中子管用三電極離子聚焦系統的仿真研究

王　翠，喬　雙

(東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024)

中子管用三電極離子聚焦系統的仿真研究

王翠，喬雙

(東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024)

[摘要]建立了中子管三電極結構的離子聚焦系統模型.利用計算機仿真技術對加速電壓、加速間隙等影響束流形狀的參數進行了分析.通過改變加速間隙、加速電壓，得到了離子束聚焦位置和離子束在靶上分布面積的大量仿真數據，得出一些比較有價值的結論，這些結論對中子管加速系統的設計具有重要的參考價值.

[關鍵詞]軟件仿真；離子軌跡；聚焦；中子管

所有類型的中子管都包含4個部分[1-2]：(1)產生離子的離子源；(2)引出、加速系統；(3)離子轟擊的靶；(4)起到密封和絕緣部分的陶瓷管殼.我們所用的中子管是一種小型加速器中子源，具有體積小、可關斷、中子發射量可控、中子發射方式可控及密封中子管的特點.如今中子管在中子照相、中子治療、中子反恐、石油勘探、地質和礦物勘探等許多領域都有著廣泛的應用[3-6].不同應用中子在靶上產生的區域面積直徑不同，中子照相用的中子管要求中子在靶上產生的區域面積直徑小于10 mm，而中子元素分析則要求大于10 mm[7].離子聚焦系統是中子管的主要構成之一，它與離子源相連，通過系統中電極間的電場，并且從離子源的引出口引出束流.在電場的作用下，使其聚焦并形成一定發射角和散射角束流，轟擊到靶上.束流在靶上的分布情況直接影響到中子管的產額、使用壽命和熱穩定性等重要指標.改變離子聚焦系統的幾何尺寸、結構以及空間的電場，可以改變束流的光學特性.因此通過調試束流的光學特性，就可以改變中子管的工作性能.本文使用CST仿真軟件研究了三電極離子聚焦系統中的離子束聚焦位置和離子束在靶上的分布面積隨電極之間的距離、電壓的變化情況，為今后中子管照相、中子管元素分析提供重要的參考.

1離子聚焦系統仿真的理論依據

圖1　加速電極模型

離子聚焦系統采用三電極軸對稱結構.對稱軸設為Z軸，A電極為地電極，電位vA為0；b電極為引出正離子的電極，電位vb是負值；C電極為加速電極，起加速離子的作用，電位vC是負值(如圖1所示).通常情況下3個電極電位之間的關系為vA>vb>vC，這樣在3個電極之間建立起軸對稱電場[8].L為A電極和b電極之間的加速距離，L1為b電極和C電極之間的加速距離，Z軸坐標原點定在A電極孔中心.由于電極中心的孔徑比較小，所以只考慮中子管中心軸附近的電場分布即可，對于軸對稱靜電場、電位分布用Scherzer(謝而赤)公式表示[9]為：

(1)

(2)

其中：(1)式表示為A極板和b極板之間的電位分布；(2)式為b極板和C極板之間的電位分布.

如果只考慮一階近似，則近軸區域軸向和徑向電場強度為：

(3)

(4)

(5)

(6)

其中：(3)和(4)式為A極板和b極板之間的近軸區域軸向和徑向場強分布；(5)和(6)式為b極板和C極板之間的近軸區域軸向和徑向場強分布.

電場對正離子的作用力為：

fz=qEz=-qV′(Z)；

(7)

(8)

(9)

(10)

其中：(7)和(8)式為A極板和b極板之間的電場對正離子的作用力；(9)和(10)式為b極板和C極板之間的電場對正離子的作用力.由(8)和(10)式可看出，正離子所受徑向力fr和f1r的大小與v″(Z)成正比，而正離子所受力的方向由v″(Z)的符號來決定(因為r總是正數).當v″(Z)>0時，fr>0表示正離子受到遠離軸的力，使離子束發散；當v″(Z)<0時，fr<0表示正離子受到指向軸的力，使正離子束匯聚.

2三電極離子聚焦系統的仿真

CST(Computer Simulation Technology)是全球最大電磁場仿真軟件公司CST出品的三維全波段電磁場仿真軟件.CST成立于1992年，總部位于德國達姆斯塔特市，其軟件產品CST是專門面向3D電磁場設計者的一款最有效的、精確的三維全波段電磁場仿真工具，它是覆蓋靜場、簡諧場、瞬態場、微波毫米波、光波直到高能帶電粒子的全電磁場頻段的時域、頻域仿真軟件.并且包含7個工作室子軟件，集成在同一平臺上.可以為用戶提供完整的系統級和部件級的數值仿真分析[9].

本文采用CST中的粒子工作室的軟件包，用于分析和設計在加速帶電粒子束上的電磁場組件.利用CST軟件對三電極離子聚焦系統進行模擬，可以節省實驗費用和時間，獲得比較可信的數據，縮短開發周期.針對不同的加速間隙、極板電壓進行軟件仿真，通過對比找出并確定不同參數的改變對離子軌跡的影響[10].在圖1中設置：A電極是引出電極，直徑為34 mm，中間孔徑為5 mm的引出孔，厚度為1 mm；中間B電極的形狀與A電極相同；C電極為一個長金屬桶電極即加速電極，直徑為22 mm，孔徑為10 mm，加速桶長為45 mm，粒子的位置在A電極引出孔的圓心處.

2.1改變A極板與B極板間距離產生的影響

為了詳細說明在不同加速間隙下，粒子的聚焦位置及離子束流在C電極靶上的分布面積，本文進行了CST軟件仿真.仿真共采用了7組數據，固定A極板與C極板之間的距離為15 mm，改變B極板與A極板之間的距離，3個電極電壓分別為EA=0，EB=-20 kV，EC=-120 kV.A電極與B電極的加速間隙為1～7 mm，其他條件不變.

通過大量的仿真結果研究發現：A極板與C極板之間距離保持15 mm不變，隨著B極板與A極板之間的距離逐漸增大，則B極板與C極板的距離逐漸減小，聚焦效果越來越明顯，聚焦點離A電極越來越近，離子束流在C電極靶上的分布面積越來越大，但是當B電極與A電極距離增大到一定程度的時候，聚焦點的位置不發生顯著變化(如圖2所示).

圖2聚焦位置與A、B極板間距離的關系

2.2改變B極板電壓產生的影響

保持其他參量不變，固定A極板與C極板之間的距離為15 mm，當A極板與B極板之間加速間隙為5 mm，EA=0，EC=-120 kV，只改變B極板的電壓值，電壓值分別為-5，-10，-15和-20 kV，B極板電壓的變化對粒子軌跡的影響如圖3所示.從圖3中的仿真結果可以看到，B極板電壓的改變，粒子聚焦變化明顯.通過大量的仿真實驗發現，隨著B極板電壓的減小，聚焦點離A極板越來越遠，且離子束流在C板靶上的分布面積越來越小.

圖3　B極板電壓與聚焦位置的關系

2.3改變C極板電壓所產生的影響

保持其他參量不變，固定A極板與C極板之間的距離為15 mm，當A極板與B極板之間加速間隙為5 mm，EA=0，EB=-20 kV，只改變C極板的電壓值，電壓值分別為-120，-100，-80和-60 kV.C極板電壓的變化對粒子軌跡的影響如圖4所示.從圖4中的仿真結果可以看到，粒子的聚焦變化明顯，通過大量的仿真實驗結果發現，隨著C極板電壓的增大，聚焦點的位置越來越遠離A電極，且離子束流在C電極靶上的分布面積越來越小，聚焦效果越來越不明顯，.

圖4　C電極電壓與聚焦位置的關系

3結論

中子管的離子聚焦系統是中子管正常運作的主要部分，本文主要針對的是潘寧離子源中子管的聚焦系統進行了研究.首先對離子聚焦系統進行了理論分析，導出了離子束聚焦、發散的條件.然后運用CST軟件對潘寧離子源中子管的離子引出與加速系統進行仿真實驗，在探索三電極離子聚集系統的聚焦面和聚焦位置的實驗中取得了階段性的進展.通過大量的仿真實驗，得到了比較有價值的結論：

(1)B極板與A極板的距離發生改變，對離子軌跡影響較大.離子束聚焦點的位置隨著B極板與A極板間距離的增大，而越來越靠近A電極.但兩極板之間的距離增大到一定程度時，聚焦點的位置變化不是特別明顯.

(2)隨著B極板與A極板距離的增大聚焦效果越明顯.離子束流在C電極靶上的分布面積隨著B極板與A極板距離的增大而增大.

(3)改變B極板電壓對粒子軌跡有明顯地影響.聚焦點的位置隨B電極電壓的減小而遠離A極板，離子束流在C電極靶上的分布面積隨B電極電壓的減小而越來越小.

(4)改變C電極電壓對離子軌跡也有明顯地影響.聚焦點的位置隨C電極電壓的增大而遠離A極板，離子束流在C電極靶上的分布面積隨C電極電壓的變化一致.

[參考文獻]

[1]萬瑞蕓.小型潘寧離子源中子管離子光學系統的研究[D].綿陽：中國工程物理研究院，2009.

[2]董煥.反射式煤質分析中中子源和探測器之間慢化屏蔽體研究[D].長春：東北師范大學，2014.

[3]羅順忠，楊本福，龍興貴.中子發生器用氚靶的研究進展[J].原子能科學技術，2002，36(4/5):290-296.

[4]喬亞華，中子管研究進展及應用[J].核電子學與探測技術，2008，28(6)：1134-1139.

[5]肖坤祥，周明貴，談效華，等.用于石油測井中子管的微型潘寧源的研制[J].核技術，2005，28(7):550-553.

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[8]杜秉初，汪健如.電子光學[M].北京：清華大學出版社，2002:166-186.

[9]金斗英，金泰誅，蘇蔭權，等.中子管離子束系統[J].吉林大學自然科學學報，1995，11(4)：31-35.

[10]馬繼峰，王美娥，周春梅，等.基于CST軟件達的控制系統電磁脈沖環境分析研究[J].航天控制，2013，31(1):67-74.

(責任編輯：石紹慶)

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

[文章編號]1000-1832(2016)02-0099-04

[收稿日期]2014-12-14

[基金項目]國家自然科學基金資助項目(11275046，11305034)；國家重大科學儀器設備專項項目(2013YQ040861).

[作者簡介]王翠(1989—)，女，碩士研究生；通訊作者：喬雙(1963—)，男，博士，教授，博士研究生導師，主要從事功率電子學、核電子學及相關應用領域研究.

[中圖分類號]O 571[學科代碼]140·65

[文獻標志碼]A

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