基于有限元分析中子管加速电场仿真研究

谢召醒，乔 双

（东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024）

基于有限元分析中子管加速电场仿真研究

谢召醒，乔 双

（东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024）

运用计算机仿真技术，对中子管的加速电极尺寸、加速间隙等参数进行了有限元分析.通过大量的仿真实验，得到电场的直观分布，发现电场分布特征可用于对中子管的优化与改进.

中子管；加速电场；有限元分析；计算机仿真

中子辐射技术在基础科学、国防、工业应用、农业科学、医学研究等领域有着重要的应用.例如，工业探伤、肿瘤放疗治疗、石油测井等.中子管的基本结构包括离子源、加速电极、靶和绝缘材料［1］.使用时从离子源引出的氘离子经过加速，打到氚靶上，发生核反应产生中子.与放射源相比，中子管只有在加电时才会放出中子，不加电时不会放出中子，并且处于密封状态，比较安全.加速电极之间的电场分布会对离子的轨迹产生影响，直接影响到离子的收集与中子管的性能［2］.因此，弄清楚电极形状、电压大小、加速间隙大小对于电场分布的影响具有重要意义.通过计算机仿真技术对加速电极之间的电场进行模拟仿真，得到的数据与结论可为中子管的优化与改进提供参考.本文对中子管中的加速电场进行了仿真研究，采用ANSYS10.0软件，对加速电场做了系统的仿真实验.

1 中子管的基本原理

中子管的基本原理和功能类似于加速器，其制作工艺比较复杂，结构框图如图1所示.它把离子源、加速器、气压调节系统和靶全部密封在有绝缘介质的真空管内［3］.

通电以后，离子源产生离子，引出至加速间隙，加速后离子打到靶上，发生核反应，放出中子.反应方程式如（1）式所示［4］.

其中中子管加速电极的电压差极大，一般在100kV以上，加速电极结构如图2所示.

图1 中子管基本结构

图2 加速电极结构图

图2中加速电极A电压为0，电极B电压为－100kV.氘离子经离子源后，从A电极小孔引出到加速电场，经加速后从B电极小孔飞出，最后打到氚靶上生成中子.电极之间的电场分布对氘离子的加速、收集以及绝缘封装工艺有着重要的影响.

2 有限元仿真

传统的中子管设计主要基于经验和理论计算.对于中子管加速电极的电场分布没有可视化观察，对于离子的轨迹也不能直接查看.对于中子管加速电极结构、尺寸与电场的分布有何联系，还不很明确.为了研究电极形状、电压大小以及加速间隙对加速电场分布的影响，用美国安世亚太（ANSYS）公司的大型有限元分析软件ANSYS10.0进行有限元仿真.ANSYS软件主要分为建模、有限元网格划分、求解、查看结果4部分［5］.用有限元仿真研究的基本思想是通过大量不同参数的建模求解，比如改变加速电极的直径大小，改变加速间隙的距离等.通过结果和建模数据的对比，找出规律性的结论.

本次仿真实验研究总共建模30个.

2.1 A电极面积大于B电极面积的建模仿真

在ANSYS10.0中建立三维实体模型.由于加速电极处于真空状态，其相对介电常数为1.A电极电位为0V，B电极电位为－100kV.具体的三维建模参数如表1所示.实体模型和仿真结果如图3和4所示.

表1 A电极面积大于B电极面积的建模参数 mm

图3 实体模型1侧面

图4 实体模型1对应的电场线分布

图3中模型参数为表1中第1组的参数，其他几组所得出的仿真结果均与第1组类似.通过图4我们可以看到电场线分布，电极边缘场强比较强，电场线在两极附近比较强，而B电极的屏蔽长筒中电场强度很小，几乎为0.

2.2 加速间隙增大的建模仿真

仿真数据将加速间隙设定为最小12mm，最大15mm.具体参数如表2所示.建模与仿真结果如图5和6所示.

表2 加速间隙增大的建模参数 mm

图5 实体模型2侧面

图6 实体模型2对应的电场线分布

图5中模型参数为表2中第1组的参数，其他几组所得出的仿真结果均与第1组类似.图6中模型加速间隙分别取12，13，14，15mm，从电场线分布可以清晰地看出电场在两极附近场强很大，而电极中间部分场强相对较小.场强随着间隙的加长，边缘场强明显降低；而间隙较小时，边缘场强增大.

2.3 A电极面积小于B电极面积的建模仿真

所建模型都是A电极面积小于B电极面积的模型.具体的建模参数如表3所示.实体模型和仿真结果见图7和8所示.

表3 A电极面积小于B电极面积的建模参数 mm

图7中模型参数为表3中第4组的参数，其他几组所得出的仿真结果均与第4组类似.图8中模型A电极直径为40mm，B电极直径为50mm，通过一系列的仿真比较可以看出，B电极长筒的静电屏蔽要稍好于A电极面积大于B电极面积的情况.这两种情况之下的仿真结果发现，B电极极长筒中的场强都非常小，几乎为0.

图7 实体模型3侧面

图8 实体模型3对应的电场线分布

2.4 两极小孔附近场强的仿真

从上面很多电场仿真来分析，很容易看到场强在两极附近非常强，并且场强在两极附近向外溢出，由于三维有限元划分很密，矢量线太多，看到的不是很直观，故而采用二维建模来查看.所建平面模型数据如表4所示，所得的仿真结果如图9—11所示.

表4 平面建模仿真mm

图9 二维建模

图10 二维建模所对应的电场分布

由图9可见，二维建模比较直观，由图10和11可见，其小孔附近所对应的等势线向外溢出［6］，但是场强不是很大.并且平面建模也很清楚地看到电极的边缘场强最大，小孔的边缘附近场强也很强.对于其他数据的平面仿真建模也有类似的结论.

2.5 现有的中子管加速电场仿真

现有中子管加速电场仿真结果如图12所示.由图12可见，中子管加速电场仿真的电场线分布基本上与实验吻合.

图11 二维建模所对应的等势线分布

图12 现有中子管加速电场仿真结果

3 结论

通过对中子管加速电极间电场的大量仿真实验可以得出以下结论：

（1）电场在两极边缘最强.

（2）电场在两极附近最强，中间相对较弱，空间电场分布呈现“强－弱－强”的分布.

（3）电场在两级的小孔附近会有电场溢出，但强度比较小.

（4）当A电极直径大于B电极直径时，B电极长筒电场屏蔽效果不如B电极大于A电极时好.但这两种情况下，阴极长筒内的场强都非常小，接近于0.

［1］ 刘伟波，谷德山，李明娟，等.NT50型中子管离子源磁场变化对放电电流的影响［J］.核技术，2009，32（8）：592-595.

［2］ 金斗英，金泰洙，苏萌全，等.中子管离子束系统［J］.吉林大学自然科学学报，1995，34（4）：49-52.

［3］ 乔亚华.中子管研究进展及应用［J］.核电子学与探测技术.2008，28（6）：1134-1138.

［4］ 谷德山，刘林茂，李文生.长寿命中子管制作中的关键技术［J］.真空科学与技术学报，2007，27（6）：76-78.

［5］ 王丽伟.一种条纹变像管静态电子光学聚焦特性数值模拟［J］.强激光与粒子束，2009，21（3）：365-368.

［6］ 肖坤祥，孙山，谈效华，等.微型潘宁离子源引出结构计算仿真与设计［J］.测井技术，2009，33（5）：493-496.

The research of neutron tube accelerating electric field based on the finite element analysis

XIE Zhao-xing，QIAO Shuang
（School of Physics，Northeast Normal University，Changchun 130024，China）

The structure and shape of neutron tube accelerator is one of the most key factor on the performance of neutron tube.The computer simulation techniques have been used to simulate neutron tube in this paper.The process to analyze and calculate the shape，size and acceleration gap of the neutron tube accelerator is based on finite element analysis theory.Through a large number of simulating experiments，there are some valuable data and conclusions which can provide an important reference for the further optimization and improvement of the neutron tube.

neutron tube；accelerating electric field；finite element analysis；computer simulation

O 571

490·3599

A

1000-1832（2012）01-0088-05

2011-10-08

科技部吉林省科技人员服务企业项目（2009GJB10017）；吉林省科技发展计划项目（20110358）.

谢召醒（1984—），男，硕士研究生；乔双（1963—），男，博士，教授，主要从事图像处理、神经网络与模式识别研究.

石绍庆）