高能强流负离子束系统束光学特性的数值模拟

基于负离于-中性束注入器中强流负离子束引出与加速系统的特点所建立的数值模拟模型和计算程序,通过数值模拟研究了强流负离子束系统电磁场位形、几何参数、等离子体参数、束流密度和负离子剥离损失对负离子束光学特性的影响。对8电极800keV强流负离子束系统的初步优化结果表明对引出流密度为2lmA·cm-2的H-离子束,当负离子初始温度为0.2eV时,由系统出射的85％束散角可达到0.23°。     

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。     

直接引出负离子的永磁PIG离子源

介绍了两种引出负离子的永磁ＰＩＧ离子源，它们可用于直接引出电子亲合势较大元素的负离子。如Ｈ，Ｃ、Ｏ、Ｆ等负离子，当两者均采用ＬａＢ６阴极，在饱和引出电压下，永磁边引出ＰＩＧ源可获得Ｏ＾－离子１３０μＡ，Ｆ＾－离子７５μＡ，功率消耗分别为１１０Ｗ和２８０Ｗ，永磁端引出ＰＩＧ源可引出Ｈ＾－离子５０μＡ，Ｏ＾－和Ｆ＾－离子１～２ｍＡ，而功耗仅分别约为４０、５０和１００Ｗ。     

基于射频功率调节的负离子源束流反馈控制研究北大核心CSCD

基于射频负离子源的中性束注入系统是高功率长脉冲(稳态)运行中性束注入系统的最佳选择。负离子源是中性束注入系统的核心部件,需要实现稳定的负离子束引出和加速。在负离子源的运行过程中引出负离子电流会发生变化,尤其在长脉冲、高能量运行条件下会更加明显,因此无法满足稳定运行的要求。为了实现引出束流的稳定引出,开展了束流反馈控制研究,研发了一套基于射频功率调节的束流反馈控制系统,并将束流反馈控制系统应用在射频负离子源测试平台,开展了束流反馈控制测试。测试结果表明束流反馈控制系统能够实现对束流的实时反馈调节以获得束流的稳定引出,验证了基于射频功率调节的束流反馈控制的可行性,为高功率射频负离子源的研制提供支持。     

HL-2A装置NBI加热束线束光学特性

中性束离子源束光学特性直接影响中性束注入功率。通过理论计算和实验扫描的方式对引出束半宽度随导流系数的变化进行了研究。理论上, 采用IGUN程序对HL-2A装置的三电极引出加速器进行了束元轨迹模拟, 采用束几何光学计算程序对高斯束元进行叠加, 得到了在束线量热靶处引出束的1/e半宽度。实验上, 在放电气体为氘气, 弧放电电流分别为200, 300, 400 A时, 对引出高压进行扫描, 利用量热靶上的热偶测量了不同位置处的温升, 用高斯函数拟合得到引出束的分布和1/e半宽度。理论计算和实验结果都表明, 束半宽随着导流系数的增加先减少后逐渐增加。理论计算结果表明不同离子束流下的最佳导流系数值基本不变, 而实验上, 弧流为200, 300, 400 A时, 对应的最佳导流系数分别为1.6, 1.7, 1.85 P。     

强流离子源光腔衰荡光谱应用研究

强流离子源是托卡马克中性束注入器的核心部件,为了满足未来对高能量离子束中性化效率的要求,负离子源成为中性束注入系统的首选。光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy,CRDS)是一种超高灵敏探测吸收光谱技术。在强流负离子源中,利用氢负离子的光致剥离过程,CRDS可以用来测量氢负离子的绝对积分密度。与激光光致剥离法与光学发射光谱法相比,CRDS具有不受电磁干扰、不依赖等离子体参数、测量精度高等优点。强流离子源负离子密度测量所用CRDS系统由激光器、光学谐振腔、光电探测器和数据采集系统四部分组成。本文根据CRDS测量氢负离子密度的原理,详细推导了氢负离子密度的计算方法,给出了氢负离子密度测算表达式;然后,结合强流离子源实验室应用的具体情况,分析了各部分装置的选择原则与注意事项;最后,介绍了CRDS技术在德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所、日本国立聚变科学研究所、意大利Consorzio RFX研究所强流负离子源研究中的应用情况。实验结果表明,源腔气压、源功率等源参数会影响氢负离子密度;铯的注入可以将氢负离子密度从1016 m-3量级提高到1017 m-3量级;同时,日本NIFS的实验结果证明氢负离子密度与引出电流呈线性关系。     

中子管用潘宁离子源氢负离子产生机理及实验研究

为了克服目前潘宁(PIG)离子源中子管引出正离子所带来的诸多不利因素,使用PIG型氢负离子源作为中子管的离子源,研究了氢负离子产生的机理,以期在中子管中获得应用。给出了PIG离子源结构,根据氢负离子产生的方式和条件,结合CST软件仿真实验,确定在对阴极和引出孔附近区域存在氢负离子,而且是氢负离子密度比较大的区域。实验中,通过负离子源产生系统证实了氢负离子的存在及分布规律,中子监测仪测量自成靶50mm负离子源陶瓷中子管,中子产额较传统正离子中子管高出一个数量级以上。     

基于气体放电等离子体射流源的模拟离子引出实验平台物理特性

离子引出过程是原子蒸气激光同位素分离中非常重要的物理过程之一,而其中关键的等离子体参数(等离子体初始密度和电子温度等)均会对离子引出特性产生影响.基于千赫兹电源驱动的氩气高压交流放电等离子体射流源,建立了离子引出模拟实验平台-2015 (IEX-2015),开发了用于诊断氩等离子体参数的"碰撞-辐射"模型,对等离子体射流区的电子温度和电子数密度等关键参数进行了测量.结果表明,电源输入功率和驱动频率以及工作气体流量均会对等离子体射流区的电子温度和数密度产生影响;在真空腔压强为10~(-2)Pa量级下,射流区电子数密度和电子温度的可调参数范围分别为10~9—10~(11)cm~(-3)和1.7—2.8 e V,这与实际离子引出过程中的等离子体参数范围相近.在此基础上,开展了不同引出电压、极板间距和电子数密度条件下初步的离子引出实验,所得到的离子引出电流变化规律亦与实际原子蒸气激光同位素分离中的离子引出特性定性一致.上述研究结果验证了在IEX-2015上开展离子引出模拟实验的可行性,为后续深入开展离子引出特性的实验研究准备了良好的条件.     

大面积负离子束源磁过滤器的设计及实验研究

中性束注入是磁约束核聚变能研究中重要的辅助加热手段。大面积负离子源是中性束注入系统的核心部件。在负离子源工作过程中,负离子的电子结合能非常小(约0.75e V),极易被高能电子破坏。为此需要设计过滤磁场降低电子温度,减少负离子的损失,同时也可以减少伴随引出的电子。根据大面积负离子束源的机械结构,分别设计了永磁体产生过滤磁场和利用等离子体电极(PG)电流产生磁场两种磁过滤器结构;通过有限元算法对产生的过滤磁场进行模拟分析和优化,完成了大面积负离子束源过滤磁场的研制。在负离子束源测试平台开展实验测试,引出区电子温度从5eV降至1eV。这个结果初步验证了大面积负离子束源的过滤磁场的性能,为大面积负离子束源的研制提供了支持。     

表面产生负氢离子引出MCC算法设计

本文深入研究负氢离子输运及引出物理机理,理论分析了交换电荷反应及库仑碰撞过程,并设计了相应数值计算模块.在此基础上,采用有限差分法计算负氢离子所受洛伦兹力,运用蒙特卡罗碰撞方法处理负氢离子与其他粒子间的碰撞,成功研制了表面产生负氢离子输运及引出的全三维MCC算法,结合国外热门离子源JAEA 10A离子源进行模拟验证,结果显示:随着过滤磁场增大,引出离子数越大,离子源空间生存离子总数越小;当过滤磁场较小时,气压越大引出离子数越多,当过滤磁场较大时,气压越小引出离子数越多.     

Simulation of ion beam extraction and focusing system

The characteristics of ion beam extraction and focused to a volume as small as possible were investigated with the aid of computer code SIMION 3D version 7.This has been used to evaluate the extraction characteristics(accel-decel system)to generate an ion beam with low beam emittance and high brightness.The simulation process can provide a good study for optimizing the extraction and focusing system of the ion beam without any losses and transported to the required target.Also,a study of a simulation model for the extraction system of the ion source was used to describe the possible plasma boundary curvatures during the ion extraction that may be affected by the change in an extraction potential with a constant plasma density meniscus.     

Analytical and simulation studies for diode and triode ion beam extraction systems

This work is concerned with ion beam dynamics and compares the emittance to aberration ratios of two-and three-electrode extraction systems. The study is conducted with the aid of Version 7 of SIMION 3D ray-tracing software. The beam dependence on various parameters of the extraction systems is studied and the numerical results lead to qualitative conclusions.     

强流ECR离子源引出系统研究

为了提高强流ECR 离子源的引出束流品质,分别设计了1# 和2# 引出系统,利用束流引出模拟软件PBGUNS 对1# 和2# 引出系统进行了质子束流引出与传输的模拟计算,结合实际测得的发射度数据分析引出系统,发现2# 引出系统比1# 引出系统引出束流品质高。对ECR 离子源引出系统的电势等位线分布等参数引起的球差进行了简单数学推导及MATLAB 绘图,并结合1# 和2# 引出系统束流相图模拟结果证明了球差会使引出束流品质有效发射度增长,通过适当加大电极孔径可改善束流聚焦情况,得到了束流光学聚焦较好的束流引出系统设计。To improve the quality of extracted ion beam from a high current ECR ion source, 1# and 2# extraction systems were designed and tested. The PBGUNS code was used to simulate the 1# and 2# extraction systems of proton ion beam. The emittance measurement results with the two different extraction systems were compared and analyzed with the simulation, the conclusion that more high quality beam extracted from 2# system than 1# system was got. The formula derivation of ECR ion source extraction system spherical aberration and MATLAB drawing was done by the analyzing on the distribution of extraction field equipotentials, effective emittance increasing caused by spherical berration was proved by 1# and 2# extraction systems beam phase space simulation result, beam focusing would be improved if electrode hole size increasing appropriately and a general concept on good optics focusing of ion beam extraction system was proposed finally.     

Simulation of ion beam extraction and focusing system

The characteristics of ion beam extraction and focused to a volume as small as possible were investigated with the aid of computer code SIMION 3D version 7. This has been used to evaluate the extraction characteristics (accel-decel system) to generate an ion beam with low beam emittance and high brightness. The simulation process can provide a good study for optimizing the extraction and focusing system of the ion beam without any losses and transported to the required target. Also, a study of a simulation model for the extraction system of the ion source was used to describe the possible plasma boundary curvatures during the ion extraction that may be affected by the change in an extraction potential with a constant plasma density meniscus.     

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.     

等离子体离子源发射面的理论计算与数值模拟

 等离子体离子源发射面的位置和形状决定了离子束的传输特性,而发射面的位置与形状又取决于等离子体参数、引出电压、电极结构等,并自动地调节到某个平衡状态。介绍了一种2维情况下等离子体离子源发射面的位置与形状的理论计算方法,即非磁化等离子体不能扩散进入外加电场中大于一定临界值的区域,等离子体离子源发射面的位置及形状可以通过直接求解引出系统的Laplace方程而得到。利用基于PIC的OOPIC程序对不同引出结构的发射面位置及形状和引出束流进行了数值模拟,结果与理论计算的结果十分接近。     

Numerical Modeling of Ion-Optical Systems for Extraction of a Beam of Negative Hydrogen Ions and Its Acceleration and Matching with a Radio-Frequency Quadrupole Accelerator

A source of negative hydrogen ions is constructed at the Institute for High Energy Physics in order to raise the intensity of the U-70 accelerator complex using multiturn charge-exchange injection. The 3D ion-optical IBSimu simulation package was used to model and optimize the system for extraction of an ion beam from plasma, its acceleration to 100 keV, and matching with a radio-frequency quadrupole (RFQ) accelerator. The system of extraction of an ion beam with a current of 50 mA and electron-flow suppression was modeled. The magnetic transport channels with two solenoids and six quadrupole lenses were compared. The end goals of analysis of the matching channel were to obtain the needed Twiss parameters and to minimize the emittance growth at the RFQ input.     

The heavy ion beam diagnostic for the tokamak ISTTOK

In this paper we describe the heavy ion beam diagnostic for the tokamak ISTTOK, which has been designed to determine the temporal evolution of the plasma density, poloidal magnetic field and plasma potential profiles. This diagnostic makes use of a new type of high density caesium plasma source, a multiple cell detector and a fast data acquisition system. We describe the numerical code for trajectory and beam attenuation simulations, a method for the experimental determination of the poloidal field profile, the ion gun and the detection, control and data acquisition systems. Calibration tests and the first experimental results are presented