真空弧源氘化钛电极释氘规律的研究

Vacuum arc source is one of important ion source for neutron tube, and it’s regarded to be a good way to achieve the compact and high pulsed yield neutron tubes. The TiD electrode is one of mainly parts of this ion source, whose deuterium release law decides the neutron waveform and amplitude. But this law is very complex to measure due to its coupling with plasma in the source. In order to measure this law during discharge, a new method combined tracer element and optical emission spectroscopy is proposed. This method first adds a little hydrogen into ion source, and then compares the intensity between Hα and Dα spectra to get the deuterium transient pressure, which could reflect the deuterium release law. Besides, in order to understand the physics mechanism behind the release law, establish equations of deuterium release reaction and heat transfer to simulate the experiment results and uncover the main heat progress which affects the law badly. This research program proposes a method to measure the deuterium release law for the first time, which has the advantages of cheap facilities, simple operations and high time resolution results. It could be a reference to research the high performance vacuum arc source.

真空弧源是一类非常重要的中子管离子源，它是目前实现小型化高峰值产额中子管的有效途径之一。氘化钛电极是真空弧源的重要组成部件，它的释氘规律决定着中子管峰值。但氘化钛电极中氘气的释放和离子源内等离子体瞬时状态耦合在一起，很难测量。为了准确测量放电时氘化钛电极的释放规律，提出了结合示踪元素法和发射光谱法测量离子源内氘气瞬态气压的新方法，此方法的基本原理是向离子源内添加少量氢气，然后对比Hα和Dα谱线强度得到离子源内氘气瞬态气压。此外，为了更深入理解释氘规律背后的物理机制，拟通过释氘反应方程和热传输方程对此规律进行模拟，在实验结果基础上，找到影响氘气释放的主要热输运过程。本研究首次提出了一种测量氘化钛释氘规律的实验方法，实验设备简单，操作简便，结果具有很高的时间分辨率，可为研制高性能真空弧源提供重要参考依据。

真空弧放电几乎可产生所有的金属和气体离子，而且流强很大，在工业上已被广泛应用于材料表面改性、石油探井、国土安全、中子治疗等众多领域。含氘电极真空弧放电是获得高流强氘离子的重要途径，特别适合用于脉冲工作状态和空间紧凑环境。在这类离子源中，最重要的参数是氘离子比例和流量。而这些都和放电时氘气在阴极中的释放过程有关，所以对此过程的研究至关重要。. 本项目主要研究了含氘电极阴极斑特征；建立了示踪元素法测量放电时残余氘气压的装置和方法，并根据该方法测量了残余氘气压随弧流、脉宽、频率、放电时刻的变化趋势；建立了根据真空腔气压推算单次放电所有释放氘气量的测量方法；基于电热效应和粒子扩散过程建立了氘气释放模型，模拟计算了总氘气量及各氘气产生通道的贡献。. 研究结果表明含氘电极阴极斑连续分布，呈絮状；液滴在阴极斑形成过程中具有重要作用；残余氘气来自靠近阴极斑蚀坑的阴极表面，其气压受弧流、脉宽和频率影响不大，在0.2 Pa附近单调变化；在单次放电过程中，残余氘气压先上升，后下降；单次放电释放的氘气量很少，真空腔气压增加不多；弧流低时，阴极表面的氘气释放占主要贡献，氘离子比例高，而弧流高时，蚀坑和阴极内部的氘原子占主要贡献，氘离子比例低。. 本项目的研究加深了我们对含氘电极真空弧放电过程的理解，同时指导了离子源设计工作。根据本项目的研究成果，优化了离子源工作参数和结构设计，结果氘离子比例在原来基础上提高50%以上。此外，本项目的研究成果还对中子管绝缘和吸气剂设计具有重要指导意义。