金属氘化物电极真空弧离子源中性粒子密度演化机制研究

The vacuum arc ion source with a metal deuteride cathode is the key device for compact vacuum-sealed neutron generators. During the ion source operation, lots of neutral particles can be produced due to micro-volume explosion and thermal desorption. These neutral particles interact with ions via elastic and charge-excharge scattering, directly distorting the composition, charge distribution, total flux and flux angular distribution of the ouput ion beams extracted from the ion source. Up to the present, however, the research effort on the neutral particles is retarded by the technical challenges from the experimental dignostics. This project is devoted to develop an effective measurement technique to diagnose the spatio-temporal distribution of the density and the compostion of the neutral particles, as well as theoretical models to reveal the physical mechnisms. In experiments a fast ionization gauge combining with the optical emission measurement is built to determine the neutral particle density and composition; In models the heat-mass-conservation equations and the magnetohydrodynamics eqautions are applied together to self-consistently describe the interaction between the neutral paricles and the gas phase plasmas. This project research is important for both of the physical understanding enhancement of the vacuum arc ion source as well as the optimisation of its engineering design.

金属氘化物电极真空弧离子源是小型真空密封型中子发生器核心器件之一。离子源在工作时由于电极局部微爆炸和热致释气等动态过程将产生大量中性粒子。这些中性粒子与离子源输出的目标离子间发生弹性散射和电荷交换等作用，直接关系到目标离子的成分、电荷态分布、总通量以及通量角分布等关键参数，因此对后续离子打靶的束流品质造成显著影响。然而一直以来由于实验诊断的困难，对金属氘化物电极真空弧离子源工作瞬态的中性粒子参数缺乏深入研究。本项目致力于开发有效的实验测量手段探索中性粒子成分和密度的时空演化过程，并建立理论模型揭示相关的物理机制。实验上通过自主设计的快速响应电离规结合发射光谱获取中性粒子成分和密度演化的实验数据；理论上结合电极热质输运模型和磁流体模型描述中性粒子从电极释放到参与等离子体放电的输运和化学过程，获得中性粒子参数自洽演化的计算结果。本课题研究对于提高真空弧离子源的物理认识以及优化设计具有重要意义。

含氘金属阴极脉冲真空弧放电广泛地用作氘离子源，其氘离子产生的上限很大程度上决定于阴极释放氘分子的总量（DRQ）。本项研究工作旨在不同放电条件下测量DRQ，同时开发一套热电耦合物理模型用于评估不同来源的氘释放量，例如放电期间蚀坑周边和余辉中热蚀坑释放的氘。模型计算的DRQ数值与实验结果基本符合，其中实验结果利用四级杆质谱仪在余辉早期测量的氘气分压演化过程来获得。进一步地，模型计算结果表明，在小弧流（<10A）的情形下，阴极释放的氘气主要来自于蚀坑的周边，这将导致氘气转化成氘离子的概率很低，同时在阴极总释气中氘分子和金属钛的比例很高。. 此外，本项目还研究来阴极释氘的电离率，联合了实验诊断和模型计算两种方法。实验结果表明，随着放电弧流在2-100A范围内变化，阴极释氘的电离率从2%增长到30%。由此表明，目前文献报道中广泛使用的阴极释氘完全电离的假设，至少在小弧流放电下是不成立的。根据模型计算结果显示，即使对于那些穿过了整个阴极斑区的氘分子，它们转化成氘离子的概率也可能远小于1，原因在于等离子体在真空下的快速自由膨胀和密度稀释。另外，本项目还从模型中发现，与金属原子绝大部分在阴极斑鞘层区发生电离并返回阴极不同，氘分子主要在准电中性区发生电离并向阳极运动。因此，阴极斑鞘层区的作用类似于离子过滤器，可以有效地提升鞘层区以外的氘离子比例。