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(xué)物理學(xué)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(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130024）

運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)中子管的加速電極尺寸、加速間隙等參數(shù)進(jìn)行了有限元分析.通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)，得到電場的直觀分布，發(fā)現(xiàn)電場分布特征可用于對(duì)中子管的優(yōu)化與改進(jìn).

中子管；加速電場；有限元分析；計(jì)算機(jī)仿真

中子輻射技術(shù)在基礎(chǔ)科學(xué)、國防、工業(yè)應(yīng)用、農(nóng)業(yè)科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用.例如，工業(yè)探傷、腫瘤放療治療、石油測井等.中子管的基本結(jié)構(gòu)包括離子源、加速電極、靶和絕緣材料［1］.使用時(shí)從離子源引出的氘離子經(jīng)過加速，打到氚靶上，發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生中子.與放射源相比，中子管只有在加電時(shí)才會(huì)放出中子，不加電時(shí)不會(huì)放出中子，并且處于密封狀態(tài)，比較安全.加速電極之間的電場分布會(huì)對(duì)離子的軌跡產(chǎn)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(duì)于電場分布的影響具有重要意義.通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)加速電極之間的電場進(jìn)行模擬仿真，得到的數(shù)據(jù)與結(jié)論可為中子管的優(yōu)化與改進(jìn)提供參考.本文對(duì)中子管中的加速電場進(jìn)行了仿真研究，采用ANSYS10.0軟件，對(duì)加速電場做了系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn).

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(fù)雜，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.它把離子源、加速器、氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和靶全部密封在有絕緣介質(zhì)的真空管內(nèi)［3］.

通電以后，離子源產(chǎn)生離子，引出至加速間隙，加速后離子打到靶上，發(fā)生核反應(yīng)，放出中子.反應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 中子管基本結(jié)構(gòu)

圖2 加速電極結(jié)構(gòu)圖

圖2中加速電極A電壓為0，電極B電壓為－100kV.氘離子經(jīng)離子源后，從A電極小孔引出到加速電場，經(jīng)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(duì)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(tǒng)的中子管設(shè)計(jì)主要基于經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算.對(duì)于中子管加速電極的電場分布沒有可視化觀察，對(duì)于離子的軌跡也不能直接查看.對(duì)于中子管加速電極結(jié)構(gòu)、尺寸與電場的分布有何聯(lián)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(duì)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(jìn)行有限元仿真.ANSYS軟件主要分為建模、有限元網(wǎng)格劃分、求解、查看結(jié)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(shù)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(jié)果和建模數(shù)據(jù)的對(duì)比，找出規(guī)律性的結(jié)論.

本次仿真實(shí)驗(yàn)研究總共建模30個(gè).

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(shí)體模型.由于加速電極處于真空狀態(tài)，其相對(duì)介電常數(shù)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(shù)如表1所示.實(shí)體模型和仿真結(jié)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(shù) mm

圖3 實(shí)體模型1側(cè)面

圖4 實(shí)體模型1對(duì)應(yīng)的電場線分布

圖3中模型參數(shù)為表1中第1組的參數(shù)，其他幾組所得出的仿真結(jié)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(qiáng)比較強(qiáng)，電場線在兩極附近比較強(qiáng)，而B電極的屏蔽長筒中電場強(qiáng)度很小，幾乎為0.

2.2 加速間隙增大的建模仿真

仿真數(shù)據(jù)將加速間隙設(shè)定為最小12mm，最大15mm.具體參數(shù)如表2所示.建模與仿真結(jié)果如圖5和6所示.

表2 加速間隙增大的建模參數(shù) mm

圖5 實(shí)體模型2側(cè)面

圖6 實(shí)體模型2對(duì)應(yīng)的電場線分布

圖5中模型參數(shù)為表2中第1組的參數(shù)，其他幾組所得出的仿真結(jié)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(qiáng)很大，而電極中間部分場強(qiáng)相對(duì)較小.場強(qiáng)隨著間隙的加長，邊緣場強(qiáng)明顯降低；而間隙較小時(shí)，邊緣場強(qiáng)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(shù)如表3所示.實(shí)體模型和仿真結(jié)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(shù) mm

圖7中模型參數(shù)為表3中第4組的參數(shù)，其他幾組所得出的仿真結(jié)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，B電極極長筒中的場強(qiáng)都非常小，幾乎為0.

圖7 實(shí)體模型3側(cè)面

圖8 實(shí)體模型3對(duì)應(yīng)的電場線分布

2.4 兩極小孔附近場強(qiáng)的仿真

從上面很多電場仿真來分析，很容易看到場強(qiáng)在兩極附近非常強(qiáng)，并且場強(qiáng)在兩極附近向外溢出，由于三維有限元?jiǎng)澐趾苊埽噶烤€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(shù)據(jù)如表4所示，所得的仿真結(jié)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的等勢線向外溢出［6］，但是場強(qiáng)不是很大.并且平面建模也很清楚地看到電極的邊緣場強(qiáng)最大，小孔的邊緣附近場強(qiáng)也很強(qiáng).對(duì)于其他數(shù)據(jù)的平面仿真建模也有類似的結(jié)論.

2.5 現(xiàn)有的中子管加速電場仿真

現(xiàn)有中子管加速電場仿真結(jié)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(shí)驗(yàn)吻合.

圖11 二維建模所對(duì)應(yīng)的等勢線分布

圖12 現(xiàn)有中子管加速電場仿真結(jié)果

3 結(jié)論

通過對(duì)中子管加速電極間電場的大量仿真實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

（1）電場在兩極邊緣最強(qiáng).

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

（3）電場在兩級(jí)的小孔附近會(huì)有電場溢出，但強(qiáng)度比較小.

（4）當(dāng)A電極直徑大于B電極直徑時(shí)，B電極長筒電場屏蔽效果不如B電極大于A電極時(shí)好.但這兩種情況下，陰極長筒內(nèi)的場強(qiáng)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(duì)放電電流的影響［J］.核技術(shù)，2009，32（8）：592-595.

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

［3］ 喬亞華.中子管研究進(jìn)展及應(yīng)用［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù).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(guān)鍵技術(shù)［J］.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，27（6）：76-78.

［5］ 王麗偉.一種條紋變像管靜態(tài)電子光學(xué)聚焦特性數(shù)值模擬［J］.強(qiáng)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(jié)構(gòu)計(jì)算仿真與設(shè)計(jì)［J］.測井技術(shù)，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(wù)企業(yè)項(xiàng)目（2009GJB10017）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模式識(shí)別研究.

石紹慶）