小型潘宁负离子源中子管是一种能够产生中子的加速装置,由离子源、储存器、加速电极、靶等四部分组成,基本原理是通过氘氚聚变反应产生能量为2.5MeV或14MeV的中子。它具有中子能量高、单色性好、产额稳定、使用安全等特点,其在物质元素分析、石油测井、中子医疗等领域有着广泛的应用。目前,国内中子管的离子源主要采用潘宁离子源,具有结构相对简单、寿命长、使用方便、气体电离率高的优点,本文所研究的小型潘宁负离子源中子管除了具备以往潘宁源中子管优点之外,还具有以下特点:(1)离子源径向引出束流多数为单原子氢离子,束流利用率高,可达80%以上;(2)通过离子源磁钢产生磁场和电子屏蔽罩的引出结构可以过滤束流中杂质电子,提高单原子氢离子的纯度;(3)阴极无需外加热源,结构更加紧凑,使用携带方便。离子源的功能是能够使氘氚气体电离并产生离子,离子源的电离过程十分复杂,受到离子源内部的电极几何形状、电极材料、放电电压、气压、电离气体、磁场大小等参数影响,如果采取大量实验堆积数据得到实验规律,无疑会耗费大量人力、物力、财力等,因此,本文为了解决这一问题使用理论研究和模拟仿真相结合的方法。先从理论上进行推导研究,找出能够影响离子源气体电离率结构参数,然后利用这些结构参数,通过大量的电磁模拟仿真,总结出结构参数变化对于提高气体电离率和束流引出率的规律,进一步指导中子管的结构设计。具体研究工作如下:(1)在理论上,采取单粒子轨道理论和等离子体理论,前者从局部范围内分析单个电子的运动轨迹规律,后者从宏观角度上模拟离子源内部电子数密度分布。首先分析离子源内部结构参数对于离子源内部空间区域中电磁场分布的影响,然后研究电磁场的分布对于电子运动轨迹和电子数密度影响,最后总结出离子源内部结构参数对于电子运动轨迹和离子源中电子数密度影响的理论规律。(2)在模拟仿真方面,使用了CST和COMSOL两款仿真软件,前者模拟电磁场空间分布和电子运动轨迹,后者从宏观的角度上模拟负潘宁等离子体的电子数密度。通过改变对阴极表面挖空深度、阳极筒长度、阳极筒半径等参数,并使用电磁仿真软件CST仿真模拟离子源内部的空间电场、磁场分布,再利用CST的粒子追踪模块模拟电子在阳极筒内部的运动轨迹,得到离子源结构参数对于电子运动轨迹影响规律,通过COMSOL中等离子体模块,从统计学角度上探究离子源的结构参数对于离子源空间区域电子数密度分布影响。(3)根据电子运动轨迹和电子数密度模拟仿真结果,设计出小型潘宁负离子源中子管的径向引出结构,并且通过CST模拟仿真,找出合适参数将引出束流中杂质电子进行分离,根据模拟仿真的结果总结出结构参数影响规律,为提高小型负潘宁源中子管的产额提供了理论依据。