多峰离子源的三维数值模拟优化与设计

本文理论计算了多峰离子源永磁体, 采用二体碰撞模型处理电子之间的库仑碰撞, 运用空碰撞方法处理电子与氢元素相关粒子碰撞, 开发了全三维粒子模拟-蒙特卡罗模拟算法, 并采用此软件对热门多峰离子源JET-60U的两种优化设计模型进行数值模拟研究, 探索了两种离子源空间分布特性和体积负氢离子产率相关问题, 提出了负氢离子源设计的基本思想: 适当调整离子源多峰磁场分布情况可以输出均匀离子束; 适当调整引出磁场大小和离子源结构, 可以达到离子束空间均匀性和高产率兼顾的效果.     

J-PARC����Դ�������Դ��ά��ֵģ��

研究了矩形永磁体的理论计算方法,深入剖析了PIC-MCC处理算法,在粒子模拟软件平台下研制了全三维PIC-MCC模拟算法,并采用该算法数值研究了J-PARC多峰离子源放电特性,分析了J-PARC离子源电子能量沉积过程和体积产生机制,讨论了该离子源在光学特性和设计思路上的优势。结果显示:该离子源能产生空间均匀的负氢离子离子束,且体积负氢离子产生效率较高。     

Japan Atomic Energy Agency 10 Ampere多峰负氢离子源全三维数值诊断

本文研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗碰撞算法, 并采用该算法对国外研究较热的 Japan Atomic Energy Agency 10 Ampere (JAEA 10A) 离子源进行了全方位的数值诊断, 探索了电子能量沉积过程中电子的横向漂移和能量分布规律, 分析了离子源放电的主要物理参数对电子沉积的影响作用. 模拟及分析结果显示: 电子横向漂移 (-Y方向) 来源于过滤区的磁漂移, 增加过滤磁场, 导致磁漂移增大, 横向漂移加剧, 且电子的利用率增大; 提高放电室气压, 电子的碰撞更频繁, 进而加剧横向非均匀性, 也同时提高电子的利用率. 关键词： Japan Atomic Energy Agency 10 Ampere 多峰负氢离子源 全三维粒子模拟/蒙特卡罗碰撞     

JAEA 10A���Դ�ŵ��е缫����ģ��

采用自主研发的全三维PIC/MCC软件对JAEA 10A多峰负氢离子源进行系统仿真,分析了电极布局对H?体积产生效率的影响.模拟结果显示:放电功率一定的情况下,增加电极数目,高能电子导致的横向漂移相对减弱,进而得到相对均匀的H?束;但电子的相对利用率越低,导致H?体积产生效率较低.电极越靠近过滤磁区,高能电子导致的横向漂移相对增强,H?体积产生效率较低.改变电极数量,H?体积产生效率和空间均匀性不可兼得,电极远离磁过滤区,可实现双赢.     

JAEA 10A多峰源放电中电极布局模拟

采用自主研发的全三维PIC/MCC软件对JAEA 10A多峰负氢离子源进行系统仿真,分析了电极布局对H^-体积产生效率的影响。模拟结果显示：放电功率一定的情况下,增加电极数目,高能电子导致的横向漂移相对减弱,进而得到相对均匀的H^-束;但电子的相对利用率越低,导致H^-体积产生效率较低。电极越靠近过滤磁区,高能电子导致的横向漂移相对增强,H^-体积产生效率较低。改变电极数量,H^-体积产生效率和空间均匀性不可兼得,电极远离磁过滤区,可实现双赢。     

负氢离子源中多峰磁场形态数值模拟

 基于磁荷模型,在有限差分法基础上,推导了3维永磁体数值算法,结合全3维PIC/MCC粒子模拟算法,数值分析比较了外置型和“伞状”型两种特殊形态多峰磁场对电子能量沉积的影响。模拟结果表明:二者都能对粒子起到约束作用且能过滤引出负氢离子,同时二者电子能量分布规律基本一致,都呈现了双电子能态,符合等离子体放电基本机理;外置型过滤磁场对粒子的约束能力更强,能明显产生更多的粒子,总粒子数大约是“伞状”型过滤磁场情况下的4倍;“伞状”型过滤磁场能有效地抑制由磁场不均匀所引起的电子漂移,使产生的负氢离子空间分布更均匀。模拟结果与国外实验结果基本一致。     

15～20 mA多峰负氢离子源全三维数值模拟

对自主开发的全三维粒子模拟/蒙特卡罗(PIC/MCC)算法进行了阐述,包括算法流程设计、碰撞处理机制等。采用该算法对中国原子能科学研究院研制的15~20mA负氢离子源进行数值模拟研究,结果显示:该多峰会切离子源能得到空间分布均匀的离子束,采用优化后的虚拟过滤场,不仅能有效过滤高能电子,还将导致离子源下游区域低能电子增多,有效提高负氢离子体积产生效率。     

氢原子传输及负氢离子产生全三维数值模拟研究

理论分析了负氢离子源中中性粒子传输特性及引出电极表面产生负氢离子(H^-)的物理过程, 研究了引出孔传输率对氢原子传输的影响,深入剖析了氢原子与不同属性导体壁碰撞以及碰撞后反射的物理情景.基于CHIPIC软件平台,成功研制了全三维 Particle-in-cell with Monte Carlo Collision 氢原子传输及负氢离子产生物理过程的模拟算法,并采用JAEA 10A负氢离子源进行模拟验证.模拟达到稳态后,氢原子平均能量约为0.57 eV, 且H原子呈现+Y漂移,当非均匀氢原子束轰击引出壁时,导致产生的负氢离子空间分布不均匀. 这些模拟结果都与文献符合,验证了算法的可靠性.     

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,将平均引出柬流提高到15-20mA.     

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.     

Production of high-current large-area H- beams by abucket-type ion source equipped with a magnetic filter

A negative-ion-based neutral beam injection (NBI) system is planned for plasma heating of the Large Helical Device (LHD). We have developed a negative ion source, which is 1/3 the scale of the source for the NBI. A magnetic filter held was generated by external permanent magnets to lower the electron temperature in a large-area bucket plasma source (35 cm×62 cm) for efficient H^- production. We investigated the magnetic field configuration and found a low electron temperature high density plasma (<1 eV, 10¹²/cm³) could be achieved with an optimized configuration, The filter strength (B_max=70 G, line-integral flux=780 G cm at the center axis of the source) was proved to be enough to lower the electron temperature below 1 eV at high arc discharge power (100 kW) and low pressure (0.4 Pa). We injected cesium vapor into the plasma source to enhance H^- production efficiency and obtained a 16.2-A H^- beam current (31 mA/cm², 47 kV) using a large-area, four-grid electrostatic extraction system (25 cm×50 cm). This satisfied the development target (>15 A: 1/3 current of LHD ion source). Based on the results, we are designing a negative ion source for the LHD     

The Influences of the Magnetic Field Strength on the Magnetic Confinement of Primary Electrons in an Ion Source

This paper deals with the simulation of trajectories of energetic electrons under the influence of a multi-cusp magnetic field produced by a permanent magnet assembly in a ring cusp geometry which is designed for supporting a plasma based ion source. The primary electrons are assumed as being emitted from a cathode located coaxially with the cylindrical discharge chamber. The volume of the region occupied by the electron trajectories and the magnetic trapping time were evaluated and plots are presented showing the effects of the surface magnetic field strength of the magnets on the volume and the mean confinement time of primary electrons in the ion source.     

Design of a multi cusp ion source for proton therapy

The permanent magnets of the discharge chamber in a multi-cusp proton source are studied and designed.The three electrode extraction system is adopted and simulated.A method to extract different amounts of current while keeping the beam emittance unchanged is proposed.     

潘宁源放电的全三维电磁粒子模拟/蒙特卡罗碰撞数值算法研究

深入研究潘宁放电的物理机制, 研制了全三维高品质算法粒子模拟软件(PIC), 设计并添加了相应物理情景的蒙特卡罗碰撞模块(MCC), 并对电子、氢分子离子(H₂⁺)、氢正离子(H⁺)、氢三正离子(H₃⁺)同时进行了跟踪, 成功研制了全三维电磁PIC/MCC数值算法. 结合国内研究较热的潘宁放电模型, 对该算法进行模拟验证. 模拟结果显示: 采用有效的滤波算法能抑制电磁数值噪声, 电子能量呈麦克斯韦分布, 由于电子的径向漂移和加速导致离子源顶端H₂⁺产量较大. 关键词： 潘宁离子源 高品质算法 粒子模拟/蒙特卡罗     

H+和Ar11+激发Si的K壳层X射线发射研究

测量了50–250 keV H⁺和1.0–3.0 MeV Ar¹¹⁺ 轰击Si表面过程中辐射的X射线. 结果表明, 在Ar¹¹⁺入射的情况下, 引起了Si的L壳层上3, 4个电子的多电离.计算了Si的K壳层X射线产生截面, 并将两体碰撞近似(BEA), 平面波恩近似, ECPSSR理论计算与实验值进行了对比. ECPSSR理论与质子产生的截面数据能够很好地符合; 而考虑多电离后, BEA理论与Ar¹¹⁺的实验结果符合较好. 关键词： X射线 高电荷态重离子 多电离