计及溅射损失的平行板静电场法离子引出和收集

采用粒子模拟-Monte Carlo碰撞(particle in cell_Monte Carlo collision)方法研究了 原子蒸气激光同位素分离工程中一维平行板静电场法离子引出和收集过程，记录引出离子的 能量分布和角度分布，计算离子在收集板上造成的溅射损失.模拟结果表明，增加引出电压 可以缩短引出时间，降低碰撞损失，但是增加了溅射损失，使得收集率降低；增加电子温度 可以缩短引出时间，提高收集率；增加初始等离子体密度将使引出时间增加，收集率降低；而目标同位素丰度较高的情况下，离子引出过程的碰撞损失 关键词： 原子蒸气激光同位素分离 离子引出 溅射     

温稠密物质中不同价态离子分布对X-射线弹性散射光谱计算的影响

在天体物理和惯性约束聚变研究中涉及到的温稠密物质通常包含多种元素的混合,并且每种元素还被电离成多种离子价态,不同价态离子结构及其丰度将直接影响温稠密物质的诊断及其物理性质.同时,从电子结构计算出发来研究宏观物理性质时,还需要考虑温度、密度效应对离子结构的影响.本文从不同价态离子的电子结构计算出发,采用考虑了离子间相互作用的Saha方程获得了稠密环境下的离子丰度,并使用超网链(hypernetted-chain)近似对铝、金以及碳-氢混合物的径向分布函数进行了计算,结合离子周围电子的密度分布,最后获得X-射线汤姆逊散射的弹性散射谱.在X-射线散射谱计算中,计算了温稠密物质中同时存在不同离子价态时的电子结构和径向分布函数,发现在相同的等离子体环境下不同价态离子的径向分布函数和电子结构差别较大.这将对依赖于微观统计过程的物理性质,比如散射光谱,将产生较大的影响.     

考虑共振电荷转移的离子引出过程理论研究

离子引出是激光法分离同位素技术中的关键环节之一,对产品丰度和产率有重要的影响,而离子引出中离子和原子间的共振电荷转移过程则会对产品丰度造成污染,因此在研究离子引出过程时应考虑共振电荷转移的影响.本文利用粒子模拟(PIC)法以及基于PIC法和杂化PIC法的混合算法研究了考虑共振电荷转移的电场法离子引出过程,通过对一维平行板法的引出方式进行数值计算,获得了离子引出过程中共振电荷转移的基本性质和关键影响因素—共振电荷转移截面、引出时间、背景原子密度和蒸气宽度,并据此得到了离子发生共振电荷转移比例的经验公式;二维工况下的平行板法、交替偏压法、P型电场法和M型电场法四种引出方式的计算结果则表明,在其他条件相同的情况下, M型电场法具有最小的离子引出时间和共振电荷转移损失比例.本文的研究结论对于指导激光法分离同位素技术中离子引出装置设计和实验工艺设计具有比较重要的参考意义.     

电子枪功率与束宽对金属原子蒸气特性的影响

在原子法激光同位素分离工程中,电子枪加热金属铀产生的原子蒸气的密度、速度以及温度等宏观量分布特性是非常重要的参数.为了分析电子枪功率和束宽对原子蒸气密度、速度、温度、质量通量和速度分布等物理特性的影响,采用直接MonteCarlo方法用柱坐标模拟了铀原子平面蒸发动力学过程.在电子枪加热方式下,蒸发源温度场不均匀,而且温度场随电子枪功率和束宽变化.着重研究这种变化对蒸气各种物理特性的影响.模拟结果表明,电子枪功率越高,蒸气径向宏观漂移速度越大,蒸发量越大;电子束束宽越窄,蒸发量越大. 关键词： 金属蒸发 原子法激光同位素分离 直接MonteCarlo 电子枪     

离子推力器栅极透过率径向分布特性研究

栅极系统是离子推力器的主要组件,其透过率特性对推力器的效率和推力具有重要影响.为了进一步优化栅极性能和有效评估离子推力器效率,对离子推力器栅极透过率径向分布进行研究.采用particle-In-CellMonte Carlo Collision数值仿真方法对束流引出过程进行了模拟.分析了屏栅、加速栅以及栅极系统的透过率随栅孔引出束流离子数量的变化关系,结合放电室出口离子密度分布,进而分别得到屏栅透过率、加速栅透过率和栅极系统透过率的径向分布特性,最后进行实验验证.研究结果表明:屏栅透过率径向分布具有中心对称性,在推力器中心有最小值,从中心沿着径向逐渐增大;加速栅透过率径向分布与屏栅透过率变化趋势相反;栅极系统透过率受加速栅透过率的影响很小,其径向分布与屏栅透过率径向分布相近;离子推力器栅极总透过率随着束流增大而缓慢减小.研究结果可为离子推力器栅极优化提供参考.     

光学涡旋横向线动量密度的传输演化特性

对于光学涡旋特别是具有复杂拓扑结构的光学涡旋,可以通过数值计算的方法获得实验上难以准确测量的角动量分布及其传输演化特性。在略去线偏振光场线动量密度中的轴向分量的情况下可获得涡旋光场的横向线动量密度,其在光束截面上的角向分量表征了涡旋角动量的分布。通过数值模拟,研究了单束拉盖尔-高斯光束和拓扑荷不同的两束拉盖尔-高斯光束同轴叠加后在自由空间中的传播过程,获得了强度分布、相位分布和横向线动量密度在瑞利长度内的分布特征。通过分析光束横截面上强度分布和线动量密度的演化特性表明,在远离束腰处光束的衍射效应不仅降低了横向线动量密度,还会增加径向分量,因而增强了径向力学特性,减弱了角向力学特性,因此在具体实施微操控时不宜在距离束腰面较远的横截面内进行。     

非均匀等离子体中1/4临界密度附近受激散射的非线性演化

本文采用粒子模拟方法,针对长脉冲激光在非均匀等离子体中的传输过程,特别是在1/4临界密度附近,等离子体中受激散射的非线性演化现象,进行了细致的模拟研究.研究结果表明:在1/4临界面附近所产生的受激拉曼散射不稳定性,其散射光在等离子体中被捕获,并在该区域形成电磁孤子.电磁孤子的振幅随着不稳定性的发展而提高,并由此而产生一个有质动力场驱动周围的电子运动,离子随后被电荷分离场加速,最终形成准中性的密度坑.在单个密度坑形成后,由于该密度坑周围等离子体密度和温度产生了变化,使得等离子体中逐渐形成更多的密度坑.这些密度坑将等离子体分割成不连续的密度分布,而这种密度分布最终明显地抑制了受激拉曼散射和受激布里渊散射不稳定性的发展.     

双频容性耦合CF4等离子体放电的二维混合模拟

研究了等离子体反应装置内的等离子体密度、粒子能量与角度分布等参量在装置径向与轴向上的分布特性。在研究过程中应用二维混合模型对CF4气体放电进行模拟。计算结果显示:在电极表面与侧壁附近的鞘层区特性有明显的区别。由于装置侧壁处受电源产生的射频电场的影响较小,侧壁处的鞘层主要由双极扩散机制形成,其产生的径向电场强度较弱,鞘层厚度也较薄。而在电极附近,由于受到射频电场的影响,鞘层的厚度显著增加,指向电极方向的轴向电场强度也远大于指向侧壁方向的径向电场强度。在电极区域内,离子通量分布均匀;在电极边缘与侧壁的间隙内,因电场强度减小,离子通量则发生迅速衰减。在射频电极覆盖的范围内离子能量分布大体上保持不变,电极与侧壁的交界处,由于受到侧壁处径向电场的影响,离子能量分布略有不同。在放电装置的中心区域,入射到电极上的离子角度分布基本保持一致,而在电极边界与装置侧壁的交界处,由于径向电场的影响,离子的垂直入射角增加,以大角度轰击电极的离子数量也显著增加。     

径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输及其偏振特性

理论和实验研究了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在自由空间传输的光强分布和偏振特性.数值计算表明,在无衍射区域,随着传输距离的增加,光强分布基本保持不变;对于零阶光束,其偏振态一直保持径向偏振不变;对于高阶光束,其偏振态发生变化,由初始的径向偏振逐渐变为椭圆偏振和线偏振的杂化状态.实验上,利用径向偏振转换器、螺旋相位板和轴棱锥元件产生了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束,探测了其通过不同偏振片后的光强分布.实验结果与理论结果基本相符合.该研究也提供了一种产生杂化偏振矢量光束的方法.     

以最大原子密度定义合金相中的第一近邻团簇

本文提出利用不同壳层所包含的径向原子密度, 即单位体积内的原子个数随着径向的分布, 来方便而精确地定义团簇, 即具有最大径向原子密度的且表面呈现三角密堆结构的完整壳层为第一近邻团簇. 最后以Al-Ni-Zr合金相为例说明了该方法的合理性与适用性, 及此方法所定义的团簇与非晶形成的关系.     

热扩散效应在热声分离中的作用机理

在充满二元混合气体的声波谐振管中,振荡的气体会在径向上建立振荡的温度梯度,径向的温度梯度会引起两种组分的分子沿着不同方向进行扩散,在这种热扩散效应和热声效应的共同作用下,声波能够把混合气体中的两种组分分别带向谐振腔的速度节点和压力节点,使得混合气体在声波传播方向上逐渐分离。为了研究热声分离过程的机理,本文对一个半波长的声波谐振管进行了二维的建模,并基于可压缩的SIMPLE算法,通过求解He-Ar混合气体的速度场、温度场和一种组分的浓度场,对谐振腔内的传热传质过程进行了详细的数值模拟研究。数值模拟结果与文献的理论计算值进行了比较,结果符合良好。随后,通过研究一个周期内径向上的温度、速度和Ar的摩尔分数分布,揭示了径向上的热扩散过程,以及中间气体与边界层内气体之间的热质交换过程,完整地解释了热声分离过程的发生机理。     

洛匈棱镜的正反向特性

给出了洛匈棱镜正、反向使用时分束角的精确表达式。从理论上证明,对任意合理的结构角及主折射率值来说,洛匈棱镜反向使用时的分束角小于正向使用时的分束角。研究了在锥光入射条件下洛匈棱镜中的e光和o光的传播方向、折射率、主平面、偏振方向等问题。证明了洛匈棱镜正向使用时第二块晶体中无偏折的光波只含有o光,参考圆圆周上各点光波的主平面相互平行,通过一个检偏器后可以实现消光;洛匈棱镜反向使用时,第二块晶体无偏折的光波同时包含了o光和e光,参考圆圆周上各点光波的主平面沿参考圆的径向,e光和o光的偏振方向分别沿径向和垂直于径向,通过检偏器后形成锥光干涉现象,不能消光。     

Laser isotope separation

This work describes the atomic route to laser isotope separation. This is a process which uses intense pulsed lasers to photoionize one isotopic species of a chemical element, after which these ions are extracted electromagnetically. The paper describes only the isotopic enrichment of uranium for nuclear fuel cycles. It makes brief mention of the traditional cascade processes used at present, and then turns to the atomic physics of laser photoionization. The principles of the laser isotope separation process, important spectroscopic experiments and considerations which determine the design of a plant are described. This review concentrates on the laser ionization process, few details of vaporization of uranium metal or the extraction of ions are given.     

Plasma-optical mass separation of isotopes in the magnetic field of linear current

The existing methods of electromagnetic mass separation are analyzed. The trajectories of ions injected into the separation region along various directions in the magnetic field of a linear current are calculated. On the basis of analysis, two new schemes of mass separators with a plasma accelerator as the ion source are proposed. In the first scheme, plasma is injected along the longitudinal axis of the accelerator, while in the second scheme, an accelerator with annular ejection of the plasma flow along the radius in the direction of the longitudinal axis of the separator is used.     

Effect of the ion distribution over longitudinal velocities on the efficiency and separating parameters of the ICR method of isotope separation

In the context of the ICR method of isotope separation, resonance RF heating of the ions in an electric field propagating along a constant magnetic field while simultaneously rotating in the direction perpendicular to it is calculated in a linear approximation. The analysis is carried out for two types of the initial ion distribution function over longitudinal velocities: a function proportional to the first power of the velocity in the range of low velocities and a shifted semi-Maxwellian distribution function. The distribution function of the ions over transverse velocities is calculated under the assumption that their initial distribution over transverse velocities is Maxwellian. The ion fluxes onto the collector plates are estimated by integrating the corresponding ion distribution functions over the allowed range of the longitudinal and transverse velocities and the transverse coordinates of the guiding centers of the ion trajectories in front of the extractor. In the first part of the paper, calculations are carried out for a model binary mixture of isotopes with mass numbers of 6 and 7. The effect of the shape of the ion distribution function over longitudinal velocities on the heating efficiency and on the concentration of the target isotope ions at the collector, as well as the effect of the longitudinal ion temperature on the width of resonance curves for the ion heating efficiency, is investigated. In the second part, a study is made of the selectivity of heating of isotope ions in a gadolinium plasma, in particular, the effect of the longitudinal magnetic field on the selectivity of heating of neighboring isotopes with atomic masses of 156, 157, and 158 is examined.     

Ionization Scheme Development at the ISOLDE RILIS

The resonance ionization laser ion source (RILIS) of the ISOLDE on-line isotope separation facility is based on the method of laser step-wise resonance ionization of atoms in a hot metal cavity. The atomic selectivity of the RILIS complements the mass selection process of the ISOLDE separator magnets to provide beams of a chosen isotope with greatly reduced isobaric contamination. Using a system of dye lasers pumped by copper vapour lasers, ion beams of 24 elements have been generated at ISOLDE with ionization efficiencies in the range of 0.5–15%. As part of the ongoing RILIS development off-line resonance ionization spectroscopy studies carried out in 2003 and 2004 have determined the optimal three-step ionization schemes for scandium, antimony, dysprosium and yttrium.     

Secular Motion Frequencies of ~9Be~+ Ions and ~(40)Ca~+ Ions in Bi-component Coulomb Crystals

We obtain bi-component Coulomb crystals using laser-cooled ~(40)Ca~+ ions to sympathetically cool ~9Be~+ ions in a linear Paul trap. The shell structures of the bi-component Coulomb crystals are investigated. The secular motion frequencies of the two different ions are determined and compared with those in the single-component Coulomb crystals. In the radial direction, the resonant motion frequencies of the two ionic species shift toward each other due to the strong motion coupling in the ion trap. In the axial direction, the motion frequency of the laser-cooled~(40)Ca~+is impervious to the sympathetically cooled ~9Be~+ ions because the spatially separation of the two different ionic species leads to the weak motion coupling in the axial direction.     

(100)Si基应变p型金属氧化物半导体[110]晶向电导率有效质量双椭球模型

利用应变技术和沟道晶向工程技术,均可有效增强Si基金属氧化物半导体器件的性能.本文提出了(100)Si p型金属氧化物半导体(PMOS)[110]晶向电导率有效质量双椭球模型,从理论上解释了Si PMOS[100]晶向沟道空穴迁移率为[110]晶向沟道空穴迁移率1.15倍的原因.基于(100)Si基应变PMOS反型层E-k关系,拓展应用该模型,首先获得了(100)Si基应变PMOS反型层价带第一子带等能图,然后给出了(100)Si基应变PMOS器件反型层[110]晶向空穴电导率有效质量模型.本文的模型方案合理可行,可为Si基应变PMOS器件的研究与设计提供有价值的参考.     

Tantalum ion acceleration in laser‐generated plasma and dependence on the pulse duration

The laser irradiation of tantalum targets is presented for different pulsed laser intensities ranging from 10¹⁰ up to about 10¹⁸ W/cm² and pulse durations from 9 ns up to 40 fs. The results show that the produced non‐equilibrium plasma accelerates Ta ions in the backward direction from values of the order of keV up to values of about 5 MeV. In thin foils, the forward plasma, developed behind the target along the direction of incoming laser, at intensities of about 10¹⁶ W/cm² and 300 ps pulse duration, accelerates Ta ions at energies of the order of 4.6 MeV and produces charge states up to about 40+. For fs lasers at intensities of the order of 10¹⁸ W/cm², only proton acceleration occurs up to 2.1 MeV while no Ta ions are accelerated, due to the reduced duration of the electric field and to the too high inertial mass of the Ta ions.     

Development of multiple laser frequency control system for Ca<Superscript>+</Superscript> isotope ion cooling

We here developed and evaluated a laser frequency control system which synchronizes the laser frequency to the resonance of target Ca ⁺ isotope ion whose having more than 8 GHz of isotope shift based on the Fringe Offset Lock method for simple operation of ICPMS-ILECS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry - Ion trap Laser Cooling Spectroscopy) The system fulfilled the minimum requirements of four slave lasers stability for Doppler cooling of Ca ⁺ ions. A performance of the system was evaluated by cooling ⁴⁰Ca ⁺ ions with the stabilized slave lasers. All the stable even Ca ⁺ isotope ions were trapped and their fluorescence was observed by switching laser frequencies using the system. An odd calcium isotope ⁴³Ca ⁺cooling was also succeeded by the control system.