真空弧离子源产生的混合粒子束辐照对氧化铝陶瓷真空沿面闪络性能的影响研究

The influence of particle beam irradiation on vacuum flashover characteristics of dielectric is an important problem in the performance study of vacuum solid composite insulating system. Particle beam used in relevant research commonly included ultraviolet laser, X-Ray, electron beam, but barely involved ion beam. The influence of ion beam irradiation on vacuum flashover characteristics of insulators is an important problem in the reliability study of electronic vacuum device and ion accelerator. The influence of hybrid particle beam irradiation generated by vacuum arc ion source on the vacuum flashover characteristics of alumina ceramic will be investigated, according to the voltage withstand performance decline of sealed neutron tube shell under ion irradiation. In order to investigating the influence of different kinds of particle beam irradiation on the vacuum flashover characteristics of alumina ceramic samples，irradiation treatment will be taken by titanium atom, hybrid deuterium and titanium ion generated by vacuum arc ion source, and pure deuterium and titanium ion generated by ion accelerator. Mechanism of ion beam irradiation effects on vacuum flashover characteristics of ceramic material will be analyzed by researching the variation of surface topography, crystalline phase, surface defects distribution, surface conductivity and secondary electron emission coefficient. This work can provide important direction to the insulating structure designing and reliability estimating of neutron tube.

粒子束辐照对绝缘介质材料真空沿面闪络性能的影响，是真空固体复合绝缘系统性能研究的一个重要方面。目前相关研究中的辐照粒子束种类多集中于紫外激光、X射线与电子束，离子束辐照相关的研究工作开展的比较少，而离子束辐照对绝缘子真空沿面耐压性能的影响是电真空器件、离子加速器可靠性研究非常关注的问题。本项目针对离子束辐照引起密封中子管陶瓷管壁真空沿面耐压性能下降的问题，开展真空弧离子源产生的混合粒子束辐照对氧化铝陶瓷真空沿面闪络性能的影响研究。拟用真空弧离子源产生的钛原子、氘钛混合离子以及离子加速器产生的纯氘离子和纯钛离子分别对氧化铝陶瓷样品进行辐照处理，研究不同类型粒子束辐照对样品真空沿面闪络性能的影响；对样品表面形貌、晶相结构、缺陷分布、表面电导率、二次电子发射系数的变化情况进行研究，分析离子束辐照影响陶瓷材料真空沿面闪络性能的物理机理。本项目研究对于中子管绝缘结构设计与可靠性评估具有重要指导意义。

项目以密封中子管管壁常用的氧化铝陶瓷作为研究对象，对真空弧离子源产生的混合粒子束辐照影响其真空沿面耐压性能的规律与机理开展了研究。实验研究发现，混合粒子束辐照会使氧化铝陶瓷的真空沿面耐压性能出现最大34%的降幅。分别对氧化铝陶瓷样品在纯D离子束辐照、纯Ti离子束辐照和金属原子溅射准金属化三种情况下的耐压性能变化规律进行了研究，发现D离子束辐照会使氧化铝陶瓷的耐压性能降低，并且D离子能量越低、离子注量越大，样品耐压性能降幅越大；而Ti离子束辐照以及Ti原子准金属化均会使样品的耐压性能获得小幅提升。这表明混合粒子束辐照后，氧化铝陶瓷真空沿面耐压性能下降的主导因素是D离子束辐照产生的辐照损伤效应。表征分析发现D、Ti离子束辐照后，氧化铝陶瓷表面晶粒的大小、分布以及晶相结构均没有发生显著的变化，表明离子束注入的能量沉积没有在晶粒尺度带来表面显微结构的显著变化。仿真计算表明，能量越高的离子在氧化铝中的射程越大，相同注量下离子束在氧化铝表面产生的辐照缺陷密度反而越低，这种变化趋势对于D、Ti离子是一致的，但两者对氧化铝陶瓷耐压性能的影响却不相同。本项目研究表明，混合粒子束辐照会降低陶瓷材料的真空沿面耐压性能，因此在密封中子管束流光学设计上应尽量降低杂散离子轰击陶瓷管壁的几率。本项目研究成果对密封中子管的工程设计具有重要的指导意义。