离子源及厚靶参数对氘氚反应中子源中子产额的影响

杨 振 龙继东 蓝朝晖 董 攀 彭宇飞 石金水

（中国工程物理研究院流体物理研究所 绵阳 621900）

D-T中子源可用于原子核物理、中子物理、反应堆物理、放射化学和放射医学等研究领域，也广泛应用于核数据测量、聚变堆材料辐照损伤研究、半导体抗辐射加固、中子辐照生物效应和中子医疗诊断等工程实验工作，是工农业生产和国防事业不可或缺的工具[1−3]。

加速器型D-T中子源分两类：一类是基于加速器装置的中子发生器，有动态真空系统；另一类是小型的密封装置，如中子管，有静真空系统。无论哪种结构类型，其工作原理基本相同，即氘离子源产生的氘离子经加速后轰击氚靶，发生核反应D+T→4He+n+17.6 MeV，获得能量为～14 MeV的单色中子。氚的衰变产物3He是惰性气体，在密封中子管中子源中，其很难被吸附并约束住，这将导致中子源内部高真空遭到破坏，致使高压绝缘性能下降，导致高压击穿，造成中子源失效。D-T中子源的中子产额及使用寿命，取决于离子源品质和厚靶状态，因此中子源物理设计须综合考虑这些参数对其性能指标的影响。

本文给出厚靶D-T反应中子产额的模拟计算方法，并分析了离子源产生的束流品质及靶膜材料的选择对中子产额造成的影响。提出了中子源的优化设计思路，并分析其可行性。

1 厚靶氘氚反应中子产额的模拟计算

对于D-T中子源，其厚靶的积分中子产额由式(1)给出：

其中，Y(E)为积分中子产额，E0为入射氘束能量，I0为入射氘束强度，NT为靶中氚的原子密度，σ(E)为T(d,n)4He反应的积分截面，E为氘离子在靶中的能量，S(E)为氘离子在靶中的阻止本领，dE为氘离子在靶中的能量损失。

计算厚靶的中子积分产额，可将厚靶分割成许多薄层，每层可视为薄靶，每一薄靶中产生的中子产额由式(2)给出：

其中，ΔYj(Ej)为第j层中产生的中子产额，Ej和ΔEj分别为氘离子在第j层中的能量和能量损失。则厚靶的积分产额可表示为所有薄层产额之和，即：

我们由此计算了氘离子束流能量120 keV、不同靶膜材料下D-T反应的中子产额。基于如下考虑，计算中我们假定靶膜中氚均匀分布。文献[4]研究了钛合金的氢分布，结果表明，氢在钛合金中虽呈非均匀性的深度分布，但将计算结果与文献[5]的实验结果比较，按均匀分布的假设进行计算仍是近似合理的。

计算中T(d, n)4He反应积分截面，我们采用文献[6]推荐的结果。氘离子在不同靶膜中的阻止本领，尚无完整的评价和推荐数据，故由SRIM-2003[7]的模拟计算得到。对于厚靶氘氚反应中子产额，只要将厚靶分割得足够薄，则薄靶近似带来的误差可忽略。因此，中子产额的计算误差主要来自于氘离子在不同材料厚靶中的阻止本领的误差。文献[8,9]用Monter- Carlo法计算了中子发生器的中子能谱和角分布，模拟结果与测量结果的比较表明，两者基本符合。则该方法对密封中子管也同样适用。

模拟计算得到的中子产额，是理想条件下的结果，D-T中子源实际的中子产额与氘离子源束流特性及靶的特性密切相关。氘离子源产生的离子成分会影响中子产额，其单原子氘离子比例，将直接影响中子源的效率。靶膜材料及元素组分的选择、靶表面氧化层或蒸镀金属保护膜等，也会影响中子产额。计算时未考虑入射氘离子的D-D反应对中子产额的贡献，因为D-D反应截面比D-T反应截面低约两个量级，其引起的中子产额的增加可忽略。

2 氘离子源束流成分对中子产额的影响

对于传统的中子发生器，即使离子源产生多种离子成分，经偏转、聚焦等离子传输后，最终打靶时已变为纯的单原子氘离子，不用担心多离子成分对中子产额的影响。而在密封中子管中，由于其结构及尺寸限制，无法引入类似的传输元件，因此也无法避免离子源产生的多离子成分对中子产额的影响。另外，该中子源需强流(～A量级)、短脉冲(～μs量级)氘离子束，一般用含氢电极的真空弧离子源，这种离子源产生单原子氘离子时，伴生大量的分子离子、金属离子及多电荷态离子。文献[10]给出了这类真空弧离子源放电产生的各种离子成分的相对含量，H+和 Ti2+占主要部分，还有 H2+、Ti+和 Ti3+等。这些离子对中子产额无贡献，反倒会造成靶膜损伤乃至烧蚀，还增加了次级电子发射。

图1 不同厚靶情况下D-T积分中子产额随氘离子能量(a)和百分含量(b)的变化关系Fig.1 Integrated neutron yields of D-T reaction for targets of different thicknesses as a fuction of (a) deuteron energy and (b)percentage of D+ in the incident beams.

我们用厚靶D-T反应中子产额的计算方法，研究了氘离子能量、束流中单原子氘离子份额、双原子氘离子等三种因素对中子产额的影响。图 1(a)是厚靶 TiT2.0、TiT1.5和 TiT1.0（下标是靶中氚钛原子比）的D-T反应积分中子产额随氘离子能量变化的计算结果。计算时假设束流全部为单原子氘离子，即仅关注氘离子能量对中子产额的影响。在所涉能量范围内(<160 keV)，三种厚靶的中子产额均随入射单原子氘离子能量呈指数式增长，提高入射氘离子能量对中子产额的贡献较大。但提高入射氘离子能量意味着提高加速电压，在D-T中子源中，特别是小尺寸、结构紧凑的真空器件中子管中，提高加速电压将会增大高压击穿概率，降低中子源的可靠性。因此合适的加速电压是整个中子源性能及可靠性的保证。

在这三种厚靶中，120 keV氘离子引发D-T反应积分中子产额随入射束中单原子氘离子百分含量变化的计算结果图1(b)。计算时，假设束流中其它成分对中子产额无贡献，仅关注单原子氘离子份额的改变对中子产额的影响。从图中看出，提高束流中单原子氘离子的含量，可在降低靶膜中氚含量的情况下不造成中子产额的损失。例如：离子源提供的束流中单原子氘离子含量若由20%提高到40%，而厚靶中氚含量降低一半(即由TiT2.0降到 TiT1.0)，中子产额由 1.82×107/μC 提高到 2.13×107/μC。鉴此，真空弧离子源设计的重点，是提高离子源产生束流中单原子氘离子的含量。另外，在能保证中子产额不变的前提下，减少靶膜中氚的含量，将会降低其衰变产物3He对真空的影响，有效提高中子源可靠性及使用寿命。

中子源物理设计中，为保持最终中子产额不变，可优化搭配离子源产生的氘离子份额和靶中氚含量两者间的关系。但从图1(b)可知，在氚含量不变、提高单原子氘离子份额对中子产额的贡献，与单原子氘离子份额不变、提高氚含量对中子产额的贡献的程度不相同。那么根据实际需要，选择合适的搭配比例关系就很必要。为此，定义单原子氘离子份额因子(α)和氚含量因子(β)，比较两者变化对中子产额的贡献，以为密封中子管物理设计提供依据。其中α是以离子源产生的单原子氘离子份额100%为参考单位1来定义，β是以Ti:T=1:2为参考单位1来定义。图2给出α与β相互关系的等中子产额曲线。图中阴影区域是中子发生器通常采用的真空弧离子源(Vacuum Arc, VA)、潘宁离子源(PIG)和高频离子源(RF)能产生的单原子氘离子份额一般所在的区域。通过比较分析，可为各种类型中子源的物理设计提供参考，根据具体的尺寸体积、参数要求、适用范围等来优化选择。比如，通过优化源的参数设定来减少靶中氚的用量，从而降低成本，并延长整体器件的寿命。

图2 α与β的等中子产额曲线Fig.2 The relationship between α and β with the same neutron yield.

密封中子管的真空弧离子源在产生单原子氘离子D+的同时，还产生一定份额的双原子氘离子D2+，其也会参与D-T反应，会对中子产额产生贡献。但对相同能量的D+和D2+， D2+的氘核数虽增加一倍，但每个氘核的能量却是原来的一半。若氘核能量为120 keV，其D-T反应截面为～60 keV时的三倍多。这样，氘核能量的改变对中子产额变化的贡献更大。我们计算了100%D+、50%D+和50%D2+两种束流情况下，120 keV时D-T反应的中子产额。计算时120 keV D2+等效为两个60 keV D+。结果显示，100%D+情况下中子产额为～7.35×107/μC；50%D+和 50%D2+情况下中子产额为～4.78×107/μC。故束流中存在双原子氘离子会降低总的中子产额。因此为提高中子源束流的利用效率，要求离子源能尽量提高其单原子氘离子的产生效率，降低杂质离子的含量。

3 靶膜及其状态改变对中子产额的影响

影响中子源中子产额的另一个因素是靶膜材料及其状态[11]。传统中子发生器的靶可更换，为减小束流对靶的烧蚀采用旋转靶的设计[8]，另外一般整个系统处于动真空环境，可不考虑各部件放气对整体性能的影响。对于中子管中子源，其整体为密封结构，部件安装完成后，无法进行更改和优化。因此，其物理设计需充分考虑各种物理因素，根据各自的优缺点提出权衡优化方案。我们用厚靶D-T反应中子产额的计算方法，进行了120 keV氘离子在不同靶材料(Ti基、Zr基)及组分下的D-T反应模拟计算，各种靶的D-T反应中子产额见表1。

表1 不同靶材料的120 keV D-T反应中子产额Table 1 Neutron yield (in 107 /μC ) from D-T reaction at 120 keV with targets of different materials

由表 1，靶膜中氚含量越多，中子产额越大；靶膜元素的原子质量越大，对氘离子的阻止本领越大，氘核能量损失越快，中子产额越小。同时，工程实际中还得考虑：由于氚的衰变(T1/2=12.3 a)，靶膜中氚含量增多会带来衰变产物3He的增多，对于高真空的中子源，气压改变将会带来高压击穿甚至失效；另外靶膜材料及组分的选择上还要以能形成稳定晶相的固溶体及热稳定性和机械强度好为主。

靶膜的表面状态也与中子产额大有关系。靶膜的生产、加工及装配过程中，不可避免地会遭致表面污染及氧化。由核反应截面曲线可知，在我们关心的能区内，反应截面随能量呈指数式增大，表面处束流能量最大，核反应截面最大，因此靶膜的表面状态对中子产额有明显影响。我们对表面有不同厚度氧化层的靶膜作了模拟计算，氘离子能量 120 keV时，D-T反应积分中子产额见图3，中子产额随氧化层厚度的增加而减小。图中还给出了文献[12]的实验结果，模拟计算结果的变化趋势与实验结果相同。

图3 中子产额随表面氧化层厚度的变化关系Fig.3 Integrated neutron yields at different thicknesses of the titanium oxide layer.

表面镀膜层也可能应用于新的物理设计上。在靶膜表面镀膜，以用镀膜层屏蔽束流中杂质离子，减少含氚靶膜的烧蚀，降低靶膜中氚衰变的氦释放。我们提出如下设计思路，在TiT2靶膜表面覆盖一层Ti膜（假设最外表面氧化层很薄，可忽略），在保证中子产额不降低的前提下，减小束流对含氚靶膜的损伤，从而减小3He的释放对中子源的破坏。基于前文的分析，取 D+、D2+、Ti+和 Ti2+四种离子进行计算。用SRIM2003[7]计算了四种离子在Ti中的射程及能损（加速电压相同情况下，这四种离子的能量有依存关系）。计算分析结果表明，加速电压提高至150−160 kV，TiT2靶膜表面设置～0.2 mm厚的Ti膜，可使Ti+和Ti2+杂质离子的全部能量都损失在该Ti膜中，而D+穿透Ti膜，进入TiT2靶膜时的能量仍约120 keV，这就保证了中子源中子产额的要求。此概念设计的主要目的，是保证中子产额不降低前提下，减小重离子束流对含氚靶膜的损伤，特别是束流中金属杂质离子对靶膜的损伤。但其工程可行性还需进一步分析和验证。

4 结论

本文通过建立厚靶D-T反应中子产额的模拟计算方法系统地研究了离子源及厚靶参数对中子产额的影响。研究结果表明，氘离子源产生的束流成分将影响中子产额的结果；提高束流中单原子氘离子的份额将有效提高中子产额，同时还可降低对靶中氚含量的要求。这对密封型中子源的设计至关重要。一方面提高了束流的利用效率，减小了不必要杂质离子对靶的损伤；另一方面，降低3He释放引起的高压击穿，延长器件使用寿命，同时节约成本。另外靶参数的变化也影响中子产额的结果。D-T反应中子产额与靶膜中氚含量成正比，与靶膜元素的原子质量成反比。同时，计算和实验结果均表明，靶表面氧化层厚度的增加将会减小D-T反应的中子产额。最后提出一种靶膜表面镀膜，在不降低中子产额情况下减小靶膜损伤的物理概念设计，并通过理论计算分析证明设计思路可行。本文为密封型中子源的物理设计提供了参考，其模拟计算方法及物理分析手段也应用于中子发生器及其它相关领域。

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