密封中子管氘-氘產額及二次電子抑制

劉國財，張培旭，劉志珍，李瑋瑛，楊洪廣

中國原子能科學研究院 反應堆工程研究所，北京 102413

中子管類似于加速器，它是把貯存器、離子源、加速系統和靶全部真空密封在陶瓷管內[1]，構成一支緊湊的真空器件(圖1(a))。其工作原理是氘貯存器(熱子)的電流增大時氘氣會釋放到真空系統中。當離子源施加一定的陽極高壓時，離子源陰極表面少量的電子逸出并增殖，在離子源內電場與磁場的作用下電子與氘氣碰撞產生大量的氘離子。帶正電的氘離子通過加速電極轟擊到靶上，當靶上吸附氚的時候會發生D(T,n)4He反應，產生能量為14.1 MeV的中子；當靶上吸附氘時會發生D(D,n)3He反應，產生能量為2.44 MeV的中子。與普通的同位素中子源相比，中子管中子產額高，能譜單色性好，γ射線本底低，體積小、質量輕，可以隨時控制中子產生，同時中子管可以產生脈沖中子。隨著中子管技術的發展，它已經被廣泛應用到中子測井、物料分析、中子照相、爆炸物檢測、毒品檢測等各個領域[2-5]。

圖1 中子管結構(a)及內部控制參數(b)

中子管產額穩定性是中子管面臨的一項難題。國內中子管產額穩定性一般在5%左右。中子管產額不穩定對中子管的應用具有一定的影響。秦愛玲等[6]表明采用閉環控制電路是中子管提高產額穩定性的普遍手段，即通過中子產額反饋調節中子管的工作參數使產額達到穩定。中子管工作參數會對產額有一定的影響。中子管的工作參數主要有熱子電流、陽極高壓及靶極高壓。如NT802型自成靶陶瓷中子管給出熱子電流與陽極電流關系[1]，熱子電流微小變化，陽極電流會發生很大變化，因此熱子電流對產額影響較大。徐紹曾[7]也指出熱子電流對中子管產額為單增函數。陽極高壓通過影響陽極電流及質子比從而影響產額。質子比與陽極高壓呈非規律性關系[8-10]，隨著陽極高壓升高，質子比有增加也有減小[2]。靶極高壓通過影響反應截面和靶流從而影響中子產額，徐紹曾[7]指出氘氚中子產額與靶極高壓呈二次方關系，魏寶杰[9]指出氘氚中子產額與靶極高壓呈指數關系，這主要是中子管結構不同造成的。

中子管參數及結構差異造成中子管的工作參數與產額關系呈非固定性關系，本工作擬對自制的D-D中子管的工作參數與產額進行研究，以得到中子管最佳工作參數范圍及其對產額的影響規律，為今后中子產額穩定性的反饋調節提供依據。此外，中子管工作時氘靶靶面會產生大量二次電子，二次電子雖然對中子產額影響很小但是對中子管壽命[11]有一定的影響，因此本工作也進行中子管二次電子抑制實驗，以得到二次電子抑制最小電阻及電壓。

1 實驗部分

1.1 儀器和材料

D-D中子管、高精度電流源、高精度電壓源，自制；已標定完成的長硼計數管，10 m的高壓控制線，10 m數據線，直流高壓發生器(直高發)，He-3管(φ25 mm×700 mm)，聚乙烯慢化筒，阻值分別為3.0、4.5、6.6、8.7、13.3 MΩ的電阻，市售。

1.2 實驗方法

1.2.1中子產額標定實驗 首先采用已標定的長硼計數管對未標定的He-3管進行相對標定，得到He-3計數與中子產額關系曲線，其次移走長硼計數管利用已相對標定的He-3管的計數對中子管的產額進行測量，建立中子產額與He-3管計數關系曲線。

1.2.2中子管工作參數對中子產額的影響實驗 中子管工作參數控制如圖1(b)所示，采用電流源給中子管提供熱子電流，熱子電流控制在0～900 mA；采用直流高壓發生器(直高發)控制靶極高壓輸出，負高壓輸出范圍在0～-120 kV；采用高精度電壓源控制陽極高壓輸出，輸出范圍在0～3.0 kV。實驗測量裝置示于圖2，He-3管距離中子管0.75 m，He-3管外嵌套20 mm厚的聚乙烯慢化體。中子管置于φ70 mm的聚四氟乙烯桶內，桶內充入500 kPa的SF6絕緣氣體。桶下方與直流高壓發生器相連，控制靶極高壓輸出；桶的上方與熱子電流源及陽極高壓源相連，分別控制熱子電流及陽極高壓。采用控制變量方法分別研究不同工作參數下的中子管產額，建立工作參數與中子產額的關系曲線。

圖2 實驗裝置

1.2.3二次電子抑制實驗 二次電子抑制實驗裝置示于圖3。在加速電極與靶極之間加入一個抑制電阻，靶極電流(I)可以表示為：

圖3 二次電子抑制裝置

I=I1+I2+I3

(1)

式中:I1為氘離子轟擊加速電極產生的電流，μA；I2為氘離子轟擊氘靶產生的電流，μA；I3為氘離子轟擊氘靶時產生的二次電子電流，μA。中子管工作參數一定時，I1與I2總和保持不變，改變二次電子抑制電阻的阻值，靶極電流會隨著阻值改變而改變，靶極電流I的變化值等于二次電子電流I3的變化值。通過測量靶極電流的變化值，計算二次電子電流的變化值(ΔI3)。當ΔI3不隨二次電子抑制電阻改變而變化時，表明此時二次電子完全被抑制。實驗時采用的二次電子抑制電阻分別為3.0、4.5、6.6、8.7、13.3 MΩ。

2 結果與討論

2.1 中子產額的標定

研究中子管工作參數對產額影響前，需要對中子產額測量裝置He-3管進行標定實驗。已標定了BF3中子探測器在距離中子源1.2 m處的產額，BF3計數率與中子產額關系如式(2)。

Y=1×105N

(2)

式中：Y為中子產額，s-1；N為BF3計數率，s-1。

中子管在相同的工作參數下，同時對He-3管和BF3探測器進行計數，得到圖4(a)所示的BF3計數與He-3管計數關系曲線。根據式(2)將BF3計數轉化為中子產額，得到如圖4(b)所示的He-3管計數率與中子產額關系(式(3))。

(a)——BF3計數與He-3管計數關系，(b)——He-3管計數率與中子產額關系

Y=6 384.62N1+5 179.89

(3)

式中：N1為He-3管計數率，s-1。

2.2 工作參數對中子產額的影響

(1) 熱子電流對中子產額的影響

(a)：陽極高壓，kV：■——2.6，●——2.3，▲——2.2；(b)：■——第一次實驗，●——第二次實驗，▲——第三次實驗

(2) 陽極高壓對中子產額的影響

研究陽極高壓對中子產額影響時需要控制熱子電流和靶極高壓恒定?？刂瓢袠O高壓為-80 kV，熱子電流為305 mA。改變中子管陽極高壓的值，得到陽極高壓與He-3管計數(產額相對計數)的時間曲線示于圖6(a)。由圖6(a)可知：隨著陽極高壓的增加，中子產額并非線性增加，當陽極高壓穩定時，中子管中子產額會出現產額下降的情況。同樣采用式(3)將He-3管計數(產額相對計數)轉換為中子管的中子產額，得到圖6(b)所示曲線。由圖6(b)可知：中子產額與靶極電流變化趨勢一致。陽極高壓從1.0 kV升高到2.6 kV時，中子產額先增加后趨于穩定然后再升高。造成陽極高壓與中子產額非線性的原因主要是陽極高壓對陽極電流的影響是非線性的。根據中子管封裝前期實驗數據可得，陽極高壓與陽極電流關系曲線示于圖7。由圖7可知：陽極高壓主要通過陽極電流影響中子產額，而質子比也會隨著陽極高壓變化而變化，但是影響不大。因為從圖6(b)結果可知：陽極高壓在1.2～2.4 kV時，中子產額基本在6×104s-1上下范圍波動，而圖7中第三次實驗數據顯示陽極電流也是在50 μA左右波動；當陽極高壓升高到2.6 kV時，圖6(b)中的中子產額增加將近2倍，圖7中的陽極電流也增加2倍。因此從整體來看，實驗所用中子管的陽極高壓對產額影響主要通過陽極電流影響中子產額，而質子比影響較小。

熱子電流為305 mA，靶極高壓為-80 kV

■——第一次實驗，2.53×10-4 Pa；●——第二次實驗，2.23×10-3 Pa；▲——第三次實驗，3.04×10-3 Pa

中子管需要較高產額時陽極高壓需要超過2.2～2.6 kV(取決于熱子電流大小)。由于陽極高壓與中子產額的非線性關系，因此對中子產額穩定性調節時應避免調節陽極高壓。

(3) 靶極高壓對中子產額的影響

研究靶極高壓對中子產額影響時，需要控制熱子電流和陽極高壓恒定?？刂脐枠O高壓為2.6 kV、熱子電流為300 mA及306 mA時，逐漸升高靶極高壓(從-50 kV升高到-90 kV)。當靶極高壓穩定后得到He-3管的計數，同樣根據式(3)將He-3管計數轉換為中子產額，得到結果示于圖8。由圖8可知：隨著靶極高壓的增加，中子產額逐漸增大。靶極高壓與中子產額關系曲線呈非線性增長趨勢。隨后采用厚靶產額計算方程研究靶極高壓對中子產額關系曲線，并與實驗數據進行對比。

熱子電流：■——306 mA，●——300 mA

對于氘氘中子管，氘鈦靶厚度為2 μm，需要采用厚靶中子產額計算公式(4)。

(4)

式中：Y(E0)為每個氘離子的中子產額，s-1；E0為入射氘離子初始能量，MeV；ND為氘靶中氘的體密度，cm-3；σD-D為氘氘反應截面，bar(1 bar=100 kPa)；(dE/dx)TiD1.8為氘離子在氘鈦摩爾比為1.8的膜中的能量損失，keV·cm2/mg。靶極高壓會影響式(4)中的E0，即入射氘離子初始能量。本工作考慮入射氘離子初始能量=靶極高壓×電荷(e)。

式(4)中的氘氘反應截面可以在核數據中心[12]得到。氘離子在氘鈦比為1.8的膜中的能量損失可以采用SRIM(stopping and range of ions in matter)計算得到。不同氘離子初始入射能量與能量損失關系示于圖9。圖9為不同的氘束流轟擊厚度為2 μm鈦膜、氘氣以及氘鈦比為1.8的氘鈦膜的能量損失結果。因此式(4)中的積分項可以采用反應截面數據除以圖9中的數據并做積分。初始假設靶極高壓與束流密度成線性關系，與式(4)中的積分項相乘，得到中子產額的相對計數隨靶極高壓(入射氘離子初始能量)的變化趨勢，結果示于圖10，實驗得到的中子產額和靶極高壓的關系也示于圖10。由圖10可知，擬合數據的變化趨勢與實驗結果不符。因為靶極高壓與束流密度大小不是簡單的線性關系，又采用指數關系擬合，得到結果也不理想。由于靶極高壓與束流密度呈現復雜關系，很難精確得到中子產額與靶極高壓的關系式。因此對于不同結構的中子管，其中子產額與靶極高壓具體關系需要依靠實驗數據擬合。對于中子產額穩定性反饋調節時，理論上可以通過改變靶極高壓調節中子管中子產額。

■——Ti膜，●膜

圖10 中子產額實驗數據與擬合數據對比結果

2.3 二次電子抑制實驗

中子管工作時，離子源產生的氘離子被加速電極引出，帶正電的氘離子在-100 kV的高壓電場下加速轟擊到氘靶上產生中子。離子束流轟擊到氘靶時會產生大量的二次電子，一部分二次電子會進入加速空間形成電子電流，電子電流疊加在離子束流形成總的靶流，電子電流不產生中子，但是消耗總功率，增加電源負載[13-15]。產生的二次電子在加速電場作用下會撞擊中子管內壁結構材料，同時間接影響靶極氘束流品質[16]。因此對于中子管的二次電子抑制不僅可以減少中子發生器的總功率，同時能適當提高束流品質提高中子管壽命。

目前中子管采用最多的抑制方法為電場抑制。如圖3所示在氘鈦靶與靶極高壓增加一個抑制電阻，通過控制陽極高壓為2 kV、靶極高壓為-100 kV、熱子電流為305 mA、陽極電流為300 μA，得到不同二次電子抑制電阻下的靶流情況示于圖11。將未添加抑制電阻作為對照組，與其他5組抑制電阻進行實驗對比。結果表明：隨著抑制電阻增加，總靶流減少，根據實驗方法中介紹總靶流減少量等于二次電子電流被抑制量。圖11中抑制率計算如式(5)。

實驗次數：——第一次，?——第二次

(5)

隨著抑制電阻阻值增加，二次電子產生的電流逐漸減少，當阻值達到某一值時，靶流不再減少，表明二次電子全被抑制住。當抑制電阻為3.0 MΩ時，抑制效果不明顯。當抑制電阻為4.5 MΩ時，抑制率為12.50%。但是當電阻阻值增加至8.7 MΩ時，二次電子抑制率達到37.50%，繼續增加抑制電阻為13.3 MΩ，抑制率仍為37.50%，說明抑制電阻為8.7 MΩ(抑制電壓403 V)時，二次電子完全被抑制，繼續增加抑制電壓(抑制電阻)抑制率不變。因此中子管二次電子最小抑制電阻為8.7 MΩ，抑制電壓為403 V。

3 結 論

研究了中子管的工作參數與中子產額的關系，為今后中子管中子產額穩定性反饋調節提供依據。并通過實驗得到中子管二次電子抑制電阻與二次電子抑制率關系，得到以下結論。

(1) 中子產額隨著熱子電流增加而增加。在靶極高壓為-80 kV、陽極高壓為2.6 kV時，熱子電流最佳調控范圍為290～305 mA。

(2) 陽極高壓對中子產額影響呈非線性關系。靶極高壓為-80 kV、熱子電流為305 mA時，隨著陽極高壓升高，中子產額先在6×104s-1范圍波動，當陽極高壓升高到2.6 kV時，中子產額迅速升高。陽極高壓主要通過陽極電流影響中子產額。當中子管需要高產額時，需要調節陽極高壓高于2.6 kV。

(3) 靶極高壓越高，氘氘中子管中子產額越高，但是受到管體絕緣性要求，一般靶極高壓控制在-120～-100 kV。

(4) 自制D-D中子管二次電子抑制電阻為8.7 MΩ或抑制電壓在403 V時，二次電子能被完全抑制。