中子管用PIG负氢离子源及其束流引出实验研究

黄继鹏，乔 双

(东北师范大学 物理学院，吉林 长春 130024)

中子管是将离子源、加速系统、靶以及气压调节系统密封在一个陶瓷或玻璃管内，形成一个小型的特种电真空器件[1-3]。

目前，以PIG源为离子源生产的中子管普遍采用引出正离子的方式[4-5]，在靶端加-60 kV～-120 kV的负高压将离子源产生的氘离子和氚离子加速，与靶发生核反应产生中子。在离子束流被加速过程中，包围靶的法拉第筒表面易形成电子的场致发射点。这些电子有些打向陶瓷壁，造成陶瓷外壳绝缘性能下降；有些打向加速间隙的地电极，形成暗电流，对高压电源产生不利影响。在引出的离子束流中含有单原子离子、分子离子、三原子离子等，而分子离子、三原子离子的速度的平方是单原子离子的1/2和1/3，对中子产额的贡献很小。另外，不锈钢材料中的碳及陶瓷材料中的氧也可形成正离子，并被加速，对中子产额无贡献。但这些无贡献或贡献小的重离子打到靶上引起溅射，使靶材料有较大消耗，缩短了靶的寿命，导致中子产额快速减小。重离子打到靶上还会产生二次电子，这些电子若进入离子源，会破坏离子源的工作状态，产生雪崩放电等严重后果，因此，须通过加偏转磁场或其他方法抑制二次电子。

PIG负离子源可产生氘、氚的负离子，在靶上加正高压可引出束流。多原子负离子存在时间较短[6-7]，引出的比例较小[5]，在去除引出束流中电子的情况下，引出束流多为单原子负离子，打到靶上产生中子的束流利用率可达80%以上。因此，本文设计一种适用于中子管的PIG负氢离子源，并对其束流引出进行实验研究，给出磁场、阴极材料及离子源的离子发射孔对引出负氢离子束的影响。

1 实验装置

用于产生负氢离子的PIG源及束流引出系统如图1所示。源的外形尺寸为φ48 mm×50 mm，源的磁场由φ16 mm×18 mm～φ22 mm×24 mm的SmCo磁钢产生，不同尺寸的磁钢均可在对阴极和引出阴极之间产生磁感应强度不小于0.15 T的平均约束磁场。磁感应强度从对阴极到引出阴极逐渐下降，呈单端发散型。因此，在引出阴极表面存在与表面平行、磁感应强度大于0.02 T的横向磁场，这一磁场可有效抑制电子从引出阴极孔逸出。通常，引出束流中电子仅占30%左右。引出束流中电子通过设置在离子源下方的磁过滤器和收集电极去除。两阴极间距12 mm，对阴极为φ12 mm×5 mm的圆盘，引出阴极尺寸为φ12 mm×4 mm，其上开有φ(3～5)mm的束流引出孔。在磁过滤器的下方设置一平面引出电极。实验时，将整个装置放置在真空系统中。

图1 永磁钢轴向引出PIG离子源

2 负氢离子产生机理

负离子的产生通常有两种方式——发生在放电室的空间过程和发生在电极的表面过程。

2.1 空间过程

由于永磁PIG源的气体放电形式为有磁场约束的冷阴极辉光放电，维持冷阴极辉光放电的电子流主要由离子轰击对阴极和引出阴极产生。并且，这一电子流在磁场约束下在对阴极和引出阴极间振荡，并与工作气体氢频繁碰撞，使气体分子激发和电离，形成富含激发态分子和离子的低温等离子体。电离形成的正离子向两个阴极运动，而阴极附近的电子能量约为0至数十eV，这一能量范围非常适于电子与激发态氢分子或氢分子离子碰撞形成负氢离子的空间过程。随着电子逐渐靠近阴极，其能量逐渐降低，负氢离子主要通过氢分子及离子的离解复合形成，反应式为：

(1)

H-+H

(2)

(3)

2.2 表面过程

3 实验结果分析

3.1 磁场的影响

由于实验所用的PIG源采用SmCo磁钢产生磁场，所以，离子源磁场的改变只能通过更换不同尺寸的磁钢实现。随着磁钢的直径和长度的增加，两阴极间的磁感应强度逐渐增强，磁场分布也随之有所改变。实验中，在相同电场内，引出束流中电子和负氢离子、多原子负氢离子所受的电场作用力相同，由于电子与负氢离子、多原子负氢离子的质量差异较大，所受洛伦兹力最大，在磁场中偏转半径较小，偏转最严重，磁过滤器选用表面磁感应强度0.02～0.03 T的一对磁钢，收集电极电压0～5 kV连续可调，可保证有效去除引出束流中的电子，对负氢离子的运动轨迹影响较小。离子源的电离电流保持在400 μA不变，束流引出孔φ4 mm，4种不同尺寸的磁钢部分实验结果列于表1。

由表1可见，在一定的放电电流下，当引出电压一定时，引出电流随磁钢尺寸的增加而增大；磁场一定时，引出束流强度随引出电压的增加而增大。这种现象可由两阴极附近磁场增强而使被约束在其邻域的电子密度增加导致负氢离子形成概率增大来解释。若固定引出电压，改变放电电流，随着磁场增强，引出负氢离子的束流强度也显著增大。

表1 负氢离子的束流强度随磁场的变化

3.2 阴极材料的影响

在冷阴极PIG离子源中，放电是由对阴极和引出阴极被离子轰击产生的二次电子来维持的。阴极的二次电子发射系数越大，不仅放电越易于形成和稳定，且负氢离子的产额也越高。实验中使用的离子源束流引出孔直径4 mm，离子源的电离电流保持400 μA不变，在不同的引出电压下，不同阴极材料的引出束流测量结果列于表2。

表2 不同阴极材料引出束流强度与引出电压的关系

由表2可知，阴极材料的引出束流随引出电压的增加而增大，随二次电子发射系数的增大而增大。在以LaB6为对阴极与铝、铜为引出阴极的组合中，由于LaB6对阴极的逸出功(2.3～2.7 eV)较低，在氢放电过程中，受离子轰击、溅射，除放电室含有La外，引出阴极表面还可形成La薄层，这一薄层的作用与铯溅射负离子源中的铯原子层的作用相似，可降低引出阴极表面材料的逸出功，这不仅使引出阴极的二次电子的发射作用增强，有助于空间产生负氢离子的过程，且有助于表面负电离过程。因此，在采用LaB6对阴极的永磁PIG源中，无须注铯亦可产生较多的负氢离子。

3.3 引出阴极发射孔径的影响

永磁冷阴极PIG离子源在引出正离子时，其引出阴极孔径经实验优化为3 mm。引出负离子时，由于负离子被居于放电柱中心的密集电子流排斥，负离子一般集中在放电柱外围。离子源中放电柱直径通过离子源实验系统中的铅玻璃观察窗测量，通常为2 mm左右。因此，为引出较强的负氢离子束，引出阴极孔径应适当增大。为验证这一点，在离子源的电离电流保持400 μA不变条件下，将引出阴极孔径从3 mm变到5 mm，得到不同引出电压下的束流强度示于图2。从图2可知，孔径大的阴极引出的负氢离子流强度也大。但当阴极孔径为3、4 mm时，随着引出电压的增加，引出负氢离子流强度呈饱和趋势或增势变缓。当阴极孔径为5 mm时，负氢离子流强度随引出电压的增加显著增大。

图2 引出阴极孔径对引出束流强度的影响

4 结语

离子源是中子管的核心部件，本文设计了一种中子管用PIG负氢离子源，并对离子源的磁场、不同阴极材料及引出阴极离子发射孔大小对引出负氢离子束流的影响进行了实验研究,为PIG负氢离子源中子管的研制提供了重要的实验数据。实验数据充分说明该负氢离子源可用于制作性能指标良好的中子管。显然，通过加大系统真空抽速和引出电源功率，优选阴极材料及其组合方式，适当提高放电强度，加大阴极发射孔和提高引出电压，由这种离子源引出更强的负氢离子束流是可行的。可预见，未来使用这种离子源的中子管的产额、寿命、稳定性等指标会明显提高。

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