高功率离子束在漂移管中的中性化传输

介绍了“闪光二号”加速器产生的高功率离子束在漂移管中的传输实验。对比了采用中性化措施前后的传输情况，分析了中性化措施对离子束束斑半径、束流均匀性的影响。根据实测的二极管电压模拟得到了传输一定距离后的束流波形，与实测结果符合较好。采取适当的中性化措施后，高功率离子束可以有效传输80 cm以上，束流发散得到抑制，束流均匀性得到改善。     

阴阳极等离子体运动对强箍缩离子束二极管束流特性的影响

 主要研究了阴阳极等离子体运动对“闪光二号”加速器强箍缩离子束二极管束流特性的影响。给出了考虑阴阳极产生的等离子体运动对二极管间隙影响的Child-langmuir流、弱聚焦流、强聚焦流和饱和顺位流4个阶段的离子流和二极管总束流修正公式，利用这些修正公式计算的二极管总束流和离子束流强度与实测结果符合很好，在此基础上分析了提高离子束流强度和效率的方法，通过调整加速器参数，实验得到了峰值能量约500 keV，峰值电流约160 kA的高功率离子束。     

非理想氢原子束真空环境长程传输模拟研究

模拟研究了非理想氢原子束在真空环境下的长程传输效应。根据中性化程度的不同,将非理想束分为欠中性束和过中性束。通过建立束流传输的准电磁模型,研究了束流密度、中性化因子、空间磁场和弹性散射等因素对非理想氢原子束的影响。结果表明:对于欠中性束,负氢离子的存在对氢原子的传输几乎没有影响,因此欠中性束的发射装置可以考虑去除偏置磁场,以减小设备体积和质量;对于过中性束,束流损失率与束流密度和中性化因子有关,即束流密度越大,束流损失越大;中性化因子越高,束流损失就越高;而无论是欠中性束还是过中性束,空间磁场和粒子间的弹性散射对其传输都没有影响。     

一种基于多普勒频移光谱的中性束注入器气体靶厚度诊断的新方法

中性束注入是等离子体加热和电流驱动的最有效方法之一。中性束注入的三个基本过程为：离子束的产生,离子束的中性化和中性束的传输,其中,离子束的中性化是关键环节之一。对于EAST-NBI气体中性化室而言,中性化室内气体靶厚度会直接影响离子束的中性化效率,而且还会进一步影响到中性束的传输效率。基于多普勒频移效应,提出了一种新的诊断气体靶厚度的方法,并且已经被应用于EASTNBI测试平台上。该方法主要是基于中性束的束成分随气体靶厚度的演化过程,利用中性束发射Dα光谱线强度完成计算。因此,它被应用于中国科学院等离子体物理研究所EASTNBI装置上。在中性化室出口处的观测窗口上进行测量,在束能量为40~65 keV时,气体靶厚度值为(0.16~0.22)×1016 cm-2,随着引出束流的变化,气体靶厚度随之改变。根据质量守恒定律,对中性化室内的气体靶厚度进行一个粗略的估算,估算的结果与测量的结果基本保持一致,从而证明了该诊断方法的合理性。综上,实验结果表明,该种基于多普勒频移效应的光谱诊断法可以被用于测量中性化室内的气体靶厚度。     

一种基于多普勒频移光谱的中性束注入器气体靶厚度诊断的新方法（英文）

中性束注入是等离子体加热和电流驱动的最有效方法之一。中性束注入的三个基本过程为:离子束的产生,离子束的中性化和中性束的传输,其中,离子束的中性化是关键环节之一。对于EAST-NBI气体中性化室而言,中性化室内气体靶厚度会直接影响离子束的中性化效率,而且还会进一步影响到中性束的传输效率。基于多普勒频移效应,提出了一种新的诊断气体靶厚度的方法,并且已经被应用于EASTNBI测试平台上。该方法主要是基于中性束的束成分随气体靶厚度的演化过程,利用中性束发射Dα光谱线强度完成计算。因此,它被应用于中国科学院等离子体物理研究所EASTNBI装置上。在中性化室出口处的观测窗口上进行测量,在束能量为40～65keV时,气体靶厚度值为(0.16～0.22)×10~(16) cm~(-2),随着引出束流的变化,气体靶厚度随之改变。根据质量守恒定律,对中性化室内的气体靶厚度进行一个粗略的估算,估算的结果与测量的结果基本保持一致,从而证明了该诊断方法的合理性。综上,实验结果表明,该种基于多普勒频移效应的光谱诊断法可以被用于测量中性化室内的气体靶厚度。     

径向线内电子束的空间极限电流

为了对径向线内电子束的空间极限电流及相关物理参量进行分析, 在径向方向无穷长与束流密度轴向均匀的假设条件下, 对电势满足的线性泊松方程进行了解析求解, 得到了空间极限电流的解析表达式, 接下来对束流密度轴向非均匀分析条件下电势满足的非线性方程进行了数值求解, 并与解析结果进行了对比。研究表明径向电子束具有较高的空间极限电流且当束流接近于极限电流传输时, 束密度的非均匀性明显增加, 相关结论可以为径向高功率微波器件的设计提供指导。     

低能强流混合离子束空间电荷补偿度研究

空间电荷效应是影响束流传输和束流品质的一个重要因素，特别是对于低能量强流离子束来说。离子束与束流传输线中的剩余气体分子通过电离反应等产生大量二次电子，受离子束的空间电势约束，可以部分补偿空间电荷效应。为了深入研究强流束在低能段的传输，需要准确测量束流的空间电荷补偿度(SCCD)，尤其是混合束流的SCCD。利用一台三栅网式能量分析仪和一台基于128通道皮安表系统构成的束流剖面探测器，分别测量了不同流强和束流分布下的混合O离子束的二次离子能量分布和束流流强分布，从而计算得出SCCD。实验结果表明，在1.0×10^-5 Pa的真空度下，不同流强的混合O离子束的SCCD基本在70%左右；不同束流分布对空间电势分布影响较大，对离子束的SCCD也会有一定程度的影响。     

高功率离子束辐照膜基双层靶温度场的数值研究

采用TRIM程序模拟高功率离子束与铝基钛膜双层靶的相互作用.计算了束流在靶材内的能量沉积及分布情况,并以此沉积能量为热源项,采用有限差分方法求解非线性热传导方程,得到了温度场的分布规律,分析了不同离子流密度对界面物质状态的影响.结果表明,离子束电流密度在100—200 A/cm²之间取值时,脉冲结束后界面处两种物质均达到熔融状态.     

高功率离子束的应用研究

 给出用“闪光二号”加速器高功率离子束轰击19F靶产生6~7MeV准单能脉冲γ射线的实验结果；提出采用离子束传输法分离和降低轫致辐射干扰的方法，利用闪烁体探测器和半导体探测器，测出质子传输不同距离后轰击C₂F₄靶产生的6~7MeV准单能脉冲γ射线信号以及相比轫致辐射的延迟时间；介绍了模拟材料的软X射线的热 力学效应等方面的高功率离子束的应用，给出一些实验和理论计算结果。     

长脉冲相对论速调管中束流脉冲缩短的研究

介绍L波段长脉冲相对论速调管放大器研究中，长脉冲强流相对论电子束(IREB)经过输入腔和中间腔间隙后的脉冲缩短问题.分析了造成束流脉冲缩短的主要机理之一是高频系统的角向非均匀模式与电子束相互作用而使得束流扩散形成的，并经过实验参数的调节，减轻了长脉冲IREB的脉冲缩短问题，得到了较强的基波调制电流.从长脉冲加速器引出500 kV，3.5 kA，1.3 μs的电子束，经过输入腔和两个群聚腔的调制后，得到了2.0 kA的基波调制电流，束流脉冲宽度由0.3 μs增加到1 μs，束流脉冲缩短问题得到明显减轻. 关键词： 相对论速调管放大器 脉冲缩短 高功率微波 长脉冲强流相对论电子束     

“闪光二号”加速器HPIB的产生及应用初步结果

主要给出了“闪光二号”加速器高功率离子束(HPIB)产生及应用研究的初步结果.介绍了强箍缩反射离子束二极管的结构及工作原理，给出了考虑阴阳极产生的等离子体运动对二极管间隙影响的饱和顺位流修正公式.实验得到的离子束峰值能量约500keV，峰值电流约160kA.介绍了利用高功率离子束(质子束)轰击¹⁹F靶产生6—7MeV准单能脉冲γ射线的初步实验结果，给出了利用高功率脉冲离子束模拟1keV黑体辐射x射线对材料的热-力学效应初步研究结果. 关键词： 高功率离子束 箍缩二极管 准单能脉冲γ射线 热-力学效应     

高功率离子束在偏压电荷收集器内部的电荷输运模拟

 利用2.5维KARAT软件对高功率离子束在偏压电荷收集器内部的电荷输运过程进行PIC数值模拟，模拟结果表明在偏压电荷收集器内部电荷中和而电流不中和。在模拟中考虑了收集器的几何尺寸和离子束密度，因此模拟结果比一维数值计算的结果更为可靠。同时还模拟了偏置电压与电荷收集器离子收集效率之间的关系，对于峰值能量为500keV的高功率离子束，偏压为－800V即可满足测量要求，这一结果与实验吻合较好。     

Computer Simulation of High-Power Ion Beam Generation Using the Plasma Erosion Opening Switch and Microsecond Store Systems

This paper deals with computer simulation of plasma erosion opening switch (PEOS) operation in the context of short-pulse high-power ion beam (HPIB) generation in microsecond store systems. The scaling of PEOS parameters and ion diode characteristics with various operating conditions was determined. The simulations showed the best PEOS characteristics for a hydrogen plasma (i.e., the lowest mass) with a high flow velocity and low density, although for some applications a plasma with A/Z > 1 may be preferable. It was shown that the efficiency of HPIB generation in the diode depends on its location relative to the PEOS, the time delay of anode plasma formation, the use of a spiral electrode in the PEOS region, and the use of an arrangement involving an ion return current bypass through the PEOS region. The optimization of the PEOS and ion diode with coaxial configurations and 100 kJ stored in the 600-kV Marx yielded a 16-percent overall efficiency HPIB generation in the diode, with a diode voltage and power of 4.2 MV and 0.42 TW, respectively.     

叠片法测量“闪光二号”加速器的高功率离子束能谱

给出了利用叠片法测量“闪光二号”加速器高功率离子束能谱的基本原理及初步实验结果. 采用Ziegler的拟合公式编制程序计算了不同能量质子和碳离子穿过不同厚度Mylar膜后的能 量损失情况.在偏压法拉第筒阵列各个法拉第筒的准直孔前分别覆盖0—6μm厚的Mylar膜， 根据不同膜厚对应的信号衰减情况(叠片法)，得到了高功率离子束的离子能谱，离子的最高 能量>440keV，平均能量约为270keV，能量为200—300keV之间的离子数目最多，碳离子数和 90keV以下的质子所占总离子数的组分不多于32％.所测量离子能谱和离子数目随时间的分布 关系与二极管的电压和电流符合也较好.还将叠片法的测量结果与利用磁谱仪和采用飞行时 间法等的测量结果进行了比较，三种方法所得的测量结果基本一致. 关键词： 高功率离子束 离子能谱 法拉第筒 叠片法 能量损失     

Computer Simulation of High Power Ion Beams Interaction with Matter

When high-power ion beams (HPIB) collides with matter, it generates plasma with parameters of a wide range, staring with those well mastered in physics and gas discharge technologies and ending with those appropriate to such natural systems as star nucleus and thermonuclear systems in feasible power projects based on the controlled inertial thermonuclear synthesis. We are interested in a fairly wide range of beam power densities (from 1 GW/cm² to 10 TW/cm²). This paper describes one mathematical model in one dimension (a plane geometry is assumed) and one model in two dimensions (r- and z-coordinates). The models are completed by wide- range equations of state for real matter (construction materials) and supplemented with additional equations describing rheological, thermophysical, and optical properties of solid media under consideration (in various phase states from solid to plasma, including states of a strongly nonideal plasma). On the base of the continual approach, mechanical destruction of materials due to tensile strain generated by rarefaction waves is taken into account. In modeling the action of ion beams of moderate intensity (I < 10 GW/cm²) on metal targets, elastoplastic properties are taken into account, and in describing the action of ion beams with intensities I > 10 GW/cm² (in the two- dimensional model based on the large-particle technique) heat transfer, including radiational processes, is considered. Opportunities offered by contemporary computer simulation techniques in the field of interaction between HPIB and matter are demonstrated, in particular, a possibility of simulating hypervelocity impact with the help of HPIB has been shown and the necessary conditions have been determined. The results of our computer simulation may be interesting from the viewpoint of some technological applications of HPIB, for example, pulsed destruction and strengthening of construction materials, pulsed ion implantation and etc. [1].     

Influence of high-power ion beam treatment on the resistance to oxidation in metals and alloys

The influence of high-power ion beam (HPIB) irradiation of metal (copper) and alloys (iron-St20 and titanium-VT6) on the resistance to oxidation has been investigated. The HPIB irradiation with the subsequent oxidation in air has been found to result in the formation of complex oxides on the surface of an alloy. The formation of discontinuous oxide films related to the crater formation under irradiation is the feature of oxidation processes of the irradiated materials. Oxidation resistance has been found to rise in the alloys containing nonmetals as the dopant.     

Modification of polycrystalline SnO2 and ZnO under the action of a high-power ion beam of nanosecond duration

The modification of polycrystalline oxides (SnO₂ and ZnO) under the action of a nanosecond high-power ion beam (HPIB) with current densities of 50–150 A/cm², which is accompanied by melting of initial particles of the surface layer, is investigated. It is established that submicron-sized particles of tetragonal SnO whose average size is 210 nm are formed on the SnO₂ surface irradiated by an ion beam with a current density of 150 A/cm². These particles have pronounced crystallographic faceting. When ZnO is irradiated by HPIBs with different current densities, a thin Zn film is formed in the sintered surface layer. Possible mechanisms of the observed conversions are discussed.     

激光打靶数字延时信号完整性的研究

针对高速数字电路设计中遇到的信号完整性问题,本文给出了激光打靶装置中高速数字电路延时分配原理.根据传输线理论,提出端接迹线最大匹配长度值限定法,结合PCB设计,可避免端接失配反射.由电学理论,建模串扰的产生及消除串扰的端接方式.通过对噪声电流I和瞬态负载电流IL复合干扰分析,采取了相应的抑制方法.打靶实验表明,对保证延时信号的完整性是有效的.     

多量子阱中注入载流子的非均匀分布

根据多量子阱中注入载流子的输运机制，计算了多量子阱中注入载流子的非均匀分布.引入不均匀度参量Asy来衡量载流子分布的不均匀程度，分析了各种敏感因素对载流子非均匀分布的影响.指出注入载流子分布的非均匀性，随量子阱数、注入电流、量子垒高度的增加而显著增加，随工作温度的升高而减小.