密封中子管氘-氘产额及二次电子抑制

刘国财，张培旭，刘志珍，李玮瑛，杨洪广

中国原子能科学研究院 反应堆工程研究所，北京 102413

中子管类似于加速器，它是把贮存器、离子源、加速系统和靶全部真空密封在陶瓷管内[1]，构成一支紧凑的真空器件(图1(a))。其工作原理是氘贮存器(热子)的电流增大时氘气会释放到真空系统中。当离子源施加一定的阳极高压时，离子源阴极表面少量的电子逸出并增殖，在离子源内电场与磁场的作用下电子与氘气碰撞产生大量的氘离子。带正电的氘离子通过加速电极轰击到靶上，当靶上吸附氚的时候会发生D(T,n)4He反应，产生能量为14.1 MeV的中子；当靶上吸附氘时会发生D(D,n)3He反应，产生能量为2.44 MeV的中子。与普通的同位素中子源相比，中子管中子产额高，能谱单色性好，γ射线本底低，体积小、质量轻，可以随时控制中子产生，同时中子管可以产生脉冲中子。随着中子管技术的发展，它已经被广泛应用到中子测井、物料分析、中子照相、爆炸物检测、毒品检测等各个领域[2-5]。

图1 中子管结构(a)及内部控制参数(b)

中子管产额稳定性是中子管面临的一项难题。国内中子管产额稳定性一般在5%左右。中子管产额不稳定对中子管的应用具有一定的影响。秦爱玲等[6]表明采用闭环控制电路是中子管提高产额稳定性的普遍手段，即通过中子产额反馈调节中子管的工作参数使产额达到稳定。中子管工作参数会对产额有一定的影响。中子管的工作参数主要有热子电流、阳极高压及靶极高压。如NT802型自成靶陶瓷中子管给出热子电流与阳极电流关系[1]，热子电流微小变化，阳极电流会发生很大变化，因此热子电流对产额影响较大。徐绍曾[7]也指出热子电流对中子管产额为单增函数。阳极高压通过影响阳极电流及质子比从而影响产额。质子比与阳极高压呈非规律性关系[8-10]，随着阳极高压升高，质子比有增加也有减小[2]。靶极高压通过影响反应截面和靶流从而影响中子产额，徐绍曾[7]指出氘氚中子产额与靶极高压呈二次方关系，魏宝杰[9]指出氘氚中子产额与靶极高压呈指数关系，这主要是中子管结构不同造成的。

中子管参数及结构差异造成中子管的工作参数与产额关系呈非固定性关系，本工作拟对自制的D-D中子管的工作参数与产额进行研究，以得到中子管最佳工作参数范围及其对产额的影响规律，为今后中子产额稳定性的反馈调节提供依据。此外，中子管工作时氘靶靶面会产生大量二次电子，二次电子虽然对中子产额影响很小但是对中子管寿命[11]有一定的影响，因此本工作也进行中子管二次电子抑制实验，以得到二次电子抑制最小电阻及电压。

1 实验部分

1.1 仪器和材料

D-D中子管、高精度电流源、高精度电压源，自制；已标定完成的长硼计数管，10 m的高压控制线，10 m数据线，直流高压发生器(直高发)，He-3管(φ25 mm×700 mm)，聚乙烯慢化筒，阻值分别为3.0、4.5、6.6、8.7、13.3 MΩ的电阻，市售。

1.2 实验方法

1.2.1中子产额标定实验 首先采用已标定的长硼计数管对未标定的He-3管进行相对标定，得到He-3计数与中子产额关系曲线，其次移走长硼计数管利用已相对标定的He-3管的计数对中子管的产额进行测量，建立中子产额与He-3管计数关系曲线。

1.2.2中子管工作参数对中子产额的影响实验 中子管工作参数控制如图1(b)所示，采用电流源给中子管提供热子电流，热子电流控制在0～900 mA；采用直流高压发生器(直高发)控制靶极高压输出，负高压输出范围在0～-120 kV；采用高精度电压源控制阳极高压输出，输出范围在0～3.0 kV。实验测量装置示于图2，He-3管距离中子管0.75 m，He-3管外嵌套20 mm厚的聚乙烯慢化体。中子管置于φ70 mm的聚四氟乙烯桶内，桶内充入500 kPa的SF6绝缘气体。桶下方与直流高压发生器相连，控制靶极高压输出；桶的上方与热子电流源及阳极高压源相连，分别控制热子电流及阳极高压。采用控制变量方法分别研究不同工作参数下的中子管产额，建立工作参数与中子产额的关系曲线。

图2 实验装置

1.2.3二次电子抑制实验 二次电子抑制实验装置示于图3。在加速电极与靶极之间加入一个抑制电阻，靶极电流(I)可以表示为：

图3 二次电子抑制装置

I=I1+I2+I3

(1)

式中:I1为氘离子轰击加速电极产生的电流，μA；I2为氘离子轰击氘靶产生的电流，μA；I3为氘离子轰击氘靶时产生的二次电子电流，μA。中子管工作参数一定时，I1与I2总和保持不变，改变二次电子抑制电阻的阻值，靶极电流会随着阻值改变而改变，靶极电流I的变化值等于二次电子电流I3的变化值。通过测量靶极电流的变化值，计算二次电子电流的变化值(ΔI3)。当ΔI3不随二次电子抑制电阻改变而变化时，表明此时二次电子完全被抑制。实验时采用的二次电子抑制电阻分别为3.0、4.5、6.6、8.7、13.3 MΩ。

2 结果与讨论

2.1 中子产额的标定

研究中子管工作参数对产额影响前，需要对中子产额测量装置He-3管进行标定实验。已标定了BF3中子探测器在距离中子源1.2 m处的产额，BF3计数率与中子产额关系如式(2)。

Y=1×105N

(2)

式中：Y为中子产额，s-1；N为BF3计数率，s-1。

中子管在相同的工作参数下，同时对He-3管和BF3探测器进行计数，得到图4(a)所示的BF3计数与He-3管计数关系曲线。根据式(2)将BF3计数转化为中子产额，得到如图4(b)所示的He-3管计数率与中子产额关系(式(3))。

(a)——BF3计数与He-3管计数关系，(b)——He-3管计数率与中子产额关系

Y=6 384.62N1+5 179.89

(3)

式中：N1为He-3管计数率，s-1。

2.2 工作参数对中子产额的影响

(1) 热子电流对中子产额的影响

(a)：阳极高压，kV：■——2.6，●——2.3，▲——2.2；(b)：■——第一次实验，●——第二次实验，▲——第三次实验

(2) 阳极高压对中子产额的影响

研究阳极高压对中子产额影响时需要控制热子电流和靶极高压恒定。控制靶极高压为-80 kV，热子电流为305 mA。改变中子管阳极高压的值，得到阳极高压与He-3管计数(产额相对计数)的时间曲线示于图6(a)。由图6(a)可知：随着阳极高压的增加，中子产额并非线性增加，当阳极高压稳定时，中子管中子产额会出现产额下降的情况。同样采用式(3)将He-3管计数(产额相对计数)转换为中子管的中子产额，得到图6(b)所示曲线。由图6(b)可知：中子产额与靶极电流变化趋势一致。阳极高压从1.0 kV升高到2.6 kV时，中子产额先增加后趋于稳定然后再升高。造成阳极高压与中子产额非线性的原因主要是阳极高压对阳极电流的影响是非线性的。根据中子管封装前期实验数据可得，阳极高压与阳极电流关系曲线示于图7。由图7可知：阳极高压主要通过阳极电流影响中子产额，而质子比也会随着阳极高压变化而变化，但是影响不大。因为从图6(b)结果可知：阳极高压在1.2～2.4 kV时，中子产额基本在6×104s-1上下范围波动，而图7中第三次实验数据显示阳极电流也是在50 μA左右波动；当阳极高压升高到2.6 kV时，图6(b)中的中子产额增加将近2倍，图7中的阳极电流也增加2倍。因此从整体来看，实验所用中子管的阳极高压对产额影响主要通过阳极电流影响中子产额，而质子比影响较小。

热子电流为305 mA，靶极高压为-80 kV

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

中子管需要较高产额时阳极高压需要超过2.2～2.6 kV(取决于热子电流大小)。由于阳极高压与中子产额的非线性关系，因此对中子产额稳定性调节时应避免调节阳极高压。

(3) 靶极高压对中子产额的影响

研究靶极高压对中子产额影响时，需要控制热子电流和阳极高压恒定。控制阳极高压为2.6 kV、热子电流为300 mA及306 mA时，逐渐升高靶极高压(从-50 kV升高到-90 kV)。当靶极高压稳定后得到He-3管的计数，同样根据式(3)将He-3管计数转换为中子产额，得到结果示于图8。由图8可知：随着靶极高压的增加，中子产额逐渐增大。靶极高压与中子产额关系曲线呈非线性增长趋势。随后采用厚靶产额计算方程研究靶极高压对中子产额关系曲线，并与实验数据进行对比。

热子电流：■——306 mA，●——300 mA

对于氘氘中子管，氘钛靶厚度为2 μm，需要采用厚靶中子产额计算公式(4)。

(4)

式中：Y(E0)为每个氘离子的中子产额，s-1；E0为入射氘离子初始能量，MeV；ND为氘靶中氘的体密度，cm-3；σD-D为氘氘反应截面，bar(1 bar=100 kPa)；(dE/dx)TiD1.8为氘离子在氘钛摩尔比为1.8的膜中的能量损失，keV·cm2/mg。靶极高压会影响式(4)中的E0，即入射氘离子初始能量。本工作考虑入射氘离子初始能量=靶极高压×电荷(e)。

式(4)中的氘氘反应截面可以在核数据中心[12]得到。氘离子在氘钛比为1.8的膜中的能量损失可以采用SRIM(stopping and range of ions in matter)计算得到。不同氘离子初始入射能量与能量损失关系示于图9。图9为不同的氘束流轰击厚度为2 μm钛膜、氘气以及氘钛比为1.8的氘钛膜的能量损失结果。因此式(4)中的积分项可以采用反应截面数据除以图9中的数据并做积分。初始假设靶极高压与束流密度成线性关系，与式(4)中的积分项相乘，得到中子产额的相对计数随靶极高压(入射氘离子初始能量)的变化趋势，结果示于图10，实验得到的中子产额和靶极高压的关系也示于图10。由图10可知，拟合数据的变化趋势与实验结果不符。因为靶极高压与束流密度大小不是简单的线性关系，又采用指数关系拟合，得到结果也不理想。由于靶极高压与束流密度呈现复杂关系，很难精确得到中子产额与靶极高压的关系式。因此对于不同结构的中子管，其中子产额与靶极高压具体关系需要依靠实验数据拟合。对于中子产额稳定性反馈调节时，理论上可以通过改变靶极高压调节中子管中子产额。

■——Ti膜，●膜

图10 中子产额实验数据与拟合数据对比结果

2.3 二次电子抑制实验

中子管工作时，离子源产生的氘离子被加速电极引出，带正电的氘离子在-100 kV的高压电场下加速轰击到氘靶上产生中子。离子束流轰击到氘靶时会产生大量的二次电子，一部分二次电子会进入加速空间形成电子电流，电子电流叠加在离子束流形成总的靶流，电子电流不产生中子，但是消耗总功率，增加电源负载[13-15]。产生的二次电子在加速电场作用下会撞击中子管内壁结构材料，同时间接影响靶极氘束流品质[16]。因此对于中子管的二次电子抑制不仅可以减少中子发生器的总功率，同时能适当提高束流品质提高中子管寿命。

目前中子管采用最多的抑制方法为电场抑制。如图3所示在氘钛靶与靶极高压增加一个抑制电阻，通过控制阳极高压为2 kV、靶极高压为-100 kV、热子电流为305 mA、阳极电流为300 μA，得到不同二次电子抑制电阻下的靶流情况示于图11。将未添加抑制电阻作为对照组，与其他5组抑制电阻进行实验对比。结果表明：随着抑制电阻增加，总靶流减少，根据实验方法中介绍总靶流减少量等于二次电子电流被抑制量。图11中抑制率计算如式(5)。

实验次数：——第一次，▭——第二次

(5)

随着抑制电阻阻值增加，二次电子产生的电流逐渐减少，当阻值达到某一值时，靶流不再减少，表明二次电子全被抑制住。当抑制电阻为3.0 MΩ时，抑制效果不明显。当抑制电阻为4.5 MΩ时，抑制率为12.50%。但是当电阻阻值增加至8.7 MΩ时，二次电子抑制率达到37.50%，继续增加抑制电阻为13.3 MΩ，抑制率仍为37.50%，说明抑制电阻为8.7 MΩ(抑制电压403 V)时，二次电子完全被抑制，继续增加抑制电压(抑制电阻)抑制率不变。因此中子管二次电子最小抑制电阻为8.7 MΩ，抑制电压为403 V。

3 结 论

研究了中子管的工作参数与中子产额的关系，为今后中子管中子产额稳定性反馈调节提供依据。并通过实验得到中子管二次电子抑制电阻与二次电子抑制率关系，得到以下结论。

(1) 中子产额随着热子电流增加而增加。在靶极高压为-80 kV、阳极高压为2.6 kV时，热子电流最佳调控范围为290～305 mA。

(2) 阳极高压对中子产额影响呈非线性关系。靶极高压为-80 kV、热子电流为305 mA时，随着阳极高压升高，中子产额先在6×104s-1范围波动，当阳极高压升高到2.6 kV时，中子产额迅速升高。阳极高压主要通过阳极电流影响中子产额。当中子管需要高产额时，需要调节阳极高压高于2.6 kV。

(3) 靶极高压越高，氘氘中子管中子产额越高，但是受到管体绝缘性要求，一般靶极高压控制在-120～-100 kV。

(4) 自制D-D中子管二次电子抑制电阻为8.7 MΩ或抑制电压在403 V时，二次电子能被完全抑制。