中子管用三电极离子聚焦系统的仿真研究

王　翠，乔　双

(东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024)

中子管用三电极离子聚焦系统的仿真研究

王翠，乔双

(东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024)

[摘要]建立了中子管三电极结构的离子聚焦系统模型.利用计算机仿真技术对加速电压、加速间隙等影响束流形状的参数进行了分析.通过改变加速间隙、加速电压，得到了离子束聚焦位置和离子束在靶上分布面积的大量仿真数据，得出一些比较有价值的结论，这些结论对中子管加速系统的设计具有重要的参考价值.

[关键词]软件仿真；离子轨迹；聚焦；中子管

所有类型的中子管都包含4个部分[1-2]：(1)产生离子的离子源；(2)引出、加速系统；(3)离子轰击的靶；(4)起到密封和绝缘部分的陶瓷管壳.我们所用的中子管是一种小型加速器中子源，具有体积小、可关断、中子发射量可控、中子发射方式可控及密封中子管的特点.如今中子管在中子照相、中子治疗、中子反恐、石油勘探、地质和矿物勘探等许多领域都有着广泛的应用[3-6].不同应用中子在靶上产生的区域面积直径不同，中子照相用的中子管要求中子在靶上产生的区域面积直径小于10 mm，而中子元素分析则要求大于10 mm[7].离子聚焦系统是中子管的主要构成之一，它与离子源相连，通过系统中电极间的电场，并且从离子源的引出口引出束流.在电场的作用下，使其聚焦并形成一定发射角和散射角束流，轰击到靶上.束流在靶上的分布情况直接影响到中子管的产额、使用寿命和热稳定性等重要指标.改变离子聚焦系统的几何尺寸、结构以及空间的电场，可以改变束流的光学特性.因此通过调试束流的光学特性，就可以改变中子管的工作性能.本文使用CST仿真软件研究了三电极离子聚焦系统中的离子束聚焦位置和离子束在靶上的分布面积随电极之间的距离、电压的变化情况，为今后中子管照相、中子管元素分析提供重要的参考.

1离子聚焦系统仿真的理论依据

图1　加速电极模型

离子聚焦系统采用三电极轴对称结构.对称轴设为Z轴，A电极为地电极，电位vA为0；b电极为引出正离子的电极，电位vb是负值；C电极为加速电极，起加速离子的作用，电位vC是负值(如图1所示).通常情况下3个电极电位之间的关系为vA>vb>vC，这样在3个电极之间建立起轴对称电场[8].L为A电极和b电极之间的加速距离，L1为b电极和C电极之间的加速距离，Z轴坐标原点定在A电极孔中心.由于电极中心的孔径比较小，所以只考虑中子管中心轴附近的电场分布即可，对于轴对称静电场、电位分布用Scherzer(谢而赤)公式表示[9]为：

(1)

(2)

其中：(1)式表示为A极板和b极板之间的电位分布；(2)式为b极板和C极板之间的电位分布.

如果只考虑一阶近似，则近轴区域轴向和径向电场强度为：

(3)

(4)

(5)

(6)

其中：(3)和(4)式为A极板和b极板之间的近轴区域轴向和径向场强分布；(5)和(6)式为b极板和C极板之间的近轴区域轴向和径向场强分布.

电场对正离子的作用力为：

fz=qEz=-qV′(Z)；

(7)

(8)

(9)

(10)

其中：(7)和(8)式为A极板和b极板之间的电场对正离子的作用力；(9)和(10)式为b极板和C极板之间的电场对正离子的作用力.由(8)和(10)式可看出，正离子所受径向力fr和f1r的大小与v″(Z)成正比，而正离子所受力的方向由v″(Z)的符号来决定(因为r总是正数).当v″(Z)>0时，fr>0表示正离子受到远离轴的力，使离子束发散；当v″(Z)<0时，fr<0表示正离子受到指向轴的力，使正离子束汇聚.

2三电极离子聚焦系统的仿真

CST(Computer Simulation Technology)是全球最大电磁场仿真软件公司CST出品的三维全波段电磁场仿真软件.CST成立于1992年，总部位于德国达姆斯塔特市，其软件产品CST是专门面向3D电磁场设计者的一款最有效的、精确的三维全波段电磁场仿真工具，它是覆盖静场、简谐场、瞬态场、微波毫米波、光波直到高能带电粒子的全电磁场频段的时域、频域仿真软件.并且包含7个工作室子软件，集成在同一平台上.可以为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真分析[9].

本文采用CST中的粒子工作室的软件包，用于分析和设计在加速带电粒子束上的电磁场组件.利用CST软件对三电极离子聚焦系统进行模拟，可以节省实验费用和时间，获得比较可信的数据，缩短开发周期.针对不同的加速间隙、极板电压进行软件仿真，通过对比找出并确定不同参数的改变对离子轨迹的影响[10].在图1中设置：A电极是引出电极，直径为34 mm，中间孔径为5 mm的引出孔，厚度为1 mm；中间B电极的形状与A电极相同；C电极为一个长金属桶电极即加速电极，直径为22 mm，孔径为10 mm，加速桶长为45 mm，粒子的位置在A电极引出孔的圆心处.

2.1改变A极板与B极板间距离产生的影响

为了详细说明在不同加速间隙下，粒子的聚焦位置及离子束流在C电极靶上的分布面积，本文进行了CST软件仿真.仿真共采用了7组数据，固定A极板与C极板之间的距离为15 mm，改变B极板与A极板之间的距离，3个电极电压分别为EA=0，EB=-20 kV，EC=-120 kV.A电极与B电极的加速间隙为1～7 mm，其他条件不变.

通过大量的仿真结果研究发现：A极板与C极板之间距离保持15 mm不变，随着B极板与A极板之间的距离逐渐增大，则B极板与C极板的距离逐渐减小，聚焦效果越来越明显，聚焦点离A电极越来越近，离子束流在C电极靶上的分布面积越来越大，但是当B电极与A电极距离增大到一定程度的时候，聚焦点的位置不发生显著变化(如图2所示).

图2聚焦位置与A、B极板间距离的关系

2.2改变B极板电压产生的影响

保持其他参量不变，固定A极板与C极板之间的距离为15 mm，当A极板与B极板之间加速间隙为5 mm，EA=0，EC=-120 kV，只改变B极板的电压值，电压值分别为-5，-10，-15和-20 kV，B极板电压的变化对粒子轨迹的影响如图3所示.从图3中的仿真结果可以看到，B极板电压的改变，粒子聚焦变化明显.通过大量的仿真实验发现，随着B极板电压的减小，聚焦点离A极板越来越远，且离子束流在C板靶上的分布面积越来越小.

图3　B极板电压与聚焦位置的关系

2.3改变C极板电压所产生的影响

保持其他参量不变，固定A极板与C极板之间的距离为15 mm，当A极板与B极板之间加速间隙为5 mm，EA=0，EB=-20 kV，只改变C极板的电压值，电压值分别为-120，-100，-80和-60 kV.C极板电压的变化对粒子轨迹的影响如图4所示.从图4中的仿真结果可以看到，粒子的聚焦变化明显，通过大量的仿真实验结果发现，随着C极板电压的增大，聚焦点的位置越来越远离A电极，且离子束流在C电极靶上的分布面积越来越小，聚焦效果越来越不明显，.

图4　C电极电压与聚焦位置的关系

3结论

中子管的离子聚焦系统是中子管正常运作的主要部分，本文主要针对的是潘宁离子源中子管的聚焦系统进行了研究.首先对离子聚焦系统进行了理论分析，导出了离子束聚焦、发散的条件.然后运用CST软件对潘宁离子源中子管的离子引出与加速系统进行仿真实验，在探索三电极离子聚集系统的聚焦面和聚焦位置的实验中取得了阶段性的进展.通过大量的仿真实验，得到了比较有价值的结论：

(1)B极板与A极板的距离发生改变，对离子轨迹影响较大.离子束聚焦点的位置随着B极板与A极板间距离的增大，而越来越靠近A电极.但两极板之间的距离增大到一定程度时，聚焦点的位置变化不是特别明显.

(2)随着B极板与A极板距离的增大聚焦效果越明显.离子束流在C电极靶上的分布面积随着B极板与A极板距离的增大而增大.

(3)改变B极板电压对粒子轨迹有明显地影响.聚焦点的位置随B电极电压的减小而远离A极板，离子束流在C电极靶上的分布面积随B电极电压的减小而越来越小.

(4)改变C电极电压对离子轨迹也有明显地影响.聚焦点的位置随C电极电压的增大而远离A极板，离子束流在C电极靶上的分布面积随C电极电压的变化一致.

[参考文献]

[1]万瑞芸.小型潘宁离子源中子管离子光学系统的研究[D].绵阳：中国工程物理研究院，2009.

[2]董焕.反射式煤质分析中中子源和探测器之间慢化屏蔽体研究[D].长春：东北师范大学，2014.

[3]罗顺忠，杨本福，龙兴贵.中子发生器用氚靶的研究进展[J].原子能科学技术，2002，36(4/5):290-296.

[4]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)：1134-1139.

[5]肖坤祥，周明贵，谈效华，等.用于石油测井中子管的微型潘宁源的研制[J].核技术，2005，28(7):550-553.

[6]周大立，张洋，乔双，等.蓝牙技术在中子发生器控制台中的应用[J].东北师大学报(自然科学版)，2015，47(2):71-74.

[7]郭广平，陈启芳，邬冠华.中子照相技术及其在无损检测中的应用研究[J].失效分析与预防，2014，9(6)：388-393.

[8]杜秉初，汪健如.电子光学[M].北京：清华大学出版社，2002:166-186.

[9]金斗英，金泰诛，苏荫权，等.中子管离子束系统[J].吉林大学自然科学学报，1995，11(4)：31-35.

[10]马继峰，王美娥，周春梅，等.基于CST软件达的控制系统电磁脉冲环境分析研究[J].航天控制，2013，31(1):67-74.

(责任编辑：石绍庆)

The simulation research on ion focus system of three electrodes in neutron tube

WANG Cui，QIAO Shuang

(School of Physics，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

Abstract:Neutron tube three electrode structure model of ion focusing system was established.The computer simulation techniques have been used to simulate neutron tube in this paper.The process to analyse and calculate the acceleration voltage and acceleration gap of the neutron tube accelerator is based on CST analysis theory.Through a large number of simulating experiments data，The influence of acceleration gap and acceleration voltage on ion focus position and the distribution of the ion beam on the target area.That sums up some valuable conclusions shows important reference on Neutron tube to design of acceleration system.

Keywords:software simulation；particle trajectories；focus on the location；ion beam distribution area

[文章编号]1000-1832(2016)02-0099-04

[收稿日期]2014-12-14

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(11275046，11305034)；国家重大科学仪器设备专项项目(2013YQ040861).

[作者简介]王翠(1989—)，女，硕士研究生；通讯作者：乔双(1963—)，男，博士，教授，博士研究生导师，主要从事功率电子学、核电子学及相关应用领域研究.

[中图分类号]O 571[学科代码]140·65

[文献标志码]A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.02.021