KLY—1低能宽束离子源的研制

本文简介了KLY-1低能宽束离子源的结构,给出了物理设计的主要公式和调试实验的结果。对于氩离子束,在离子能量为4keV,距引出电极24cm处的5cm直径的靶上,测得最大氩离子流为45mA,束流不均匀性优于±25％。     

ECR离子源束流引出与传输的研究

针对ECR离子源的束流引出及传输研究，在中国科学院近代物理研究所的LECR3离子源实验平台上开展了大量的实验. 实验中研究了等离子体电极引出孔径、反射电极(抑制电极)偏压以及Glaser透镜等因素对束流引出与传输的影响. 研究的重点是试图通过系列实验与分析来研究如何能更有效地引出强流离子束流并减小其在传输空间的损失. 给出了实验的主要结果，结合这些数据对ECR离子源的束流引出与传输进行了较全面的分析，并综合这些实验结果与分析结果得出了该物理过程的一般物理图像.     

负氢潘宁型离子源的束流引出测量

在中国工程物理研究院流体物理研究所自行研制的负氢潘宁型离子源上进行负氢束流引出测量实验,采用单电极、双电极、三电极束流引出测量方法进行初步束流引出测量,束流强度的实验测量结果远远高于空间限制流的理论计算值。因此,提出一种电屏蔽盒的直流束流引出测量方法。阐述了电屏蔽盒直流束流引出测量的基本方法、束流轨迹的CST数值模拟以及束流引出测量实验结果。研究表明:引出电压为2 kV,引出间隙为3 mm,磁感应强度为0.435 T时,得到较为精确的负氢束流引出强度约100 A。通过空间电荷限制流的V3/2定律进行拟合,推算得到引出电压为40 kV时,负氢束流强度约达到4 mA。     

HL-2A装置中性束离子源引出系统束流分析

在中性束离子源引出过程中,详细分析了引出束流的产生,这有利于得到更准确的引出功率和引出电极表面的热功率沉积情况。根据HL-2A装置中性束离子源引出电极的电连接方式和束流引出的物理过程,对离子源束流引出过程进行了分析,给出抑制极电流产生的主要来源。通过分析放电气压扫描实验中的结果发现:随着放电气压的增加,不同弧放电电流情况下抑制极电流均逐渐增加,且抑制极电流与引出电流的比值近似线性增加。针对引出离子束流经过引出电极的过程建立了物理模型。计算了抑制极电流与引出电流的比值与放电气压的依赖关系,计算结果与实验结果一致,验证了引出束流分析结果的合理性。     

用于NPA标定系统的高频离子源研制

研制了一台用于Neutral Particle Analyzer(NPA)标定系统的高频离子源,对其性能参数进行了实验测量,得到引出束流与高频振荡器板压、引出电压及放电气压之间的特性曲线,对影响引出束流稳定性的原因进行了分析.结果表明:当工作气体为氢气,在板压580 V、引出电压1600 V、聚焦电压1550 V和气压9.5×10~(-4) Pa时,能引出66μA的离子流;在41μA束流条件下,4小时内的束流稳定性优于2.6%,影响束流稳定性的主要因素是放电管内工作气体气压的波动和等离子体温度的升高.此结果可以满足HL-2A/M上NPA系统的标定对离子源的要求.     

强流ECR离子源引出系统研究

为了提高强流ECR 离子源的引出束流品质,分别设计了1# 和2# 引出系统,利用束流引出模拟软件PBGUNS 对1# 和2# 引出系统进行了质子束流引出与传输的模拟计算,结合实际测得的发射度数据分析引出系统,发现2# 引出系统比1# 引出系统引出束流品质高。对ECR 离子源引出系统的电势等位线分布等参数引起的球差进行了简单数学推导及MATLAB 绘图,并结合1# 和2# 引出系统束流相图模拟结果证明了球差会使引出束流品质有效发射度增长,通过适当加大电极孔径可改善束流聚焦情况,得到了束流光学聚焦较好的束流引出系统设计。To improve the quality of extracted ion beam from a high current ECR ion source, 1# and 2# extraction systems were designed and tested. The PBGUNS code was used to simulate the 1# and 2# extraction systems of proton ion beam. The emittance measurement results with the two different extraction systems were compared and analyzed with the simulation, the conclusion that more high quality beam extracted from 2# system than 1# system was got. The formula derivation of ECR ion source extraction system spherical aberration and MATLAB drawing was done by the analyzing on the distribution of extraction field equipotentials, effective emittance increasing caused by spherical berration was proved by 1# and 2# extraction systems beam phase space simulation result, beam focusing would be improved if electrode hole size increasing appropriately and a general concept on good optics focusing of ion beam extraction system was proposed finally.     

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.     

射频离子源离子束成分光谱测量

为HL-2A装置中性束注入器研制了引出束功率为1MW的射频离子源。在测试平台上,实验离子源已经成功引出了束能量和束电流分别为35ke V和12.4A、束质子比为79%、脉宽为100ms的氢离子束,达到了设计束功率要求的44%。在射频离子源实验平台上,利用多普勒频移光谱方法测量了离子源引出束流成分比例,对比了束流成分和射频离子源引出束流之间的关系。实验数据分析表明,在10A引出束流的情况下,离子流成分H+1、H+2和H+3分别为75%、18%和7%。并且当引出束流从3.3A升至10.4A时,H+1从37%升至78%,而H+3则从19%降至9%。     

含氘电极真空弧等离子体空间分布特性诊断研究

真空弧放电等离子体含有多种离子成分,并且各离子在空间上具有不同的分布规律.本文针对金属氘化物电极真空弧离子源,搭建了一台紧凑型磁分析装置,用来研究放电等离子体中氘离子与金属离子的空间分布.当离子源弧流为100 A左右时,该装置能有效地传输引出束流,并且具有较好的二次电子抑制效果,可准确获得各离子流强.利用该装置测量并获得了氘化钛含氘电极真空弧放电等离子体内氘离子和钛离子空间分布规律,结果表明:径向上,氘离子和钛离子都呈高斯分布,但氘离子分布均匀,而钛离子相对集中在轴线附近,导致轴线附近氘离子比例最低;轴向上,所有离子数量都以自然指数函数减少,而且相对幅度接近,所以氘离子比例几乎不变.本文研究结果不仅有助于理解真空弧放电等离子体膨胀过程,还可以指导金属氘化物电极真空弧离子源及其引出设计.     

60kV离子源引出与加速系统的数值模拟

对 6 0kV、70A、2s离子源的四电极引出 加速系统进行了数值模拟。利用数值计算结果对系统进行了优化。在离子流密度为 0 2 4A·cm- 2 (束中H+ 1∶H+ 2 ∶H+ 3=0 .7∶0 .2∶0 .1)和离子源等离子体离子温度为 1eV时 ,由系统栅缝出射的束最大散角小于 1o。     

射频离子源离子束成分光谱测量

为HL-2A 装置中性束注入器研制了引出束功率为1MW 的射频离子源。在测试平台上,实验离子源已经成功引出了束能量和束电流分别为35keV 和12.4A、束质子比为79%、脉宽为100ms 的氢离子束,达到了设计束功率要求的44%。在射频离子源实验平台上,利用多普勒频移光谱方法测量了离子源引出束流成分比例,对比了束流成分和射频离子源引出束流之间的关系。实验数据分析表明,在10A 引出束流的情况下,离子流成分 H⁺ ₁、H⁺ ₂ 和H⁺ ₃ 分别为75%、18%和7%。并且当引出束流从3.3A 升至10.4A 时,H⁺ ₁ 从37%升至78%,而H⁺ ₃ 则从19%降至9%。     

用于静电加速器的高频离子源及其引出特性

 根据离子束生物工程的需要,设计和研制了一台用于静电加速器的小型高频离子源。针对使用环境从理论上确定了离子源的结构和尺寸。通过实验调试取得了引出束流与引出电压、聚焦电压以及放电气压之间的变化特性曲线,测定了引出束流的束径包络,对束流的不稳定性进行了分析,在设计中采取了有效的措施抑制束流不稳定性。结果表明,离子源的最佳工作条件为引出电压1 600V~1 800V,放电气压在（4~8）×10^-4Pa范围,此时离子源可引出最大束流30μA。束流大小及其稳定性均达到预期要求。     

15—20mA负氢离子源的设计与加工

离子源是强流质子回旋加速器的核心设备之一, 它的性能指标对最终束流大小和质量都有重大影响. 文章介绍了一种运用于强流质子回旋加速器上的多峰场负氢离子源的设计与加工情况, 该离子源主要是通过深入研究高密度等离子体产生技术、长寿命大直流灯丝电子发射技术、磁约束技术、虚拟过虑技术、残留气体与电子剥离的控制技术, 以及离子引出技术等, 在中国原子能科学研究院原有10mA离子源基础上建立负氢离子源, 实验研究低能、强流束的实验匹配与调试技术, 将平均引出束流提高到15—20mA.     

用掩蔽注入法研究钛注入H13钢的耐磨性

采用由金属蒸汽真空弧离子源引出的强束流钛、碳离子对H13钢进行表面改性研究.钛和碳离子注入剂量分别为3×1017和1×1017cm-2,引出电压分别为48和30kV，平均束流密度分别为47和20μA·cm-2.为了保持相同的摩擦磨损实验条件，注 入过程中采用掩蔽注入技术.摩擦磨损实验结果表明，钛离子注入H13钢提高了其耐磨性，并大幅度降低其摩擦系数.利用卢瑟福背散射谱测量了离子注入表面的成分，并采用逐层递推 法得出了钛在H13钢中的浓度深度分布，借助掠面x射线衍射考察了注入表面的相结构. 关键词： 钛离子注入 金属蒸汽真空弧 卢瑟福背散射 掠面x射线衍射     

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为提高NBI系统的稳定运行参数和可靠性,研制了一台基于高频开关电源技术的全固态调制输出负高压测试电源,并将HL-2A装置NBI系统原4套抑制极电源的电子管调制器改为基于IGBT串联技术的全固态调制器.对比原抑制极电源系统,给出了基于高频开关技术和IGBT串联技术的抑制极电源结构.结合NBI系统调试实验,通过调节抑制极电源电压,瞬态电流输出能力,分析了抑制极电源输出性能对离子源束流引出特性,离子源引出电极击穿特性的影响,获得了引出稳定离子束流的最低抑制电压.     

HL-2M装置中性束离子源束光学红外成像实验研究

为了研究HL-2M装置中性束注入(NBI)加热用的80k V/45A/5s热阴极离子源束光学特性,采用红外电荷耦合元件(CCD)成像技术,测量离子源引出粒子束轰击量热靶板产生的温度分布,得到束功率密度空间分布区间特征参数1/e半宽度。在NBI热阴极离子源调试平台上,扫描离子源的放电和引出参数,利用CCD红外热像仪获得了对应参数下量热靶上的束功率密度分布。实验结果表明,HL-2M装置NBI加热系统80k V/45A离子源可用的导流系数范围为0.7~1.5?P。同样导流系数下,梯度电极与等离子体电极的分压比较高时,引出束流的半宽度较小。     

材料表面处理用强流电子回旋共振离子源

介绍一台2.45 GHz永磁强流电子回旋共振离子源,其外径160mm,高90 mm,放电室直径70 mm,高50 mm。微波馈入采用介质耦合方式,微波窗由一块f50 mm10 mm柱形BN和两块f30 mm10 mm的柱形陶瓷构成。离子源工作在脉冲模式下,采用三电极引出系统,最高引出电压达到100 kV,在微波输入功率300 W、进气量0.4 mL/min时,可引出峰值超过30 mA的氮离子束,在距离离子源引出孔1200 mm位置处的束流均匀区直径大于200 mm。     

HL-2M装置中性束离子源束光学红外成像实验研究

为了研究HL-2M装置中性束注入(NBI)加热用的80kV/45A/5s热阴极离子源束光学特性，采用红外电荷耦合元件(CCD)成像技术，测量离子源引出粒子束轰击量热靶板产生的温度分布，得到束功率密度空间分布区间特征参数1/e半宽度。在NBI热阴极离子源调试平台上，扫描离子源的放电和引出参数，利用CCD红外热像仪获得了对应参数下量热靶上的束功率密度分布。实验结果表明，HL-2M装置NBI加热系统80kV/45A离子源可用的导流系数范围为0.7~1.5μP。同样导流系数下，梯度电极与等离子体电极的分压比较高时，引出束流的半宽度较小。     

ECR离子源束流发射度的实验研究

利用最新自行研制的电扫描发射度探测系统, 在ECR离子源上进行了一系列关于ECR离子源引出束流发射度的研究. 这套电扫描发射度探测系统安装在中国科学院近代物理研究所(兰州)的LECR3试验平台的束运线上. 试验中, 通过测量相关参数, 研究了磁场、微波、掺气效应及负偏压效应等对引出束流发射度的影响. 利用实验所得的结果与关于ECR等离子体和离子源束流发射度的半经验理论, 分析推导了离子源各可调参数与ECR等离子体的直接关系, 这为分析探索ECR离子源的工作机制提供了一定的参考依据.     

HL-2A中性束大功率离子源的研制

2007年3月,为HL-2A中性束注入器研制的大功率离子源在核工业西南物理研究院成功通过了测试.该离子源为圆柱结构的桶式离子源型;加速器采用三电极的加减速系统.实验运行参数如下:灯丝加热电流1100A,电压12V,弧放电电压120V,弧放电电流1050A,等离子体密度达2.5×1012/cm3,离子流密度0.44A/cm2;在距等离子体电极5mm的平面上,等离子体的均匀性好于5%,工作脉宽2s.离子源物理设计、工程考虑、实验研究结果等将在本文介绍.