如何解决中子管的高产额与体积的小型化之间的矛盾一直面临挑战。体积的减小势必影响并限制靶流和靶压等参数，这也预示着中子管产额存在最大极限。利用拟合实验数据获得的反应截面参数曲线，并通过构造中子产额、靶流、靶压满足的产额方程，在各项参数都取最优的情况下，求解这一方程得到了小型中子管单位靶流的最大产额，如图1所示。这一参数不仅对设计研发高产额中子管有指导意义，同时对比参数表明现有的商品化中子管产额还有很大的提升空间。此外，鉴于近年来人们提出的负离子中子管方法，课题组利用现有的正离子中子管技术，通过直接改变靶压极性来引出负离子并打靶。实验结果表明，相同靶压下的靶流只是正离子引出的约1/10，虽然有较高的单位靶流产额，总产额却不到正离子中子管的1/10，因此目前看来很难有市场价值。同时，我们提出单位靶流的产额在一定程度上更能反映中子管的综合性能，相关论文发表在[Instrum. Exp. Tech. 63(4): 595-599(2020). DOI:10.1134/S002044122004020X]。

理论和实验都表明相同参数下单原子氢离子（H⁺）对产额的贡献最大，但是靶流中还有大量对产额贡献率较低的双原子和三原子离子：H₂⁺，H₃⁺。提高H⁺的占比分数是提高产额的最佳途径。然而，分析靶流中的离子成分一直面临困难，因为在近100kV的靶压下，质谱仪若不采用超导磁体，离子偏转半径会达到篮球场的大小。为解决这一难题，我们建立了包含离子成分比例参数的产额方程。理论上讲，只要截面参数和产额测量足够精确，求解产额方程将获得离子占比分数。然而令人疑惑的是这一并不复杂的典型方案至今却没人实施。我们的分析表明，成功的关键在于应考虑到³He探测器存阈值电压。通过合理选择这一电压，利用某公司商品化中子管的公开参数计算表明：H⁺和H₂⁺的占比分别为6%和94%。这一结果与国外研究人员利用质谱仪直接对离子源内离子测量的结果高度一致。由于这方法仅用到靶流、靶压和产额三个典型参数，具有很强的实用性。目前这一方法已受理了发明专利，发表的相关论文也引起该领域研究人员的关注，其中来自全俄罗斯自动化研究所（VNIIA）的Dmitry Savin博士给课题组发邮件交流并索要相关论文。值得一提的是，该研究所是中子管研发领域的顶级研究机构，连美国好奇号火星车上的中子反照探测器（DAN）都是出自该研究所。相关论文参见[Nucl. Instrum. Meth. A 987:164836(2021) , DOI:10.1016/j.nima.2020.164836]。

利用仿真模拟方法对中子管结构及工作参数进行优化近年来才逐渐兴起。然而，鉴于等离子体计算本身的困难，大多模拟结果都只能得到定性的结论。课题组近期利用Comsol软件的等离子体模块，在二维流体模型下的电容耦合模型中，利用氩气（Ar2）对潘宁离子源的工作状态进行的模拟优化表明，的确存在最优的几何结构、磁场和气压等参数。典型参数下的计算显示，阳极筒的长宽比在0.8时，等离子体的密度和分布面积都达到最优值，如图2。冠能公司通过多年实践经验并商品化的相应参数为0.9，二者非常接近。这一结果预示着模拟仿真将有望在指导高产额中子管的生产实践中发挥重要作用。相关论文参见[J. Phys.: Conf. Ser. 1601:022044(2020), OI:10.1088/1742-6596/1601/6/062034]。

参与以上项目的人员包括欧阳晓平院士、周晓华副教授以及理学院2019级研究生李杰和巨少甲。项目受到了院士基金以及西京学院特区人才基金的大力支持。