警告：本实验产生X、γ射线和中子辐射，进行实验需遵守当地相关法律法规、配置准确的X、γ电离辐射剂量仪与中子辐射探测器/剂量仪，合理利用距离平方反比定律、合理控制仪器开启时间以确保自己和他人的安全。本实验不建议在居住密集的居民楼/公寓楼进行，本人不对模仿本实验造成的意外负责。

写在前面:

惯性静电约束聚变(IECF)装置是一种简单紧凑、稳定可控的核聚变反应装置，在用作中子发生器时，相比于氘钛靶等基于加速器驱动的中子发生器，使用等离子体靶(plasma target)的IECF具有更长的寿命与更少的维护次数，同时在不使用放射性同位素为燃料的前提下，提供较高的中子通量(普遍达到1E＋7n/s以上)

在应用方面，IECF广泛的应用于各种核聚变非电应用领域(Non-electric application of fusion) Kyoto University 的实验团队在基于IECF的D-³He聚变方面做了一些工作，并采用600mm²的硅探测器证明他们的成果，实现了远期开发第二代聚变核能参考。由于中子与C、N、O发生非弹性散射、发出特征γ射线，用于探爆探雷也成了近年IECF用途的热点。另外，IECF产生的中子通量也足以完成中子活化分析，关于这一点，XXXXXXXXt上的一些工作者做出了可观的努力，包括我的文章【基于中子活化的γ能谱分析 - 科创】https://www.kechuang.org/t/86739?highlight=895850&page=0也展示了IECF中子活化的效果。

系统组装:

首先IECF对压力的要求分为两方面，第一方面是指充入process gas后的工作状态压力，一般在2~5mTorr。众所周知，一台工作状态良好的双级旋片泵可以为我们提供约1E-3~3E-3Torr的真空，但这并不代表仅使用一台旋片泵就可以支持IECF的工作

这就引出了IECF对压力另一方面的要求: background vacuum，根据University of Wisconsin UWIEC的运行参数，本底真空需要达到-7Torr的数量级。在业余工作者领域中，由于不正规的真空系统往往存在各种gas load，所以本底真空普遍只能进入-5Torr的数量级。

想达到更高的真空有两种途径，一种是增加系统的有效抽速，一种是降低系统的气体负荷。增加系统有效抽速可以通过采用高流导设计方案和换用大抽速真空泵这两种方法。更高的pump speed会在相同流导的排气系统中产生更高的有效抽速，而避免在分子泵和腔体之间设置大幅度缩口、弯管、长细管、小口径挡板阀则有利于确保足够大的流导，进而不对有效抽速进行限制。

在气体负荷方面，各种实漏点完全可以在leak detection阶段被检出并使用torrseal排除，系统表面吸附的气体则可以通过bakeout的方式释放掉。

本文所使用的反应容器是一只定制的250mm球形UHV chamber，搭载了8个CF port。由316l不锈钢制成的腔体在真空炉中烘烤至1000°C进行degas，并在真空中随炉冷却完成退火，内外表面均采用电解抛光，外表面进行喷砂打磨。经氦质谱检漏仪检漏，漏率＜1.5E-12pa m³/s，这样的腔体足以应用于UHV的环境。

高真空泵选用Edwards的一款中型分子泵EXT555H以代替之前的Pfeiffer HiPace80。EXT555H对氢气具有580L/s的抽速，这意味着可以更快的进入本底真空，同时在工作压力下可以更迅速、灵敏的完成压力调节，另一方面，在一个动态真空系统中更高的抽速代表要消耗更多的工艺气源以维持工作压力，这将会导致氘的大量使用

EXT555H转速高达50000rpm，高于同等抽速的其他分子泵，这将导致空档滑行停泵需要超过20分钟的减速时间。为了缩短处于共振频率的时间，泵体上设有Edwards TAV5 vent valve向泵内放气进行减速，此阀门由分子泵控制器直接控制。

由于分子泵采用了CF150排气口，因此需要缩口至CF100与腔体连接，这里选用双面法兰进行转接，缩短缩口管管长以确保最大流导。经过计算，此处流导为561L/s，缩口后有效抽速降至275L/s

backing pressure由Leybold TRIVAC C提供，通过DN25的ISO-KF波纹管与分子泵连接，并使用挡板阀进行隔离。前级管道中设有一手动vent port用于前级泵停泵时向管道内放气，另在泵口处设有一只Edwards APGM pirani真空计用于读取前级压力。

chamber上装有Edwards WRG全量程真空计用于读取系统压力，两只真空计由Edwards TIC控制器控制和显示。

为了进一步了解腔体内的气体成分及分压，腔体上装有balzers QMS200四级杆质谱仪，并由一只pfeiffer PKR251为质谱计读取total pressure

为了便于观察腔体内等离子体的工作状态，腔体正前方设有DN100的CF viewport。kovar钎焊使视窗具有低至1E-11pa m³/s的漏率，但另一方面，相比使用弹性体密封的视窗，焊接视窗会更加容易因温度变化而炸裂，所以需要使用真空退火的OFHC垫圈。另外，必须注意避免IECF工作时射出的等离子体束直接照射在视窗上(特别是桶状电极)，这也会导致视窗炸裂。

HV feedthrough安装在腔体正上方，同样采用钎焊以确保足够低的漏率，钨丝制成的grid cathode通过馈通伸入腔体正中心，由-30kv 30ma高压电源供电。

气体供应部分设有两条气路，通过一只CF五通连入腔体。一只装有减压阀的氘气钢瓶为系统提供充足的燃料，工艺气源气路中使用Swagelok SS-4DL隔膜阀隔离真空与高压，由Agilent Sapphire variable leak valve与腔体相连，从超高真空开始调节系统压力。

而在purge gas气路中，采取Swagelok SS-4BMRG截流阀与SS-4BMG计量阀联用的方式向腔体内输送干燥的氮气进行吹扫。其中，SS-4BMRG用于隔离真空与高压，SS-4BMG则用于控制吹扫气体流量。

运行:

开启backing pump，泵口压力降至1.2E-2Torr，腔体压力降至2.9E-2Torr

关闭TAV5，开启turbo控制器，分子泵开始加速，10min后分子泵转到满速，腔体压力进入6.2E-7Torr

开启QMS200电源，打开Quadstar质谱分析软件，通过与RGA连接的PKR251读取total pressure

打开离子源filament

进行质谱扫描，可以看到18amu处有明显的高峰，这足以说明一个不烘烤的系统存在着大量的水蒸气残余

3hr后，前级压力进入2.4E-3Torr接近前级泵极限，腔体压力进入5E-8Torr，到达超高真空范围，抽气过程中并未采取包括烘烤的任何除气手段，因为这样的压力对于IECF要求的background pressure已经绰绰有余

使用微调漏阀向腔体内通入微量氘气，4amu处出现peak

关闭离子源filament，关闭QMS200电源，继续通过微调漏阀向腔体通入氘气至IECF工作压力。

本次测试的压力范围从5E-1Torr至5E-4Torr，并在不同压力下捕获了一系列不同工作模式下的等离子体状态。

空气等离子体 1Torr 20kv

空气等离子体 1E-1Torr 20kv

空气等离子体 5E-2Torr 20kv

空气等离子体 1E-2Torr 30kv

Multi-Bugle Mode 5E-1Torr 30kv

Spray Jet Mode 1E-1Torr 30kv

Tight Jet Mode 5E-2Torr 30kv

Tight Jet Mode 5E-2Torr 10kv

Star Mode 5E-3Torr 30kv

Star Mode 5E-4Torr 30kv

在5E-3Torr 30kv时，LND25169 ³He detector中产生了中子计数