的影响。使用在加速区外加电路模型,动态研究了二次电子发射及其运动对加速电压以及离子束束流品质影响规律。结果表明,当有55.44mA的二次电子电流产生时,加速电压会下降45.135%,离子束束流品质随之下降,离子打在靶面的能量也随之下降。随后,引入屏蔽筒,即在靶面和屏蔽筒间引入线性电阻,研究了弱反向电场抑制二次电子的效果。模拟结果表明,该方法可以起到良好的抑制效果,可以通过改变抑制电压的大小来控制抑制效果。同时构建加速区离子束碰撞模型,氘离子束在加速过程中小断地与早期释放的本底氦原子发生弹性碰撞、电荷交换以及电离反应,并在最终轰击含氚金属靶膜时导致氦泡破裂释放出大量氦原子(类似于轰击释气),从而考察静、动态释气对氘离子束加速、品质的影响。模拟结果表明,粒子与氦原子碰撞发生上述反应后,到靶离子数量会有所减小,设定模拟条件下束流减小0.26%,离子束束流品质降低,打在屏蔽电极上的离子数量增加。二次电子以及靶面氦释放对紧凑型中子管的影响不可忽视,本文的研究结论为改善中子管的性能以及更精细的设计奠定了基础。

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Abstract

第一章绪论

1.1 紧凑型中子管

1.1.1 紧凑型中子管的应用前景及研究现状

1.1.2 研究意义

1.2 中子管中的二次电子效应

1.3 氦原子从金属靶面的释放

1.4 论文的组织结构与创新点

第二章粒子模拟方法

2.1 粒子插值

2.2 电磁场建立

2.3 粒子间的相互作用:PIC/MC

2.4 时间和空间尺度

2.5 本章小结

第三章二次电子对离子束束流品质的影响

3.1 加速电压对离子束束流品质的影响

3.1.1 物理建模

3.1.2 结果分析

3.2 二次电子对氘离子束流品质的影响

3.2.1 物理建模

3.2.2 结果与分析

3.3 二次电子的抑制

3.3.1 物理建模

3.3.2 结果分析

3.4 小结

第四章靶面的氦释放对氘离子束的影响

4.1 物理建模

4.2 结果与分析

4.3 小结

第五章总结和展望

致谢

参考文献

附录A 研究生在校期间发表学术论文情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孟晓慧

导师: 董志伟

关键词: 紧凑型中子管,二次电子,靶面氦释放,离子束束流品质,外电路

来源: 中国工程物理研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术,核科学技术

单位: 中国工程物理研究院

分类号: TL50;O571.53

总页数: 56

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