中子发生器的纳秒脉冲聚束系统

周长庚 娄本超 邱 瑞 柯建林

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621900）

中子发生器的纳秒脉冲聚束系统

周长庚 娄本超 邱 瑞 柯建林

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621900）

为了用飞行时间法精确测量中子能谱，从俄罗斯Efremov电物理所引进了一台纳秒脉冲中子发生器。该中子发生器采用聚束系统产生纳秒脉冲束流，其中的纳秒脉冲信号源、高频聚束电源、负反馈调节系统等关键设备都是自主研制的。采用双扫描技术解决了聚束电源电压过高的问题，采用负反馈技术使纳秒脉冲聚束系统长期稳定工作。为了测量纳秒脉冲束流，研制了快脉冲同轴靶测量装置，测得中子发生器的离子束流脉冲半高全宽为1.5 ns，脉冲重复频率为1 kHz-4 MHz，束斑直径为10 mm。由于采用了电子回旋共振离子源(Electron Cyclotron Resonance, ECR)，所以该中子发生器具有发射度小、能散小、无灯丝、可长时间连续工作的优点，是中子物理研究的良好实验平台。

聚束，离子束流，纳秒脉冲，中子发生器

纳秒脉冲聚束系统对于研究核聚变过程的中子能谱是十分重要的。中子飞行时间法[1-3]是测量中子能谱最直接、最有效的方法，用此法测量的中子能谱能量范围宽、精度高，主要关心几个参数：一是谱仪的能量分辨率；二是中子能量范围内的中子计数ΔN。ΔN越大，信噪比越大，中子能谱的测量更精确。脉冲宽度尽可能窄也是重要的因素，纳秒脉冲聚束是唯一可以保证中子束脉冲半高宽小于1.5ns的方法。

美国[4]、日本[5]等都研制了带有纳秒脉冲聚束系统的中子发生器。这些纳秒脉冲中子发生器的脉冲半高宽在1.5-2 ns，脉冲中子产额约为103。中国原子能科学研究院建立600 kV中子发生器[6]纳秒脉冲系统的脉冲半高宽约1.5 ns，脉冲束平均流强30μA（脉冲中子产额约为102），脉冲重复频率1.5MHz，采用了高频离子源。用反冲质子法测量中子能谱下阈至50 keV时误差很大，不能满足开展精密物理实验的需要。

中国工程物理研究院核物理与化学研究所从俄罗斯Efremov电物理研究所引进了一台纳秒脉冲中子发生器。该中子发生器采用速调管（简称聚束筒）聚束系统产生纳秒脉冲束流，其中纳秒脉冲信号源、高频聚束电源、反馈调节系统、纳秒脉冲束测量系统等关键设备都是自主研制的。

纳秒脉冲中子发生器离子束流脉冲半高全宽为1.5ns，脉冲重复频率为1 kHz-4 MHz，脉冲束平均流强67 μA，束斑直径为10 mm，每个脉冲的中子产额约为1×103。首次采用ECR离子源[7]作为高压终端，与美国、日本等的同类中子发生器用离子源相比，优点是发射度小、能散小、无灯丝、连续工作时间长。这些措施使纳秒脉冲离子束波形更稳定，连续工作时间更长。

1 纳秒脉冲聚束系统工作原理

纳秒脉冲聚束系统如图1所示，主要由扫描板、聚束筒、切割器、扫描电源、聚束电源、直流偏移电源、纳秒脉冲信号源、测控系统等组成。其工作原理是：在高频扫描电压的作用下，使连续的离子束流得到垂直于行进方向的不同速度，经过切割器时被切割成一段段较宽的脉冲束(约40 ns)；在束传输通道中插入双间隙聚束筒，利用速度调制，使原来均匀的离子束，经过一段漂移距离后，出现密度的交变分量，某些晚出发的离子，以快的速度赶上早出发的离子，形成峰值较大、宽度较窄的纳秒脉冲束(1.5 ns)。

图1 纳秒脉冲聚束系统原理图Fig.1 Schematic drawing of nanosecond beam bunching system.

2 纳秒脉冲聚束系统关键部件的研制

2.1纳秒脉冲信号发生器

纳秒脉冲信号发生器的原理如图2所示，信号发生器主要由宽带存储示波器、波形发生器、函数信号发生器、计算机、信号测试接口、系统软件组成。其工作过程为：通过计算机为波形发生器和函数信号发生器设定三路固定频率、固定信号幅度、固定相位差的高频信号(1-8 MHz，5 V)，作为水平扫描、垂直扫描和聚束的激励信号源，当三组电源输出信号的频率、幅度、相位差发生变化时，这些变化经信号测试接口接受并整形后送示波器，示波器把测定的波形进行模数变换后再反馈至计算机，计算机对信号进行分析并与原设定的信号进行比较，根据结果调整波形发生器和函数信号发生器的设置值，使水平扫描电源、垂直扫描电源和聚束电源的输出信号保持稳定。

图2 纳秒脉冲信号发生器的方框图Fig.2 Block diagram of the nanosecond pulse signal generator.

2.2聚束电源

根据聚束理论[8]，理想的聚束状态是聚束电源的频率应是扫描频率的2倍，且式(1)中的聚束参数A=1。

式中，L为等效漂移长度，m；A为聚束参数；Vb为聚束电压幅值，V；fb为聚束频率，Hz；V0为加速电压，V。

式(1)中fb与Vb成反比关系，聚束电源的频率取决于扫描电源的频率，扫描电源的频率又取决于所需要的输出脉冲束流的频率和宽度。在实际应用中，输出脉冲束流的频率有时要求在1 MHz以下。例如要求输出脉冲束流的频率为100 kHz，单扫描时，扫描频率应为100 kHz，聚束频率为200 kHz，通过式(1)计算聚束电压幅度将达到50 kV以上，如此高电压的聚束电源不仅研制难度大，使用中也会出现与聚束筒的连接问题。为了解决这些问题，在设计中采用离子束双扫描技术，即X扫描决定脉冲幅度和宽度，Y扫描决定脉冲频率，且X方向扫描和Y方向扫描的频率可以不一致。因此，聚束频率只与Y扫描脉冲频率有关，而与X扫描脉冲频率无关。仍以输出脉冲束流频率100kHz为例，X扫描脉冲频率设置为100 kHz，Y扫描决定脉冲频率可固定为1 MHz，聚束信号的频率为2MHz。根据式(1)计算得到，聚束电源电压Vb幅度约为10 kV，比单扫描时聚束脉冲幅度降低了5倍。

高频聚束电源主要由功率放大器、谐振电路、辅助电源、整流滤波电路、输入激励电路等组成，功率放大器是最关键部件。如图3所示，功率放大器由四极陶瓷风冷电子管为主，由于本功率放大器只放大单一频率(8 MHz)的信号，因此放大器是C类放大器。器件型号为选用景光电工厂引进EIMAC公司技术生产的钍钨阴极四极管4CX1500A，冷却方式为强制风冷。该管可工作于AB类或C类。4CX1500A灯丝独特的结构，使其具有很好的稳定性、长寿命和通用特性。

图3 功率放大器电路原理图Fig.3 Schematic drawing of the power amplifier.

2.3负反馈系统

纳秒脉冲聚束系统要求长期稳定的工作，必须使整个系统处于系统的负反馈状态下。负反馈技术的原理如图4所示。控制软件系统采用LabVIEW开发平台[9]研制。系统软件主要由主界面模块和反馈模块组成。

主界面模块：软件运行的主要执行模块，其功能是设置固定频率、固定信号幅度、固定相位差，并以图表形式显示设定结果和反馈结果。

反馈模块：该模块将水平扫描电源、垂直扫描电源和聚束电源的输出信号与设定值进行分析、比较、计算，得出实际值与设定值的偏差，用于波形发生器和函数发生器的调节。软件系统按照三路电源分开独立控制，保证三路信号间不产生相互制约。

带天线传感器的高频高压测试接口对高频扫描电源、高频聚束电源功率输出信号取样，以负反馈技术把测量信号回输到示波器，幅度设置、频率、相位设置、比较、计算调整值由计算机完成，数模转换、模数转换、频率相位测量由宽带示波器执行，波形发生器产生所要求的正弦波。由于采用国际上最先进的波形发生器，频率和幅度稳定度达到了千分之一。

图4 负反馈系统原理图Fig.4 Schematic drawing of the signal negative feedback system.

3 纳秒脉冲束流测量及结果

纳秒脉冲束流测量通常使用同轴靶。自行研制的同轴靶是一种电荷收集系统，它将离子流无畸变地转换成电信号，它能正确反映脉冲离子流特性的装置，可用来直接测量中子发生器的纳秒脉冲束流。设计合适的同轴靶与测量仪器相连，就能避免出现波形失真、延迟与衰减等一系列的问题。

同轴靶的内外筒直径设计，根据同轴靶特性阻抗计算公式(2)来选取。同轴靶中间采用聚四氟乙烯材料，其余部分全部采用黄铜材料。

式中，Z0为特性阻抗，Ω；D为外筒的内直径；d为内筒的外直径；μr为同轴靶内绝缘介质的相对磁导率，真空中取1；εr为同轴靶内绝缘介质的相对介电常数，聚四氟乙烯取2.3，中间采用聚四氟乙烯材料。

同轴靶的缝隙间距是指收集筒和屏蔽筒的间距。根据纳秒脉冲技术指标需求，进行缝隙间距的设计。设计完成的同轴靶测量系统结构如图5所示。在同轴靶上测量到的纳秒脉冲波形如图6所示。

图5 同轴靶测量系统结构Fig.5 Structure of the coaxial target measuring system.

图6 在同轴靶上测量到的纳秒脉冲波形Fig.6 Nanosecond pulse waveform measured with coaxial target.

源到探测器的距离为195 cm。测量到的中子波形半高宽为1.00 ns。中子发生器纳秒脉冲氘离子束流技术指标如表1。

表1 纳秒脉冲氘离子束流技术指标Table 1 Nanosecond pulse deuterium ion beam technical index.

4 结语

建立的中子发生器纳秒脉冲聚束系统具有脉冲中子产额高（达到每个脉冲产生1×103个中子）、脉冲重复频率范围宽(1 kHz-4 MHz)的特点。采用了ECR离子源的优点是发射度小、能散小、无灯丝，可长时间连续工作在大脉冲束平均流强状态(67μA)，且不需要经常更换离子源中的部件。采用了双扫描技术，降低了聚束电源电压幅度。

1 Huber P, Lewanndowski F, Platlner R, et al. A time-of-flight spectrometer for fast neutrons[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1961, 14(3): 131-137

2 Sumita K, Takahashi A, Lidn T. Status of OKTAVIAN I and proposal for OKTAVIAN II[J]. Nuclear Science and Engineering, 1990, 106(2): 249-265

3 Pivarc J, Hlavac S. The multipurpose 14-MeV neutron source at Bratislava[J]. Nuclear Science and Engineering, 1990, 106(3): 266-278

4 Krizinger J J, Mcmrrray W R, Nuspliger R J. Versatile klystron bunching system for 5.5 MV Van de Graaff accerator[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1972, 101(3): 573-581

5 Anderson J H, Swann D A. A bunching and chopping system for the generation of short duration ion bursts[J]. Nuclear Instruments and Methods,1964, 30(1): 1-22

6 吕建钦, 谢大林, 全胜文, 等. 600 kV毫微秒脉冲中子发生器研制[J]. 原子能科学技术, 2003, 37(4): 376-380

LYU Jianqin, XIE Dalin, QUAN Shengwen, et al. Development of 600 kV ns pulse neutron generator[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2003, 37(4): 376-380

7 Voronin G, Solnyshkov D, Svinin M, et al. High current ECR ion source[J]. Nuclear Instruments and Methods, 2000, B161(2): 1118-1120

8 吕建钦, 全胜文. 北大4.5 MV静电加速器束流脉冲化系统[J]. 原子能科学技术, 1995, 29(2): 102-107

LYU Jianqin, QUAN Shengwen. Beam pulsing system for 4.5-MV electrostatic accelerator at Peking University[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1995, 29(2): 102-107

9 杨乐平, 李海涛, 杨磊. LabVIEW程序设计与应用[M].北京: 电子工业出版社, 2005: 10-36

YANG Leping, LI Haitao, YANG Lei. Design and application of LabVIEW program[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2005: 10-36

CLCTL51

Nanosecond pulse bunching system of a neutron generator

ZHOU Changgeng LOU Benchao QIU Rui KE Jianlin
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, Chinese Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background:In order to accurately measure the neutron spectrum using time-of-flight method, a nanosecond pulse neutron generator is introduced from Efremov Institute of Electric Physics, Russia. Purpose: The nanosecond pulse ion beam current is generated by a bunching system. Some key equipments (nanosecond pulse signal source, high frequency bunching power supply, adjustment system of the negative feedback, etc.) are developed by ourselves for the localization of the components. Methods: The problem of high bunching power supply voltage is solved with bidirectional scanning technology. The negative feedback technology makes the nanosecond pulse bunching system of long-term stability. In order to measure the nanosecond pulse beam, a fast pulse Faraday cup measurement device is developed. Results: The Full Width at Half Maximum (FWHM) of the neutron generator ion beam pulse is 1.5 ns, and the pulse repetition frequency-range is 1 kHz-4 MHz, beam spot diameter is about 10 mm. Conclusion: Because the Electron Cyclotron Resonance (ECR) ion source is used in neutron generator, it has a number of advantages, such as small emittance, small energy divergency, no filament and long-time continuous working stability, which is a good experimental device for neutron physical research.

Bunching system, Ion beam, Nanosecond pulse, Neutron generator

TL51

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060205

周长庚，男，1956年出生，2001年于四川大学获博士学位，研究员，从事核技术及应用研究工作

2013-10-24，

2013-12-14