中子管用射频离子源的结构设计及束流引出实验研究

At present, Penning ion source has been widely used as ion source for neutron tube in China. The study shows that Penning ion source can produce monatomic ion which is less than 20% among the plasma, limited by the ion source structure. Ion beam cause sputtering of the extraction aperture and the target seriously, the property of neutron tube would decrease as time goes on. The project is based on the experience that the neutron tube with Penning ion source can be manufactured successfully by our university. A new design plan is brought out for neutron tube with RF-driven ion source instead of Penning ion source.The RF ion source for neutron tube can extract current density greatly, and most of the ion species are the atomic ions, the beam utilization can reach more than 80%, Compared with conventional way, it requires fewer D and T gas in producing the same yield of neutrons, and costs considerably less sputtering questions on the target and the extraction aperture. So the challenge of short life as well as poor stability in previous technique will be resolved effectively by the proposed plan. A special experimental flatform was established to study the design of the RF-driven ion source, the extraction structure and to increase the extraction beam current. By the spectrum analysis technique and the measurement of extraction beam current, the density distribution law of discharge tube ions in axis will be tried to open out. The key problems will be solved such as the structural design of RF ion source for neutron tube, and ion extraction structure. The discharge mechanism of RF-driven ion source can be illustrated and the discharge law can be revealed, so the result of this project will provide important theory significance and application value for the innovation of neutron tube.

目前，国内多采用潘宁离子源作为中子管的离子源，研究发现，受离子源结构的束缚，潘宁离子源产生的单原子离子比不足20%，束流对引出极和靶的溅射严重，导致中子管性能下降。本项目在我们已有研制中子管的成功经验基础之上，拟用射频（RF）离子源替代潘宁离子源，提出一种新的中子管实现方案。采用RF离子源的中子管，引出的束流密度大，而且大多是单原子离子，束流的利用率可以达到80%以上，产生同等产额中子所需的氘，氚气体的量比较少，对引出极和靶的溅射损伤非常小，能够解决目前中子管寿命短、稳定性差的问题。通过建立专用实验平台，研究RF离子源的设计、离子引出结构及提高引出束流的方法。采用光谱分析技术结合引出束流测量，揭示放电管内离子分布规律。解决中子管用RF离子源的设计、离子引出结构等关键技术问题。对进一步阐明RF离子源的放电特性，揭示其放电规律，对加速中子管技术的创新发展，具有重要的理论意义和应用价值。

目前，国内多采用潘宁离子源作为中子管的离子源，研究发现，受离子源结构的束缚，潘宁离子源产生的单原子离子比不足20%，束流对引出极和靶的溅射严重，导致中子管性能下降。本项目在我们已有研制中子管的成功经验基础之上，用射频（RF）离子源替代潘宁离子源，提出一种新的中子管实现方案，从理论分析、实验探究等方面探讨了中子管用RF离子源的结构设计及束流引出的影响因素及规律。具体包括如下内容：1.研究适用于中子管的紧凑型RF离子源的结构设计；2.研究引出束流与RF离子源电子温度的关系；3.研究会切磁场、耦合天线参数和引出极对引出束流的影响；4.研究管内气压对引出束流的影响。本项目主要得到如下几方面结果：1.设计了多种中子管用RF离子源的结构。RF离子源工作时，耦合天线释放高频能量使放电管内的气体放电，充分电离，形成等离子体。研究结果发现，对于平面型天线的RF离子源，以电感耦合方式操作离子源更容易，射频电源功率效率高，等离子体密度大。2.研究结果表明：a.电子温度随射频功率和气压的增加而降低；b.电子密度随射频功率增加而增加；c.电子密度随气压增加；d.单原子离子浓度随等离子体密度增加而增加，随电子温度增加而降低，电子温度增高，引出有效束流将降低。3.实验表明离子源中如果电子密度大，离子的密度会增大，从而引出束流也会随之增大，研究发现，在放电管外壁增加会切磁场可以增加电离度，提高等离子体密度，提高引出束流10%左右。在此基础上，固定气压和引出电压条件，研究耦合天线能量与引出束流的关系，结果表明：引出束流强度随射频功率增大而增大。进一步探究发现引出束流随引出电压增加而增大，先快速增加，然后增速逐渐变缓。4.研究发现，我们所研制的平面型射频离子源内氢气的启辉和工作气压介于0.5Pa~6.5Pa之间。本项目的研究有助于解决中子管用RF离子源的设计、离子源引出结构等关键技术问题，对进一步揭示RF离子源的放电规律，研制射频高性能中子管，具有重要的理论意义和应用价值。