中子管射频离子源放电特性及引出系统仿真研究

发布时间：2021-09-01 14:08

　　中子管是一种成本低、重量轻、操作维护简单、防护容易、适于现场使用的中子源设备,主要由离子源、加速系统、靶和气压调节系统等部分组成,其工作原理是通过氘氚的原子核反应产生中子。利用中子强大的穿透特性,中子管在基础科学研究、军事工程以及工农业等领域有着广泛的应用。当前,国内中子管采用的离子源主要是潘宁离子源,潘宁源中子管以其稳定的离子束密度在国内和国际上得到了一定认可,但其中子产额要超过10⁹n/s很困难。随着核技术的发展,国外射频源驱动的中子管由于其更高的中子产额,束流稳定,使用寿命长等优点得到了更多研究者的青睐,离子源是中子管的重要组成部分,离子源的优劣更是会极大程度的影响中子管的性能,因此,开展中子管射频离子源的研究工作,对高产额中子管的研制具有重要的应用价值。中性气体电离形成等离子体的过程受到很多因素的影响。为了深入了解用于中子管的射频离子源的放电特性和束流引出规律,从射频感应耦合等离子体的放电原理入手,建立氢气放电模拟研究的理论模型,运用麦克斯韦方程组等公式分析和推导等离子体放电过程中影响粒子密度的重要因素,结合Comsol软件中的二维轴对称模型和三维立体模型... 

【文章来源】：东北师范大学吉林省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

天线周围的三种电场

东北师范大学硕士学位论文92.3.2电容耦合等离子体如图2.2（a）所示，是射频电容耦合等离子体的生成原理，主要由直流隔离电容、电源和匹配器三大部分组成。将高频信号加到电极上，这样生成的等离子体就是电容耦合等离子体，又称为CapacitivelyCoupledPlasma，简称CCP，这种类型的等离子体最常用于薄膜沉积与刻蚀。2.3.3感应耦合等离子体如图2.2（b）所示，是射频感应耦合等离子体的生成原理，主要由电源和线圈两大部分组成。将高频信号加到线圈上，利用感生电场来加速电子去碰撞中性气体从而维持等离子体，叫做感应耦合等离子体，又称为InductivelyCoupledPlasma，简称ICP。其中高频信号的频率为13.56MHz[36,37]。图2.2两种天线耦合方式2.3.4感应耦合等离子体放电击穿理论目前感应耦合等离子体放电过程中使用的天线，主要是分成圆筒螺旋型天线（如图2.3（a）所示）和平面盘香型天线（如图2.3（b）所示）两种类型。当将高频信号输入长线圈时，会在其中产生与线圈的中心轴相互平行的磁常击穿前气体中没有电流通过，其中磁场是均匀的，磁场的数值由电流和线圈几何条件决定；当气体击穿后，电流通过气体，则磁场分布将会变形，此时磁场所发生的变化不仅与线圈中存在的电流有关，还与气体中生成的电流有关系。两者共同作用的磁场与气体的气压大孝电流频率、气体的性质及容器尺寸都有一定的关系[38,39]。

东北师范大学硕士学位论文10图2.3感应耦合等离子体所用的两种天线将一个长度为L半径为a的线圈缠绕到放电管上，该放电管呈现圆柱体型，用字母b表示其半径，根据麦克斯韦方程可以得到在圆柱空间中的磁场随时间的变化规律。中性气体的放电击穿，需要满足一定的条件，即若要发生放电过程，自由电子的能量必须要足够使气体发生放电现象，而且电子在获得该能量的过程一定要小于一个自由程，只有这样才能发生放电，进而形成等离子体，产生放电所要求的磁场强度0B（最小值）满足的条件[40]：mvebBe012120（2.3）式中：1为在t时间内电子所走过的距离；e0v为电子被加速达到的最低速度。当气压p很大时，01ev，则由式（2.3）可得mebBve0120（2.4）ebmvBe1200（2.5）由于p与1成反比，在p较大的区域，0B与p成正比。在低气压下，01ev，则由式（2.3）可得ebmB10（2.6）即0B与p成反比，p小，0B增大。因此，当气压朝高低两个方向变化时，0B都会随p的变化而变大，只有在某一p值下，磁场强度0B才有最小值。当01ev时，可得0B的最小值为ebmvBe0min02（2.7）当BwtBsin0时，在圆柱放电管截面上的电动势为btBdtdBbdtdcos022（2.8）


本文编号：3377117