惯性静电约束核聚变(IECF)
Arutoria2022/03/11原创 核技术与核仪器科创茶话
关键词
可控核聚变惯性静电约束核聚变中子发生器等离子体物理
IECFIECfusor

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。

Screenshot_20220311-155042.jpg

VideoCapture_20220309-221514.jpg

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

Screenshot_20220311-160507.jpg

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

Screenshot_20220310-010300.jpg

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。

20220311_162825.jpg

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。

Screenshot_20220311-163411_Video Editor.jpg

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 20220225_015444.jpg

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。

IECF Mark Ⅱ(2).jpg

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。

20220303_202107.jpg

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。

20220305_180204.jpg

运行:

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

20220306_181959.jpg

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

20220308_130443.jpg

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

20220310_192818.jpg

打开离子源filament

20220310_192530.jpg 20220310_182629.jpg

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

mmexport1647835984675.png

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

20220308_170554.jpg

mmexport1648638644137.png

使用微调漏阀向腔体内通入微量氘气,4amu处出现peak

20220310_191405.jpg 20220310_191432.jpg

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。

VideoCapture_20220307-194645.jpg

空气等离子体 1Torr 20kv

VideoCapture_20220307-195026.jpg

空气等离子体 1E-1Torr 20kv

VideoCapture_20220307-193912.jpg

空气等离子体 5E-2Torr 20kv

VideoCapture_20220307-195419.jpg

空气等离子体 1E-2Torr 30kv

VideoCapture_20220307-210831.jpg

Multi-Bugle Mode 5E-1Torr 30kv

Screenshot_20220309-173416_Video Editor.jpg

Spray Jet Mode 1E-1Torr 30kv

20220307_185848.jpg

Tight Jet Mode 5E-2Torr 30kv

VideoCapture_20220307-212201.jpg

Tight Jet Mode 5E-2Torr 10kv

VideoCapture_20220308-180801_mh1646751804304.jpg

Star Mode 5E-3Torr 30kv

VideoCapture_20220309-172959.jpg

Star Mode 5E-4Torr 30kv

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

20220309_174526.jpg 20220309_174636.jpg 20210501_225153.jpg


[修改于 6个月1天前 - 2022/04/01 21:42:06]

+1  学术分    虎哥    2022/03/22 请提高文化。
来自:物理高能技术 / 核技术与核仪器综合交流区 / 科创茶话动手实践:实验报导严肃内容:专业科普
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虎哥
6个月11天前
10楼
引用Arutoria发表于9楼的内容
除了真空腔体走不了捷径,只能老老实实去花钱设计定制。。  其他零件合理选择购买二手产品也不会产生很大...

除了腔体,图片所见的东西,二手靠谱的也要花十来万,对于看这帖的学生来说是不敢想象的事情。。

10
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Arutoria作者
6个月14天前
7楼
引用zxm852发表于6楼的内容
有点奇怪,法律允许吗,这应该是在国外做的吧,似乎有点危险(不禁低头看了看钱包)

不用奇怪,有疑惑可以反复大声朗读文章开头的警告。 了解距离平方反比衰减定律的辐射防护效果,学会合理控制运行时间以减少累积的剂量吸收,认真选择非人员密集的实验场所,而不是一遇到“似乎有点危险”的实验,就统统臆测要拿到国外去做

7
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Arutoria作者
6个月5天前
15楼
引用杂工1544发表于14楼的内容
也就是即使没有分子泵,仅使用旋片泵也足以搞出能产生可以被探测到的中子的fusor?以及常见杂质气体影...

不知道你是如何得出这样错误的结论的,在正文中楼主就已经说过,fusor工作在2~5mTorr的压力是指充入process gas后工作压力,尽管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的极限真空,但这并不代表仅使用一台旋片泵就可以支持IECF的工作

因为用旋片泵抽到平衡后的真空系统没有给你预留输入工艺气源的空间

关于只使用一台旋片泵运行fusor,楼主已经测试过了,chamber在抽气20min后只达到了1E-2Torr,这时向腔体中输入氘气至-1Torr再调试可变漏率阀使气压逐步降低,发现无论如何也无法进入star mode,只能停留在jet mode,且全过程未探测到中子

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RodTech
6个月22天前
1楼

楼主这是扫荡了闲鱼吗。。。


下一步可以考虑用geant4蒙特卡罗一下实际中子产额,然后将计数率pid反馈到电源电流上,进行稳定的中子输出。

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4
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虎哥
6个月22天前
2楼

建议添加一点实验总结。辐射计的热中子探测效率可达90%,问题是慢化效率要算一下。

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Arutoria作者
6个月22天前
3楼
引用虎哥发表于2楼的内容
建议添加一点实验总结。辐射计的热中子探测效率可达90%,问题是慢化效率要算一下。

³He的中子吸收截面呈现出1/v规律,对热能区的中子自然有很高的探测效率,但是IECF产生的中子能量分布在2.45MeV,这一能量下的探测效率并不会很高。

另外,XXXXXXXXXX并未给出LND25169的灵敏度参数;作为采购与使用方,GR135ND-H也没有在手册中声明其搭载中子探测器的灵敏度,因此在不参考校准源的情况下,很难由GR135ND-H给出的信息准确计算出IECF的中子产额,所以这里仅用于证明中子的产生与否。

关于GR135ND-H中LND25169对fusor中子产额的测量,Andrew Seltzman做了一定的工作,但是并未由此直接得出fusor的实际中子产额XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/physics/XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXm

为了对这台IECF工作时的中子产额进行探测与计算,接下来我将使用搭配60mmPE慢化层、更大体积的³He detector进行测量。

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虎哥
6个月22天前
4楼

那些白色砖块不是聚乙烯吗,我的意思是估算相应厚度塑料块的慢化效率,然后根据热中子计数反推中子产额。

先前没注意到你用的3He正比管,好像这种管子没有以前流行了,我最后一次见到设备上使用是大约20年前,后来拆了。一般优先考虑6Li闪烁体,效率是比较高的,我指的就是这种。闪烁体麻烦在于需要多道来排除γ干扰。

其实我比较好奇为啥全世界的fusor都长得差不多,特别是那个标志性的电极。如果主要目的是把中子搞得多多的,那应该会有所优化,有所区别才对呀。

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Arutoria作者
6个月21天前 修改于 6个月21天前
5楼

白色砖块是聚乙烯,但是砖块里面放置的是待活化材料,而不是为探测器做减速体。

³He正比管有一项灵敏度参数: cps/nv,代表一定通量的中子在探测器内产生计数的次数,也可以写作cps/(n/cm²·s),另有一些探测器会使用cps/(usv/hr)这种单位。这项参数与GM counter相似,都是由校准源(Am-Be、Cf252等)得出的。

因此在没有灵敏度参数时,探测器给出的计数cps并不能直接反映这一点的中子通量nv,也无法计算待测中子源产生的实际中子通量n/s。特别是使用PE、石蜡等中子慢化体后,就更需要重新采用校准源校准得出探测器此时的灵敏度参数,进而才能用于计算待测中子源的实际中子产额。

关于γ干扰问题,³He正比管的中子信号脉冲幅度小,被γ和X射线干扰问题更加严重且难以分辨,一般只用SCA截掉左边的噪声。某些特殊环境下,还会使用相同的4He正比管作为3He正比管的对比管排除本底Xγ干扰。

-5962d69877265007.png

6Li闪烁体的中子信号脉冲幅度远高于γ本底脉冲,用SCA截取掉Xγ引起的信号即可,甚至可以与CsI耦合共用一个pmt进行测量。

为啥全世界的fusor都长得差不多。。因为fusor结构都要使用这个标志性的Grid Cathode、都采用plasma target,不用这个结构的也就不叫fusor了。。。

关于这个网格的结构,为了代替最早的wire grid,TUM做了一些工作,提出了buckyball grid,京大则提出了disk grid,经过实验,反应率确有一些提高,就包括XXXXXXXXt近几年也在改变网格结构,做出了“桶状内网格”

Screenshot_20220312-135237_Samsung Reader.jpg Screenshot_20220312-140318_Samsung Reader.jpg

当然不可否认的是,现在全世界的fusor增加中子产额的首选途径还是增加高压电源的电流,另外还有少数人通过使用多个离子源来增加中子产额。当然,fusor的优化都是基于fusor基本结构的,如果只是追求更高的中子产额,也就没必要考虑fusor结构了。


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zxm852
6个月14天前
6楼

有点奇怪,法律允许吗,这应该是在国外做的吧,似乎有点危险(不禁低头看了看钱包)

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Arutoria作者
6个月14天前
7楼
引用zxm852发表于6楼的内容
有点奇怪,法律允许吗,这应该是在国外做的吧,似乎有点危险(不禁低头看了看钱包)

不用奇怪,有疑惑可以反复大声朗读文章开头的警告。 了解距离平方反比衰减定律的辐射防护效果,学会合理控制运行时间以减少累积的剂量吸收,认真选择非人员密集的实验场所,而不是一遇到“似乎有点危险”的实验,就统统臆测要拿到国外去做

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TNTlab
6个月11天前
8楼

这个实验花了多少啊?


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Arutoria作者
6个月11天前 修改于 6个月11天前
9楼
引用TNTlab发表于8楼的内容
这个实验花了多少啊?

除了真空腔体走不了捷径,只能老老实实去花钱设计定制。。  其他零件合理选择购买二手产品也不会产生很大的开销

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虎哥
6个月11天前
10楼
引用Arutoria发表于9楼的内容
除了真空腔体走不了捷径,只能老老实实去花钱设计定制。。  其他零件合理选择购买二手产品也不会产生很大...

除了腔体,图片所见的东西,二手靠谱的也要花十来万,对于看这帖的学生来说是不敢想象的事情。。

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汉斯喵喵
6个月6天前
11楼

请巨佬到鄙人的贴子来做客,一起分析一下,谢谢!

https://www.kechuang.org/t/87602#container


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杂工1544
6个月5天前
12楼

请问本底真空不够高对系统性能有何影响?中子产量降低?电极烧蚀?


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Arutoria作者
6个月5天前
13楼
引用杂工1544发表于12楼的内容
请问本底真空不够高对系统性能有何影响?中子产量降低?电极烧蚀?

fusor一般在-3Torr的工作压力下可以获取最高的中子产额,这个工作压力是指注入工艺气源(燃料)后的压力,这意味着注入气源前的本底压力一定要小于此值。按照大多数业余爱好者的工作参数,本底压力一般达到-5Torr即可。

显而易见,如果本底压力太高将没有输入工艺气源的空间,如果强行输入,只会让你偏离反应率最高的工作压力点而无法获取可观的中子产额,甚至不会得到任何中子。

而本底压力低于-5Torr有什么好处?这就要看残余气体了,首先要知道的是残余气体中的氢(氕)(1.2amu),44amu(CO2)后面的有机物产生的氢碎片,残余的水蒸气(16.17.18amu)都会严重的影响fusor的中子产额。

分子泵系统对于高分子量的气体抽除效果是非常好的,所以抽到-6Torr的时候就可以把45amu后面全部抽干净。

而考虑到大多数分子泵对氢的压缩比较低,所以随着抽气时间的增长,氢的分压会保持缓慢的速度下降,一直到-8Torr仍然有下降趋势。

从上述两点来看,把系统的本底真空抽的更干净,对提高fusor中子产额是有一定作用的。

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杂工1544
6个月5天前
14楼
引用Arutoria发表于13楼的内容
fusor一般在-3Torr的工作压力下可以获取最高的中子产额,这个工作压力是指注入工艺气源(燃料)...

也就是即使没有分子泵,仅使用旋片泵也足以搞出能产生可以被探测到的中子的fusor?以及常见杂质气体影响中子产额仅仅是因为降低有效碰撞概率?还是有其它原因?

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Arutoria作者
6个月5天前
15楼
引用杂工1544发表于14楼的内容
也就是即使没有分子泵,仅使用旋片泵也足以搞出能产生可以被探测到的中子的fusor?以及常见杂质气体影...

不知道你是如何得出这样错误的结论的,在正文中楼主就已经说过,fusor工作在2~5mTorr的压力是指充入process gas后工作压力,尽管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的极限真空,但这并不代表仅使用一台旋片泵就可以支持IECF的工作

因为用旋片泵抽到平衡后的真空系统没有给你预留输入工艺气源的空间

关于只使用一台旋片泵运行fusor,楼主已经测试过了,chamber在抽气20min后只达到了1E-2Torr,这时向腔体中输入氘气至-1Torr再调试可变漏率阀使气压逐步降低,发现无论如何也无法进入star mode,只能停留在jet mode,且全过程未探测到中子

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jykio
6个月4天前
16楼

仰望大佬们讨论😂

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黎明教授
3个月19天前
17楼

Screenshot_2022-06-13-02-09-08-128_com.xunmeng.pinduoduo.jpg

如何评价这家伙🙃...

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博麗霊夢
17天17时前
18楼

楼主你好,我想知道一个问题。fusor中心的等离子体是近似处于局部热平衡(麦克斯韦分布),还是说一部分粒子的能量较高,其他的非常冷?

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Company_Inspector
5天6时前
19楼

大佬这个真的是“一团核气”了属于是


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