基于有限元分析中子管加速電場仿真研究

謝召醒，喬 雙

（東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024）

基于有限元分析中子管加速電場仿真研究

謝召醒，喬 雙

（東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024）

運用計算機仿真技術，對中子管的加速電極尺寸、加速間隙等參數進行了有限元分析.通過大量的仿真實驗，得到電場的直觀分布，發現電場分布特征可用于對中子管的優化與改進.

中子管；加速電場；有限元分析；計算機仿真

中子輻射技術在基礎科學、國防、工業應用、農業科學、醫學研究等領域有著重要的應用.例如，工業探傷、腫瘤放療治療、石油測井等.中子管的基本結構包括離子源、加速電極、靶和絕緣材料［1］.使用時從離子源引出的氘離子經過加速，打到氚靶上，發生核反應產生中子.與放射源相比，中子管只有在加電時才會放出中子，不加電時不會放出中子，并且處于密封狀態，比較安全.加速電極之間的電場分布會對離子的軌跡產生影響，直接影響到離子的收集與中子管的性能［2］.因此，弄清楚電極形狀、電壓大小、加速間隙大小對于電場分布的影響具有重要意義.通過計算機仿真技術對加速電極之間的電場進行模擬仿真，得到的數據與結論可為中子管的優化與改進提供參考.本文對中子管中的加速電場進行了仿真研究，采用ANSYS10.0軟件，對加速電場做了系統的仿真實驗.

1 中子管的基本原理

中子管的基本原理和功能類似于加速器，其制作工藝比較復雜，結構框圖如圖1所示.它把離子源、加速器、氣壓調節系統和靶全部密封在有絕緣介質的真空管內［3］.

通電以后，離子源產生離子，引出至加速間隙，加速后離子打到靶上，發生核反應，放出中子.反應方程式如（1）式所示［4］.

其中中子管加速電極的電壓差極大，一般在100kV以上，加速電極結構如圖2所示.

圖1 中子管基本結構

圖2 加速電極結構圖

圖2中加速電極A電壓為0，電極B電壓為－100kV.氘離子經離子源后，從A電極小孔引出到加速電場，經加速后從B電極小孔飛出，最后打到氚靶上生成中子.電極之間的電場分布對氘離子的加速、收集以及絕緣封裝工藝有著重要的影響.

2 有限元仿真

傳統的中子管設計主要基于經驗和理論計算.對于中子管加速電極的電場分布沒有可視化觀察，對于離子的軌跡也不能直接查看.對于中子管加速電極結構、尺寸與電場的分布有何聯系，還不很明確.為了研究電極形狀、電壓大小以及加速間隙對加速電場分布的影響，用美國安世亞太（ANSYS）公司的大型有限元分析軟件ANSYS10.0進行有限元仿真.ANSYS軟件主要分為建模、有限元網格劃分、求解、查看結果4部分［5］.用有限元仿真研究的基本思想是通過大量不同參數的建模求解，比如改變加速電極的直徑大小，改變加速間隙的距離等.通過結果和建模數據的對比，找出規律性的結論.

本次仿真實驗研究總共建模30個.

2.1 A電極面積大于B電極面積的建模仿真

在ANSYS10.0中建立三維實體模型.由于加速電極處于真空狀態，其相對介電常數為1.A電極電位為0V，B電極電位為－100kV.具體的三維建模參數如表1所示.實體模型和仿真結果如圖3和4所示.

表1 A電極面積大于B電極面積的建模參數 mm

圖3 實體模型1側面

圖4 實體模型1對應的電場線分布

圖3中模型參數為表1中第1組的參數，其他幾組所得出的仿真結果均與第1組類似.通過圖4我們可以看到電場線分布，電極邊緣場強比較強，電場線在兩極附近比較強，而B電極的屏蔽長筒中電場強度很小，幾乎為0.

2.2 加速間隙增大的建模仿真

仿真數據將加速間隙設定為最小12mm，最大15mm.具體參數如表2所示.建模與仿真結果如圖5和6所示.

表2 加速間隙增大的建模參數 mm

圖5 實體模型2側面

圖6 實體模型2對應的電場線分布

圖5中模型參數為表2中第1組的參數，其他幾組所得出的仿真結果均與第1組類似.圖6中模型加速間隙分別取12，13，14，15mm，從電場線分布可以清晰地看出電場在兩極附近場強很大，而電極中間部分場強相對較小.場強隨著間隙的加長，邊緣場強明顯降低；而間隙較小時，邊緣場強增大.

2.3 A電極面積小于B電極面積的建模仿真

所建模型都是A電極面積小于B電極面積的模型.具體的建模參數如表3所示.實體模型和仿真結果見圖7和8所示.

表3 A電極面積小于B電極面積的建模參數 mm

圖7中模型參數為表3中第4組的參數，其他幾組所得出的仿真結果均與第4組類似.圖8中模型A電極直徑為40mm，B電極直徑為50mm，通過一系列的仿真比較可以看出，B電極長筒的靜電屏蔽要稍好于A電極面積大于B電極面積的情況.這兩種情況之下的仿真結果發現，B電極極長筒中的場強都非常小，幾乎為0.

圖7 實體模型3側面

圖8 實體模型3對應的電場線分布

2.4 兩極小孔附近場強的仿真

從上面很多電場仿真來分析，很容易看到場強在兩極附近非常強，并且場強在兩極附近向外溢出，由于三維有限元劃分很密，矢量線太多，看到的不是很直觀，故而采用二維建模來查看.所建平面模型數據如表4所示，所得的仿真結果如圖9—11所示.

表4 平面建模仿真mm

圖9 二維建模

圖10 二維建模所對應的電場分布

由圖9可見，二維建模比較直觀，由圖10和11可見，其小孔附近所對應的等勢線向外溢出［6］，但是場強不是很大.并且平面建模也很清楚地看到電極的邊緣場強最大，小孔的邊緣附近場強也很強.對于其他數據的平面仿真建模也有類似的結論.

2.5 現有的中子管加速電場仿真

現有中子管加速電場仿真結果如圖12所示.由圖12可見，中子管加速電場仿真的電場線分布基本上與實驗吻合.

圖11 二維建模所對應的等勢線分布

圖12 現有中子管加速電場仿真結果

3 結論

通過對中子管加速電極間電場的大量仿真實驗可以得出以下結論：

（1）電場在兩極邊緣最強.

（2）電場在兩極附近最強，中間相對較弱，空間電場分布呈現“強－弱－強”的分布.

（3）電場在兩級的小孔附近會有電場溢出，但強度比較小.

（4）當A電極直徑大于B電極直徑時，B電極長筒電場屏蔽效果不如B電極大于A電極時好.但這兩種情況下，陰極長筒內的場強都非常小，接近于0.

［1］ 劉偉波，谷德山，李明娟，等.NT50型中子管離子源磁場變化對放電電流的影響［J］.核技術，2009，32（8）：592-595.

［2］ 金斗英，金泰洙，蘇萌全，等.中子管離子束系統［J］.吉林大學自然科學學報，1995，34（4）：49-52.

［3］ 喬亞華.中子管研究進展及應用［J］.核電子學與探測技術.2008，28（6）：1134-1138.

［4］ 谷德山，劉林茂，李文生.長壽命中子管制作中的關鍵技術［J］.真空科學與技術學報，2007，27（6）：76-78.

［5］ 王麗偉.一種條紋變像管靜態電子光學聚焦特性數值模擬［J］.強激光與粒子束，2009，21（3）：365-368.

［6］ 肖坤祥，孫山，談效華，等.微型潘寧離子源引出結構計算仿真與設計［J］.測井技術，2009，33（5）：493-496.

The research of neutron tube accelerating electric field based on the finite element analysis

XIE Zhao-xing，QIAO Shuang
（School of Physics，Northeast Normal University，Changchun 130024，China）

The structure and shape of neutron tube accelerator is one of the most key factor on the performance of neutron tube.The computer simulation techniques have been used to simulate neutron tube in this paper.The process to analyze and calculate the shape，size and acceleration gap of the neutron tube accelerator is based on finite element analysis theory.Through a large number of simulating experiments，there are some valuable data and conclusions which can provide an important reference for the further optimization and improvement of the neutron tube.

neutron tube；accelerating electric field；finite element analysis；computer simulation

O 571

490·3599

A

1000-1832（2012）01-0088-05

2011-10-08

科技部吉林省科技人員服務企業項目（2009GJB10017）；吉林省科技發展計劃項目（20110358）.

謝召醒（1984—），男，碩士研究生；喬雙（1963—），男，博士，教授，主要從事圖像處理、神經網絡與模式識別研究.

石紹慶）