基于气体放电等离子体射流源的模拟离子引出实验平台物理特性

离子引出过程是原子蒸气激光同位素分离中非常重要的物理过程之一,而其中关键的等离子体参数(等离子体初始密度和电子温度等)均会对离子引出特性产生影响.基于千赫兹电源驱动的氩气高压交流放电等离子体射流源,建立了离子引出模拟实验平台-2015 (IEX-2015),开发了用于诊断氩等离子体参数的"碰撞-辐射"模型,对等离子体射流区的电子温度和电子数密度等关键参数进行了测量.结果表明,电源输入功率和驱动频率以及工作气体流量均会对等离子体射流区的电子温度和数密度产生影响;在真空腔压强为10~(-2)Pa量级下,射流区电子数密度和电子温度的可调参数范围分别为10~9—10~(11)cm~(-3)和1.7—2.8 e V,这与实际离子引出过程中的等离子体参数范围相近.在此基础上,开展了不同引出电压、极板间距和电子数密度条件下初步的离子引出实验,所得到的离子引出电流变化规律亦与实际原子蒸气激光同位素分离中的离子引出特性定性一致.上述研究结果验证了在IEX-2015上开展离子引出模拟实验的可行性,为后续深入开展离子引出特性的实验研究准备了良好的条件.     

强光一号POS等离子体源性能参数测量

以强光一号等离子体源（电缆枪）为研究对象,采用电荷收集器（法拉第杯）对强光一号等离子体源性能参数进行测量。实验结果表明:等离子体发射密度与电缆等离子体枪枪芯到枪口的距离正相关,而发射速度与电缆等离子体枪枪芯到枪口的距离负相关;增大电缆枪驱动电压时,等离子体发射密度增速远小于驱动电流增速。重复性研究表明,对由数十支电缆枪组成的等离子体源而言,单支电缆枪放电分散性对其输出等离子体整体分布均匀性影响不大。不确定度分析表明,通过多次重复实验求平均值,可以有效减小实验结果的不确定度,发射密度测量结果的合成标准不确定度在10%以内。     

等离子体源参数对长导通等离子体断路开关性能的影响

首次自行研制了导通电流可达100kA的微秒导通时间POS（等离子体断路开关），并初步开展了等离子体源参数，包括等离子体枪与主回路之间的触发延时、等离子体枪的工作电压以及等离子体枪的数目对开关性能的影响规律研究。     

2.45GHz ECR 强流等离子体源核心部件设计与实验研究

电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)等离子体源能产生高电荷态离子、高流强的单电荷态离子,提供稳定的束流和良好的重复性.核心部件的设计对ECR等离子体源是至关重要的,磁场对等离子体的生成和分布有直接影响,良好的磁场可以提高等离子体的性能和效率.采用有限元分析方法对ECR等离子体源磁场进行分析与设计,得到了满足设计需求与目标的磁场位形,通过高斯计对设计的永磁环轴向磁场精确测量,发现磁场仿真结果与实验结果吻合比较好,只是轴向磁场最大值及对应位置上有点偏差.通过集成实验,研究核心部件对离子源引出束流强度的影响,引出束流稳定且强度达到7 m A.     

等离子体源参数对长导通等离子体断路开关性能的影响

 研制了可工作在长导通时间（约1μs）的等离子体断路开关，实验研究了等离子体源参数，包括等离子体枪与主回路之间的触发延时、等离子体枪的工作电压以及等离子体枪的数目对开关性能的影响规律。研究结果表明，开关导通时间和开关电压随触发延时、枪工作电压和数目的增加而增加，但当开关导通时间接近主回路电流四分之一周期时，开关电压呈下降趋势。当Marx发生器工作电压为120kV且采用4个等离子体枪时，实验获得的最大电压倍增系数约为1.8。     

微波电子回旋共振等离子体阴极电子束的实验研究

介绍了实验室研制的微波电子回旋共振(ECR)等离子体阴极电子束系统及初步研究结果，该系统包括微波ECR 等离子体源、电子束引出极、聚焦线圈等。通过测量水冷靶电流和靶上的束斑尺寸，实验研究了微波ECR 等离子体阴极电子束的流强、聚束性能等随电子束系统工作条件的变化。结果表明：微波输入功率越高、引出电压越高，引出电子束流强越大；工作气压对电子束流强的影响较复杂，随气压增加呈现出先降低后升高的特点；在7×10⁻⁴Pa 的极低气压下电子束流强可达75mA，引出电压9kV；能量利用率可达0.6；调整聚焦线圈的驱动电流，电子束的束斑直径从20mm 减小到13mm，电子束流强未有明显变化。     

核物理与等离子体物理学科研究进展

1脉冲功率技术及加速器物理 利用雪耙模型，对一个典型的微秒级导通时间等离子体断路开关物理过程进行了模拟计算，分析研究了导通物理机制和雪耙阵面的运动过程，获得了具有指导意义的数据和结果。在国内首次研制成功导通电流可达100kA的微秒导通时间等离子体断路开关，开展了等离子体枪与主回路之间的触发延时、等离子体枪数目及其工作电压对开关性能的影响规律实验研究，获得的典型数据和结果对开关的应用及等离子体源参数优化具有重要意义。     

离子刻蚀用的大面积射频离子束源

离子束技术已广泛应用于电子、材料、光学、医学和生物等多种领域，并取得了可观的技术效果与经济效益，尤其是在光学领域中采用此项技术可制造大刻划面积的全息离子刻蚀光栅，对提高高精度光谱分析仪器的性能具有十分重要的意义。随着技术的发展，对离子束源也提出了更高的要求，诸如：离子束流要求大，要有良好的均匀性，且要有好的离子束的光学品质等。本文介绍的离子束源是由电感耦合等离子体源及其引出系统构成。下面主要介绍电感耦合等离子体源及其引出系统，以及大面积均匀性离子束源的应用前景及其需要解决的关键问题。     

新型大面积电磁表面波等离子体源

研制了一种新型电磁一面波等离子体源,并对其参数和特性进行了实验研究。实验结果表明,该源在２３０Ｐａ以下的气压范围内成功地产生了直径在１６０ｍｍ以上,电子密度达１０＾１０－１０＾１１ｃｍ＾－３、电子温度只有几电子伏特的大面积均匀等离子体柱,适合于大面积,大体的等离子体应用。     

大面积负离子束源磁过滤器的设计及实验研究

中性束注入是磁约束核聚变能研究中重要的辅助加热手段。大面积负离子源是中性束注入系统的核心部件。在负离子源工作过程中,负离子的电子结合能非常小(约0.75e V),极易被高能电子破坏。为此需要设计过滤磁场降低电子温度,减少负离子的损失,同时也可以减少伴随引出的电子。根据大面积负离子束源的机械结构,分别设计了永磁体产生过滤磁场和利用等离子体电极(PG)电流产生磁场两种磁过滤器结构;通过有限元算法对产生的过滤磁场进行模拟分析和优化,完成了大面积负离子束源过滤磁场的研制。在负离子束源测试平台开展实验测试,引出区电子温度从5eV降至1eV。这个结果初步验证了大面积负离子束源的过滤磁场的性能,为大面积负离子束源的研制提供了支持。     

2 cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离子体损失,因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT的粒子PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型,数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明,当ECR区位于天线上游时,等离子体集中在天线上游和内外磁环间,栅极前离子密度最低,故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR区位于天线下游时,天线和栅极上游附近的等离子体密度较高,故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.     

60MHz电容耦合等离子体中电子能量分布函数特性研究

甚高频(频率大于30 MHz)耦合放电源由于能产生大面积高密度的等离子体而受到了人们的广泛关注. 采用电流、电压探针以及朗缪尔探针诊断技术对60MHz射频激发产生的容性耦合等离子体的放电特性及电子行为进行了研究. 实验结果表明,等离子体的等效电阻/电容随着射频输入功率的增加而减小/增加;等离子体中电子行为不仅依赖于射频输入功率,还与放电气压密切相关;放电气压的增加导致电子能量概率分布函数(EEPF)从双温Maxwellian分布向Druyvesteyn分布转变,而且转变气压远低于文献所报道的数值,这主要是由于在60MHz容性耦合等离子体中电子反弹共振加热效率大为降低. 关键词： 甚高频容性耦合等离子体 朗缪尔探针诊断 电子加热模式     

Experimental results of helicon sources

Helicon plasma sources are known as efficient generators of uniform and high density plasma.A helicon plasma source was developed for the investigation of plasma stripping and plasma lenses at the Institute of Modern Physics, CAS.In this paper, the characteristics of helicon plasma have been studied by using a Langmuir four-probe and a high plasma density up to 3.9×10~(13)/cm~3 has been achieved with the Nagoya type Ⅲ antenna.In the experiment, several important phenomena were found: (1) for a given magnetic induction intensity, the plasma density became greater with the increase of RF power; (2) helicon mode appeared at RF power between 300 W and 400 W; (3) the plasma density gradually tended to saturation as the RF power increased to the higher power; (4) a higher plasma density can be obtained by a good match between the RF power and the magnetic field distribution.The key issue is how to optimize the matching between the RF power and the magnetic field.Moreover, some tests on the extraction of ion beams were performed, and preliminary results are given.The problems which existed in the helicon ion source will be discussed and the increase in beam density will be expected by extraction system optimum.     

大气压双频氦气放电等离子体特性的数值研究

用一维流体模型研究了大气压双频氦气放电等离子体的特性。数值模拟的结果表明,在单、双频放电中,随着应用电压的增加,电子密度和放电电流都增加。相对于单频放电,双频放电中低频源的耦合效应使得放电中的电流以及电子密度降低。随着低频源电压峰值的增加,电子密度降低,离子通量,电子损失能量以及电子吸收能量均降低;但电子温度和电势随着低频源电压峰值的增加而增加。在相同低频源电压下,随着高频源电压的增加离子流非线性增加。     

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Based on one dimensional fluid model, the characteristics of helium plasma discharge driven by dual frequency at atmospheric pressure were studied. The results show that the electron density and discharge current increase with power voltage both in single frequency discharge and dual frequency discharge. In comparison with single frequency discharge, the discharge current and electron density in dual frequency discharge are lowered due to the coupling of low frequency source. As the voltage of low frequency source increases, the electron density, ion flux, electron energy dissipation, as well as electron heating decrease, whereas electron temperature and potential increase. As the voltage of high frequency source increases, the ion flux nonlinearly increases at the same voltage of low frequency source.     

高频离子源等离子体的光谱诊断

 采用发射光谱法研究了高频离子源的等离子体性质。该离子源应用于ZF-200keV中子发生器中，是一种电感耦合型无极环形放电高频离子源。实验采用绝对定标后的光学多道分析系统测定了离子源等离子体在不同阶段氢原子巴耳末谱线系中前三条谱线的强度，并采用部分局部热力学平衡状态的理论，计算出了相应阶段高频离子源等离子体的电子温度、氢原子浓度、氢离子浓度等参数，并进行了简要分析。     

Modeling of a hemispherical inductively coupled plasma using neural network

In this study, a hemispherical inductively coupled plasma (HICP) was modeled by using a neural network called a radial basis function network (RBFN). The prediction performance of RBFN models were optimized by using a genetic algorithm. Using a Langmuir probe, experimental data were collected from the HICP equipment of 10 turns. For a systematic modeling, plasma discharge was characterized by using a statistical experiment. The process parameters involved include a radio frequency source power, pressure, position of probe tip, and Cl₂ flow rate. The plasma characteristics modeled include plasma density and electron temperature. From the optimized models, 3D plots were generated to explore parameter effects. Plasma density (or electron temperature) was the most strongly dependent on the tip position. The effect of source power on plasma density was almost independent of Cl₂ flow rate. The effect of pressure was inclined to slightly decrease plasma density. Unlike in other plasma sources, electron temperature was little affected by pressure. The effect of Cl₂ flow rate of increasing electron temperature was the most significant under higher plasma density.     

Simulation of ion beam extraction and focusing system

The characteristics of ion beam extraction and focused to a volume as small as possible were investigated with the aid of computer code SIMION 3D version 7.This has been used to evaluate the extraction characteristics(accel-decel system)to generate an ion beam with low beam emittance and high brightness.The simulation process can provide a good study for optimizing the extraction and focusing system of the ion beam without any losses and transported to the required target.Also,a study of a simulation model for the extraction system of the ion source was used to describe the possible plasma boundary curvatures during the ion extraction that may be affected by the change in an extraction potential with a constant plasma density meniscus.     

进气道内衬筒形等离子体隐身性能三维模拟

针对飞机进气道等离子体隐身问题,建立了三维筒形进气道模型,采用有限元求解波动方程,计算了腔体内壁覆盖均匀等离子体时的雷达散射截面。研究表明:腔体内覆盖等离子体时可以有效吸收入射电磁波能量;吸收随电磁波频率增加而减弱,但由于腔体结构作用,会存在几个吸收峰;吸收随电子数密度增加而增强,但电子数密度过高时,吸收效果会变差;最佳碰撞频率虽然与电磁波频率和电子数密度有关,但其值可约为9GHz;吸收随等离子体厚度增加而变大,但在较大电子数密度时,由于电磁波在等离子体与空气交界面处反射导致厚度增加,从而使得吸收变小;选取合适的入射角度和等离子体数密度可以在1~3GHz频段实现明显的隐身效果。