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。     

Al2O3:Cr荧光屏Fen+束流面分布诊断

为满足加速器束流诊断的特殊要求，对束流面分布诊断方法进行了研究，建立了一套基于荧光屏的离子束流面分布测量装置。采用Fen+(n=5~12)离子束流对测量装置进行了实验检验，结果表明，在几十至上百nA量级束流强度Fen+离子束的轰击下，面分布图像产生了饱和现象。进一步的实验结果表明，饱和现象是由荧光屏发光的光强过强造成的，采用特别研制的具有光强衰减和滤波功能的成像光路可以解决光强饱和的问题。在低束流条件下，面分布图像的灰度值与束流强度呈近似的线性关系，对这种线性关系产生的原因进行了具体的分析。     

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。     

用偏压法拉第筒测量强流脉冲离子束

 分析了偏压法拉第筒测量强流脉冲离子束的原理和影响测量准确度的主要因素,研制了一种结构简单的偏压离子法拉第筒阵列,利用该装置测量了200kV小型强流脉冲离子束源的束流密度分布,束流中心密度最大值约为170A/cm²。     

强脉冲离子束辐照薄金属靶的热力学过程研究

在回顾和总结现有强脉冲离子束诊断技术和能量沉积模型的基础上, 结合红外成像诊断分析, 基于能量平衡, 提出了强脉冲离子束在固体靶中功率密度分布模型, 并采用蒙特卡罗方法对其进行计算. 以该功率密度模型作为源项, 使用有限元分析方法模拟强脉冲离子束入射100 μm不锈钢靶后内部温度场在毫秒时间范围内的分布和演化. 结果显示, 在微秒时间范围内, 热场以存在于近表面区域数倍于离子射程范围内的冲击热场为主要特征; 而在毫秒时间范围内, 靶的前后表面(纵向)已达到温度平衡, 且靶后表面温度场和入射前表面的离子束横截面能量密度具有空间分布的相似性. 这证明了, 在采用具有毫秒响应速度的红外拍摄系统的情况下, 背面红外诊断技术可以实现以较高的精度对强脉冲离子束横截面的能量分布进行诊断和分析.     

强流脉冲离子束能量密度分布的红外诊断

强流脉冲离子束在靶上的能量密度分布是其研究和应用的一个重要参数。为了解决现有束流能量密度诊断方法的不足,利用红外成像仪测量靶背面的温度分布,从而建立了强流脉冲离子束能量密度分布的红外诊断方法。对能量密度1J/cm2量级、脉冲宽度为102 ns量级的束流,该方法测量误差好于5%,空间分辨率可达到1~2mm,具有操作简便、成本低的优点,是强脉冲能量沉积分布的一种高效迅速的诊断方法。     

混合离子束阴极真空弧等离子体鞘层特性

基于无碰撞模型,建立了混合离子束阴极真空弧等离子体鞘层动力学模型,给出了解析表达式。针对材料改性中应用的H-Ti混合离子束,模拟计算了鞘层厚度和靶表面电场强度分别随离子密度和偏置靶压的演变规律。针对实际应用中出现的鞘层击穿和离子束散焦现象进行了理论分析,发现离子束稳定工作区域强烈依赖于离子密度和偏置靶压等参数,降低离子密度和提高靶压会增加稳定工作区域范围。     

ECR源低能强流高电荷态离子束四维发射度测量仪的研制

为全面研究ECR（Electron Cyclotron Resonance）离子源引出的高电荷态离子束流品质,获取ECR离子源引出离子束流的横向四维相空间分布,提高向加速器的注入效率,中国科学院近代物理研究所研制了一台高精度Pepper Pot型发射度测量仪PEMiL（Pepper pot Emittance Meter in Lanzhou）。根据使用需求,利用KBr晶体喷涂技术取代传统的CsI闪烁体成像技术,解决了束流光斑重叠效应,获得了边界清晰的束流图像;并开发了相应的数据处理分析程序,以分析处理得到的束流横向四维相空间分布。利用PEMiL获得了75 keV,170 eμA的O5+束流横向四维发射度。分析结果表明:PEMiL测量分析后的束流发射度结果可靠性高,荧光屏电荷累积效应造成的发射度差异不超过25%,PEMiL可作为ECR离子源引出离子束流品质诊断的有效装置。     

由等离子体引出强流离子束的光学数值模拟

本文叙述了中性束注入器中的强流离子源引出系统离子束光学性质的数值模拟方法,并给出了典型计算结果。计算结果表明:用这种方法能反映强流离子源引出系统最本质的束光学性质,可供选取和研究强流离子束光学系统之用。     

负离子束引出、加速系统的数值计算方法

建立了为辅助设计强流负离子束引出、加速系统进行数值模拟研究的数学模型,简述了数值计算方法。对系统的电、磁场位形进行优化,并给出了300keV、5电极负离子束系统的初步优化结果。     

ECR离子源中的微波功率在线测量

 在中子发生器中采用ECR离子源是一种新技术。由于受结构的限制，ECR离子源不能像高频源离子源那样通过观察气体放电的颜色判断其工作状态，所以在运行中调节状态非常困难。解决这个问题的方法是：用定向耦合器加微波小功率计的方法在线测量ECR离子源的微波入射功率，通过微波入射功率可以直接得到ECR离子源引出离子束流的大小，从而推断微波信号源的放电过程是否正常,然后调整ECR离子源，最终使中子发生器工作在最佳状态。从ECR离子源后面的引出电极测得的最大束流为20 mA，且工作长时间稳定，当微波功率在160 W~500 W之间时，放电效果较好，离子束流随微波功率的增加而增加。     

Characteristics of a high frequency ion source used in a low-energy accelerator

This work presents the characteristics of a high frequency ion source operating on a low energy, 150 keV accelerator. The latter is to be used as a neutron generator and its design is based on a theoretical analysis which shows that if the axial potential in an electrostatic electrode system is made to increase with four thirds the power of axial distance, inward electric forces will compensate space charge forces tending to blow up the beam. This results in a simplified acceleration tube much shorter and of higher gradient than the conventional acceleration columns. The ion source itself is an ordinary type using axial extraction of the beam, and its main properties investigated are the beam current and beam quality (or emittance). Dependence of the two on different parameters is investigated in a series of tests.     

用于强流中子发生器的低能束流传输线的设计模拟

兰州大学设计研发的ZF-400强流中子发生器设计D-T中子产额6×1012 n/s,主要由ECR离子源、低能束流传输线（LEBT）、加速管、旋转靶等部分组成。LEBT负责将从离子源引出的束流进行分析聚焦并注入到加速管中。LEBT对束流的聚焦及分析的好坏程度决定了加速管中束流的损失程度、中子的产额以及靶的寿命。本工作就该强流中子发生器所需的低能传输线进行了设计。使用螺线管、分析磁铁和四极透镜组合的方案。利用TRACK软件对此方案进行模拟,得到符合要求的束流线及元件的参数。用TraceWin进行了验证模拟,验证结果符合要求。另外,通过软件模拟确定了杂质离子损失的位置,据此设计了束流管道冷却方案。通过模拟发现,这种透镜的组合方式可以让整个LEBT以较低的功率获得低损失、高纯度的打靶束流。The ZF-400 Intense Neutron Generator, which is designed by Lanzhou University with an expected neutron yield of 6×1012 n/s, is consist of ECR ion source, low energy beam transport (LEBT) line, accelerating tube and rotating target. The beam extracted from ECR source is analyzed and focused through LEBT, then, the beam is introduced into the accelerating tube. The focus and analysis ability of LEBT is very important for the beam loss, neutron yield and target's life. A LEBT line for intense neutron generator is designed in this paper, the project consisted of a solenoid, a bend magnet and three quadrupole lens. The qualified LEBT and its parameters have been got through the simulation with TRACK code. Then TraceWin program was employed to check this simulation and the result satisfied our requirement. Besides, the loss position of impurity ions was known through the simulation, and a project of beam line's cooling system was designed according to this result. Through the simulation, we find the optimal lens combination plan which can obtain lower beam loss and higher beam purity at low running power of LEBT.     

测量离子束横向截面的闪烁体屏的热分析

针对基于闪烁屏-CCD(电荷耦合元件)相机的氘离子束横向强度分布测量系统,利用ANSYS软件模拟计算了在直流及脉冲模式下,能量100 keV、束斑直径3 mm氘离子轰击造成的Al₂O₃, SiO₂以及锗酸铋(BGO)三种候选闪烁体材料的表面温度变化。结果表明,在30 μA的直流氘离子束轰击下,闪烁体表面温度随辐照时间急剧地升高。持续时间10 min的氘离子束轰击将使三种材料前表面的温度分别升高131,234和649 ℃。对于峰值流强30 μA、重复频率1 Hz、脉宽5 μs的重复频率脉冲氘离子束,每个脉冲引起的三种闪烁屏表面的温度升高均小于0.05 ℃,且长时间的离子辐照基本不会造成闪烁屏的表面温度有明显的升高。对于脉宽5 μs的单脉冲氘离子束,三种材料的表面温度均随离子流强近似呈线性地增加。在单脉冲模式下,Al₂O₃,SiO₂以及BGO闪烁屏能允许的最高离子流强分别为2.32,1.08和0.72 A,超过此流强其表面温度将达到熔点。     

加速器驱动次临界系统中堆外中子注量率监测方法（英文）

在加速器驱动的次临界（ADS）系统中,次临界反应堆的功率控制是通过控制束流强度来实现。监测堆外中子注量率,不仅提供了反应堆功率指示,也为反应堆保护系统在启动和运行阶段提供了重要的监测信息,因此,堆外中子注量率的监测在ADS系统的控制与保护中起着非常重要的作用。采用3套裂变室和3套非补偿电离室来监测ADS堆外中子注量率。由于裂变室有脉冲、电流和均方电压3种操作模式,1套裂变室可以监测源量程、中间量程和功率量程等宽范围的反应堆功率。所以,使用的监测方法有3个优点,即:增加了监测通道的冗余度,提高了保护系统的可靠性,以及能提供更多的轴向功率分布信息。由于这些中子探测器对中子能谱很敏感,提出了一种有效的校准方法,即先用一个标准的中子源校准这些中子探测器,然后再将中子注量率除以一个修正因素。基于Geant4仿真结果显示,所提取的裂变室和非补偿电离室的修正因素分别为5和42。In an accelerator driven sub-critical (ADS) system, power control in sub-critical reactor is achieved through the control of the beam current. Excore neutron flux monitoring in an ADS system, not only provides indication of reactor power, but also provides important inputs to reactor protection system during startup and power operation, and thus plays a very important role in the control and protection of ADS system. This paper presents the excore neutron flux monitoring method which uses three fission chambers (FCs) and three uncompensated ion chambers (UICs). With three operation modes, pulse mode, current mode, and mean square voltage mode, an FC can monitor reactor power over a wide range from the source range to the intermediate and power ranges. The proposed monitoring method increases the redundancy of independent monitoring channels, improves the reliability of the protection system, and provides more information on axial power distribution. Since these neutron detectors are sensitive to the neutron energy spectrum, we propose an effective calibration method to provide the exact value of neutron flux, i.e., these neutron detectors are calibrated with a standardized neutron source, and then, a correction factor is added in the calibration by comparing the neutron energy spectrum of the neutron source with that in ADS system. Based on Geant4 simulation, the correction factors of 5 and 42 are extracted for FCs and UICs, respectively.     

A novel method for observation by unaided eyes of nitrogen ion tracks and angular distribution in a plasma focus device using 50 Hz–HV electrochemically-etched polycarbonate detectors

A novel ion detection method has been developed and studied in this paper for the first time to detect and observe tracks of nitrogen ions and their angular distribution by unaided eyes in the Amirkabir 4 kJ plasma focus device (PFD). The method is based on electrochemical etching (ECE) of nitrogen ion tracks in 1 mm thick large area polycarbonate (PC) detectors. The ECE method employed a specially designed and constructed large area ECE chamber by applying a 50 Hz–high voltage (HV) generator under optimized ECE conditions. The nitrogen ion tracks and angular distribution were efficiently (constructed for this study) amplified to a point observable by the unaided eyes. The beam profile and angular distribution of nitrogen ion tracks in the central axes of the beam and two- and three-dimensional iso-ion track density distributions showing micro-beam spots were determined. The distribution of ion track density along the central axes versus angular position shows double humps around a dip at the 0° angular positions. The method introduced in this paper proved to be quite efficient for ion beam profile and characteristic studies in PFDs with potential for ion detection studies and other relevant dosimetry applications.     

射频离子源束流特性分析

介绍了为HL-2A 装置设计的引出束功率为1MW 的射频离子源研制情况。目前,在测试平台上,该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,达到了其设计束功率的44%。用红外热成像的方法测量了离子束能量密度分布。结果表明,在距离引出系统地电极 1.3m 处,束密度分布遵循高斯分布。引出束的最佳导流系数为1.689×10^–6A•V^-3/2 左右,随射频功率改变有较小的变化。根据这些实验结果,采取了相关改进措施来改善离子源的引出束性能。     

多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关.对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况.采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求.分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀.研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考.     

中国散裂中子源反角白光中子束流参数的初步测量

中国散裂中子源(CSNS)已于2018年5月建设完工,随后进行了试运行.其中的反角白光中子束线(Back-n)可用于中子核数据测量、中子物理研究和核技术应用等多方面的实验.本文报道对该中子束的品质参数测量实验过程以及最终实验结果.实验主要采用中子飞行时间法,利用~(235)U,~(238)U裂变室和~6Li-Si探测器测量了中子能谱和中子注量率,又利用闪烁体-互补金属氧化物半导体探测系统测量了中子束斑的剖面,得到了该束线的初步实验测量结果.其中白光中子的全能谱测量范围eV—100 MeV,给出了不确定度分析;给出了中子注量率两个实验厅位置的满功率值;给出了白光中子在直径60 mm情况下的全能区束斑.通过与模拟结果的比较探讨了以上结果的合理性,并提出了改进计划.这些实验结果为以后该束线的核数据测量和探测器标定实验奠定了基础.