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.     

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。     

RF离子源引出特性的研究

为了使RF离子源具有良好的引出特性, 测试了吸极几何参数、振荡器板压、引出电压对离子源引出特性的影响, 对实验结果进行了分析. 在其他参数不变的情况下, 存在最佳的D/d; 增加D/d,有利于过聚焦的离子束恢复聚焦状态. b/D增大时, 聚焦度上升, 引出束流下降. B/d减小时,聚焦度增大; 当B/d小于4时, 聚焦度增加趋势变缓. 综合考虑聚焦度、引出束流和气压,D/d,b/D,B/d适宜的选择范围分别为1.6—2.1, 0.7—1.1, 4—7. 改变引出电压和振荡器功率对离子源性能的影响具有相反的方向, 两者都存在最佳工作点.     

ECR氧离子源及整体分离环RFQ加速器低能输运系统的研制

根据研制分离作用RFQ和升级改造1MeV ISR RFQ的需要,设计了一台ECR O⁺离子源及低能输运(LEBT)系统. 低能输运系统使用2个静电透镜聚焦束流, 在引出电压22kV时, LEBT末端得到6mA以上总脉冲束流、束流归一化均方根发射度为0.12πmm﹒mrad. 束腰可前后移动160mm.     

RF离子源引出特性的研究

 为了使RF离子源具有良好的引出特性，测试了吸极几何参数、振荡器板压和引出电压对离子源聚焦度的影响，对实验结果进行了分析。在其它参数不变的情况下，吸极的外径D与内径d之比存在最佳值，增加D/d，有利于过聚焦的离子束恢复聚焦状态。吸极的长度为L，石英套管比吸极长l。当l/D增大时，聚焦度上升，引出束流下降。L/d之比减小时，聚焦度增大。当L/d小于4时，聚焦度增加趋势变缓。综合考虑聚焦度、引出束流和气压，D/d，l/D，L/d适宜的选择范围分别为1.6～2.1，0.7～1.1,4～7。增加振荡器功率会使离子束呈弱聚焦，而增加引出电压会使离子束呈过聚焦。振荡器功率和引出电压都存在最佳值。     

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%。     

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。     

宽束冷阴极离子源分时中和技术的研究

离子束辅助镀膜沉积过程中,绝缘薄膜表面的电荷积累效应严重影响了薄膜质量。通过对宽束冷阴极离子源引出栅部分的改进,采用分时引出电子和离子方法,使正负电荷中和,以消除薄膜表面的放电现象,并对引出电子束的束流密度、能量、发射角等参数进行了测试。实验结果表明：在引出电压为600V时,电子的平均能量为100eV左右;引出电子束的发射角可以达到±40°,在±15°范围内的束流密度波动小于±5%。引出电子的束流密度较同参数下的离子束流密度小,通过调节脉冲电源的占空比,可达到很好的中和效果。     

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介绍了一种低功率圆柱形阳极层离子源的工作特性和束流分布特性。离子源正常工作参数范围为工作电压200～1200V,放电电流0.1～1.4A,工作气压1.9×10-2～1.7×10-1Pa,气体流量5～20sccm。离子源有两个工作状态：发散状态和准直性状态。     

低能辐照离子源设计及性能

简要介绍了低能辐照离子源的设计及性能。采用热阴极磁约束ＰＩＧ放电,并用两极多孔加减速系统引出离子束。调试结果：离子束能量在２００－２０００ｅＶ范围内可调,最大引出束流１５０ｍＡ,灯丝工作寿命１６０ｈ。     

不同磁路电子回旋共振离子源引出实验

空间推进所用的电子回旋共振离子源(ECRIS)应具有体积小、效率高的特点. 本文研究的ECRIS使用永磁体环产生磁场, 有效减小了体积, 该离子源利用微波在磁场中加热电子, 电子与中性气体发生电离碰撞产生等离子体. 磁场在微波加热电子的过程中起关键作用, 同时影响离子源内等离子体的约束和输运. 通过比较四种磁路结构离子源的离子电流引出特性来研究磁场对10 cm ECRIS性能的影响. 实验发现: 在使用氩气的条件下, 特定结构的离子源可引出160 mA的离子电流, 最高推进剂利用率达60%, 最小放电损耗为120 W·A^-1; 所有离子源均存在多个工作状态, 工作状态在微波功率、气体流量、引出电压变化时会发生突变. 离子源发生状态突变时的微波功率、气体流量的大小与离子源内磁体的位置有关. 通过比较不同离子源的引出离子束流、放电损耗、气体利用率、工作稳定性的差异, 归纳了磁场结构对此种ECRIS引出特性的影响规律, 分析了其中的机理. 实验结果表明: 保持输入微波功率、气体流量、引出电压不变时, 增大共振区的范围、减小共振区到栅极的距离, 离子源能引出更大的离子电流; 减小共振区到微波功率入口、气体入口的距离能降低维持离子源高状态所需的最小微波功率和最小气体流量, 提高气体利用率, 但会导致放电损耗增大. 研究结果有助于深化对此类离子源工作过程的认识, 为其设计和性能优化提供参考.     

氧回旋离子束刻蚀化学气相沉积金刚石膜

利用非对称磁镜场电子回旋共振等离子体产生的氧回旋离子束刻蚀了化学气相沉积金刚石膜,研究了工作气压和磁电加热电压对金刚石样品附近的离子温度和密度的影响,并分析了金刚石膜的刻蚀和机械抛光效果。结果表明:当工作气压为0.03 Pa,磁电加热电压为200 V时,离子温度和密度最大,分别为7.38 eV和 23.81010 cm-3 。在此优化条件下刻蚀金刚石膜4 h后,其表面粗糙度由刻蚀前的3.525 m降为2.512 m,机械抛光15 min后,表面粗糙度降低为0.517 m,即金刚石膜经离子束刻蚀后可显著提高机械抛光效率。     

紧凑针孔中性粒子分析器标定系统的设计和研制

介绍了紧凑针孔中性粒子分析器(CP-NPA)标定系统,包括一套高能量、小流强的中性粒子束线源和一 个配套旋转平台。束线源由高频离子源、电单透镜、速度选择器、加速管、电四极透镜和中性化室组成。高频离 子源已经完成研制,并顺利建立起等离子体。单透镜已经完成仿真、制造和测试。实验中引出电压为 1.0kV 时, 调整单透镜聚焦电压最高可以引出 36.4μA 束流。速度选择器、加速管、聚焦电四极透镜和中性化室也已完成概念 /工程设计。     

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。     

负偏压离子鞘及气体压强影响表面波放电过程的粒子模拟

由于表面电磁波沿着介质-等离子体分界面传播,而很难通过对传统的表面波等离子体(SWP)源施加负偏压实现金属材料溅射,因此限制了SWP源的使用范围.近期,一种基于负偏压离子鞘导波的SWP源克服了这个问题,且其加热机理是表面等离激元(SPP)的局域增强电场激励气体放电产生.但是该SWP源放电过程的影响因素并未研究清晰,导致其最佳放电条件没有获得.本文采用粒子(PIC)和蒙特卡罗碰撞(MCC)相结合的模拟方法,探讨了负偏压离子鞘及气体压强影响SWP电离发展过程的放电机理.模拟结果表明,负偏压和气体压强的大小影响了离子鞘的厚度、SPP的激励和波模的时空转化,从而表现出不同的放电形貌.进一步分析确定,在负偏压200 V左右和气体压强40 Pa附近,该SWP源的放电效果最佳.     

射频聚焦离子源熔石英高确定去除特性研究

在离子束抛光工艺过程中，材料确定性去除特性对预测光学元件的各工位材料去除量和驻留时间具有极其重要的作用。采用射频离子源对熔石英光学元件的离子束刻蚀特性进行了研究，利用ZYGO激光干涉仪获得准确的去除函数，系统分析了气体流量、屏栅电压、离子束入射角和工作距离等因素对熔石英去除函数的影响，并分析了各单一工艺因素微小扰动时，材料峰值去除率、半高宽和体积去除率的相对变化率。实验结果表明，相同工作真空条件下，工作气体质量流量的微小变化对去除函数影响极小，在典型的工艺条件下，屏栅电压在±5 V、离子束入射角±1°、工作距离在±0.5 mm范围内变化时，熔石英峰值去除率、体积去除率和峰值半高宽的相对变化均小于5%，去除函数具有较好的确定性和稳定性。     

一台2.45GHz强流中子源

A 2.45GHz microwave-driven ion source is being used to provide 40mA of deuterium ion beam (peak current) for an RFQ accelerator as part of a neutron source system.We have also designed a 60kV electrostatic LEBT using computer simulations.In our experiment,we measured the hydrogen and deuterium ion beam currents as functions of discharge power,gas flow,and magnetic field strength.The required beam current was obtained using leas than 700W of net microwave power with a gas flow of less than 1.5sccm.From the rise time data,it was determined that in order to obtain a high percentage of atomic ions in the beam, the beam extraction should start after 1ms of switching on the microwave power.At steady state,the proton fraction was above 90%.     

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为探究射频离子源驱动器线圈电气参数对射频放电的影响,主要进行了射频离子源等离子体激发的物理分析,并计算了射频电源的频率选择与线圈放电电流、线圈匝间电压以及放电气压之间的关系,设计了射频离子源驱动器的主要参数。研制的射频离子源驱动器装置,成功获得氢等离子体射频放电。实验结果和理论计算结果符合很好。