实验平台所使用2.45 GHz小型ECR中子源如图1所示，分为ECR离子源、引出系统、真空系统和水冷系统几部分。一个2.45 GHz固体微波源为离子源提供产生并维持等离子体的微波能量，微波通过波同转换头与三销钉，再经由Al₂O₃陶瓷窗馈入腔室，腔室外围由两块N42永磁体提供点亮等离子体所需磁场，同时陶瓷下层使用BN来有效抵御回流电子的点蚀。离子源剖面图如图2所示，离子源通过电子回旋共振原理产生并约束等离子体。在静磁场中，电子受洛伦兹力作用做螺旋运动，当回旋频率与微波频率一致时，电子会吸收微波能量并电离气体分子，这个过程称为电子回旋共振。引出系统为三电极引出结构，离子源为地电位，引出电极处于−80 kV负高压电位，从而产生巨大电势差从离子源中引出氘离子。真空系统由一个机械泵加一个分子泵组成，高真空有助于增加电子的共振回旋次数，每回旋一次电子能量就会增加，获得更高密度的等离子体。实验前，需保证真空度在1×10⁻³ Pa以下。

靶体表面被氘离子轰击后释放的二次电子会被加速回离子源，产生二次电子电流。这种效应会增加高压电源的负荷，并会产生频繁的高压击穿和显著的轫致辐射X射线^[14-15]。这些效应既影响靶上氘离子电流的准确测量，也影响中子发生器的稳定运行，并存在潜在的辐射安全隐患。

本文研究中所用引出电极结构（靶罩）如图3所示，整体为无氧铜材质，高120 mm，直径为144 m，体型较小。引出电极位置如图2所示，引出电极位于真空腔体内，与靶共同安装在绝缘基座上，并通过接入负高压引出束流。为了改善电极内部空间的真空，减少真空梯度，保证束流稳定传输，在电极四个方向对称地开了四个腰孔。腰孔设计保证电极内部的真空，但这同时导致靶面产生的溅射二次电子从孔中溢出，被加速轰击至真空腔室。为了研究腰孔形状对系统真空度的影响，进行多次长时间放电实验，在真空腔室处安装规管（如图2所示）监测并收集真空度的实时数据，如下图4所示。

电子轰击产生的热效应，会导致真空腔室受溅射区域表面的吸附气体的释放。这一现象的宏观表现为真空变差，如图4所示。图中A点至B点，离子源开始通入1 mL/min （标准状态）氘气并激发等离子体，真空腔室的真空度由1×10⁻⁴跳变至4×10⁻³。B点至C点，随实验时间的推进，真空度缓慢变差，这是由于电子溅射导致的热效应使腔室吸附气体开始释放。条形腰孔，开孔面积大，受电子溅射区域大，导致条形腰孔真空始终略差于圆形腰孔。C点时，壁面吸附气体已经随时间推移基本释放，二者真空度趋于一致。

为了进一步验证二次电子溅射对系统的作用机理，研究腰孔形状对腔室温度的影响。在如图2所示三个位置安装热电偶，监测长时间放电过程中的温度变化。实验结果如图5所示，相同引出电压时，使用条形腰孔会使腔室侧面与腔室顶部温度随时间线性增加，使用圆形腰孔各处温度基本呈稳态，无明显变化。

随着电压升高，腔室侧面与顶部在实验前后的温差也在不断变大，30 kV时温差为6.4℃，35 kV时温差为8.4℃，40 kV时温差为13℃，45 kV时温差为13.8℃，50 kV时温差为18℃。离子源设置有独立水冷，因此实验过程中温度不变。

实验结束后，对腔室内部进行了拍照检查如图6所示，可见明显的轰击溅射痕迹在腔室侧面与顶部。这一实验结果说明了溅射电子从腰孔逃逸，并轰击至真空腔室内壁。开孔面积较大的条形腰孔导致了大量溅射电子的泄露，温差较为明显。开孔面积小，大量溅射电子都被留在了电极内部，而电极有单独设置水冷，腔室温度变化小。电压升高后温差变大，是因为随着束流能量的提高，溅射二次电子的数量与能量也会进一步提高^[16]。腰孔形状对温度影响的实验结果进一步揭示了二次电子对中子发生器设备的危害。

为了研究腰孔形状对系统稳定性的影响，进行了多次长时间放电实验，实时记录产额随时间变化。实验中系统稳定性主要依据每分钟的打火频率来定量评价，打火具体表现为电源过流保护而停止电压输出，束流中断，产额掉回0。如图7（a）所示，使用条形腰孔，30 kV−40 kV时无打火现象，40 kV开始打火频率明显提升，50 kV打火频率为2 min/次；如图7（b）所示，使用圆形腰孔时，50 kV以上出现少量打火现象，频率为6 min/次。在相同的电压下，无论使用哪种结构的引出电极，其中子产额不发生变化。结果表明腰孔形状影响二次电子的溅射逃逸，进而对系统稳定性有很大影响。

实验中电极使用了不同的腰孔设计，靶面产生的二次电子从腰孔中泄露的数量不同。当过多的二次电子从腰孔逃逸时会导致局部的电场增强，局部的电场强化容易导致放电通道的建立，进一步促进了电弧的形成（即打火现象的发生）。

基于以上的研究结果，腰孔的形状会对二次电子的溅射传播路径有所影响，从而影响系统整体稳定性。因此，对二次电子在电场作用下溅射路径进行模拟。设定铜靶表面二次电子能量为600 eV，电极加速电压为−80 kV，靶与电极处于同电位。模拟结果如图8，9所示，可见无任何抑制手段时，靶面溅射二次电子一部分从腰孔溅射而出，一部分逃逸出引出孔，并被反向加速轰击在陶瓷窗上。

如图8所示，在使用圆形腰孔电极时，由于电极与靶面均为负高压，靶面溅射的二次电子大部分被约束在电极内。如图8所示，逃逸出电极外的溅射电子分为两部分，一部分从腰孔溅射出后受到高压影响，加速轰击在腔室侧面；另一部分沿引出孔溅射出，被加速轰击至陶瓷窗上。图8展示了腔室侧面收到轰击的范围，溅射区域近似呈椭圆形，面积约为300 mm²。

如图9所示，条形腰孔二次电子溅射区域明显大于圆形腰孔，在某一侧的腔室壁溅射范围可见，溅射区域也呈现矩形。溅射区域约为使用圆形腰孔电极的12倍。溅射区域的增加带来了热量的增加，同时增加了电极打火的隐患，导致系统稳定性不佳。这恰好印证了本文第三章中，腰孔形状对于真空腔室温度，系统稳定性的影响。

在长时间放电实验后对部件进行拍照检查，如图10所示，可见清晰的溅射痕迹，图9（a）为电极内壁电子溅射痕迹，图9（b）为腔室内壁的溅射痕迹。实物痕迹与模拟出来的电子溅射痕迹位置基本保持一致，进一步说明了模拟的有效性。

本文通过腰孔形状对系统真空度、腔室温度与系统温度的影响研究揭示二次电子的危害，进一步的，设计了通过电阻抑制二次电子的实验方案。电阻抑制二次电子装置如图11所示，在靶和电极之间接入一个抑制电阻即可在靶与电极之间形成压差，起到抑制二次电子发射的作用。电源端测得的总电流$ I\mathrm{_{total}} $可分为三类：

式（1）中${I_1}$为部分束流溅射到引出电极形成的电流，$ {I_2} $为到靶电流，$ {I_3} $为二次电子溅射产生的电流，R为抑制电阻的阻值。通过更换不同的抑制电阻，将产生不同的抑制压差，总电流I也会随电阻改变而改变。其中${I_1}$与$ {I_2} $是不变的，可通过I反映出$ {I_3} $的变化量（$ \Delta {I_3} $）。当$ \Delta {I_3} $不随阻值变化而变时，可认为此时二次电子完全被抑制。为了寻找当前结构的最佳抑制电阻阻值，进行了多组电阻测试实验。

在微波功率为500 W，氘气进气量为1 mL/min时，更换24−600 kΩ的抑制电阻，研究了抑制电阻阻值对产额的影响，电流变化趋势与产额变化趋势基本一致。实验结果如图12所示，相同抑制阻值时，中子产额随引出电压的增加线性增大；相同电压下，增加抑制电阻比起无抑制（1 Ω），能显著观察到产额有所提高，抑制阻值增加到100 kΩ及以上时，产额开始下降。这一实验结果表面，抑制电阻阻值并不是越大越好，阻值越大，产生的抑制压差越大，反而会对束流传输成反作用。根据实验结果，抑制阻值在30−60 kΩ时能获得最大产额（抑制率）。

抑制二次电子的另一种方法是在二次电子的传播路径上添加横向磁场，通过洛伦兹力将二次电子偏转至与靶相连的电极壁上。氘离子的相对原子质量为2.01，质量约为3.32×10⁻²⁷ kg，而电子的质量仅为9.10956×10⁻³¹ kg。由于离子束流的能量与质量均比二次电子大得多，原离子束流的传播并不会受到影响，而二次电子则会受到很大偏转^[17-18]。

在电场和磁场相互作用下，电子所受洛仑兹力满足方程^[19]

式中$e$ 是电子电荷，V是电子运动速度，E和B是空间的电场和磁场。

粒子的动力学方程^[20]满足：

式中m₀是电子的静止质量，γ₀是相对论因子。基于式（2）（3），在靶上方，电极两侧固定两个剩磁约1.3 T永磁体，产生横向磁场如图13（a）所示，靶中心位置磁场强度约为100 Gs。增加磁场抑制的二次电子传输路径模拟如图13（b）所示，由模拟可见，二次电子被偏转至电极一侧上，且电子能量几乎无变化，不形成高能束流。

磁铁偏转实测实验结果如图14所示，添加磁场抑制后电流对比无任何抑制时明显降低，无任何抑制60 kV时电流为2.73 mA，装上磁铁后电流为2.01 mA，电流下降约23%。电流的显著下降，但产额变化不大，这说明，磁场抑制确实生效，与模拟结果吻合。

本文研究了电极结构对于腔室温度、真空度、系统稳定性的影响，模拟分析了不同腰孔形状对二次电子的传输路径的影响，并基于该结果开展了电阻与磁场两种方式下二次电子的抑制实验，实验结果表明：电极腰孔的形状会直接影响二次电子从腰孔逃逸的数量，并进一步影响腔室壁温度，导致壁吸附气体的释放，同时会极大增加系统高压打火的概率。腰孔实验结果揭示了二次电子对中子发生器的危害，在保证电极内部真空度的情况下，应尽量在电极壁开小孔或不开孔，有助于延长中子发生器的使用寿命，提高运行时的稳定性。对二次电子在的溅射路径进行模拟，模拟结果从实物中得到印证，并基于该结果，开展了电阻与磁场两种方式下二次电子的抑制实验。实验结果表明采用30−68 kΩ的电阻能较好抑制二次电子，此时能在相对较小的电流下获得更高的中子产额；使用1.3 T剩磁永磁铁在中心产生约100 Gs磁场，能实现二次电子的有效偏转，并在实验中观察到电流明显下降约23%左右，实现二次电子的抑制效果。在二次电子抑制过程中，电阻抑制仅需加入电阻元件，成本较低且易于实施。但其抑制压差选取根据不同靶电极结构具体而定，难以精确调节。磁场抑制可以精确调节磁场强度，但引入磁场设备需占据更多空间，磁铁的安装位点也需要谨慎选择。本文所搭建使用的紧凑型中子发生器采用电阻抑制为佳。