微型电子回旋共振离子源的全局模型

微型电子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)离子源在紧凑型离子注入机、小型中子管、微型离子推进器等领域有着十分广泛的应用.为了深入认识微型ECR离子源的工作机理,本文以北京大学自主研制的一款微型氘离子源作为研究对象,以氢气和氘气放电形成的等离子体为例,发展了一种基于粒子平衡方程的全局模型.研究结果表明,该离子源束流成分与离子源的运行气压和微波功率有着很强的依赖关系.对于氢气放电等离子体,微波功率低于100 W时,离子源可以分别在低气压和高气压情况下获得离子比超过50%的H~+₂离子束和H~+₃离子束;当微波功率高于100 W时,可以在很宽的运行气压范围内,获得质子比超过50%的束流.因此,提高微波功率是提高微型离子源质子比的关键.对于氘气放电等离子体, 3种离子比例对运行气压和微波功率的依赖关系与氢气放电等离子体的规律基本一致.但是在相同的运行条件下, D~+比例比H~+比例高10%—25%.也就是说,在微型氘离子源的测试和优化过程中,可以利用氢气代替氘气进行实验,并将质子比测量结果作为相同条件下氘离...     

不同磁路电子回旋共振离子源引出实验

空间推进所用的电子回旋共振离子源(ECRIS)应具有体积小、效率高的特点. 本文研究的ECRIS使用永磁体环产生磁场, 有效减小了体积, 该离子源利用微波在磁场中加热电子, 电子与中性气体发生电离碰撞产生等离子体. 磁场在微波加热电子的过程中起关键作用, 同时影响离子源内等离子体的约束和输运. 通过比较四种磁路结构离子源的离子电流引出特性来研究磁场对10 cm ECRIS性能的影响. 实验发现: 在使用氩气的条件下, 特定结构的离子源可引出160 mA的离子电流, 最高推进剂利用率达60%, 最小放电损耗为120 W·A^-1; 所有离子源均存在多个工作状态, 工作状态在微波功率、气体流量、引出电压变化时会发生突变. 离子源发生状态突变时的微波功率、气体流量的大小与离子源内磁体的位置有关. 通过比较不同离子源的引出离子束流、放电损耗、气体利用率、工作稳定性的差异, 归纳了磁场结构对此种ECRIS引出特性的影响规律, 分析了其中的机理. 实验结果表明: 保持输入微波功率、气体流量、引出电压不变时, 增大共振区的范围、减小共振区到栅极的距离, 离子源能引出更大的离子电流; 减小共振区到微波功率入口、气体入口的距离能降低维持离子源高状态所需的最小微波功率和最小气体流量, 提高气体利用率, 但会导致放电损耗增大. 研究结果有助于深化对此类离子源工作过程的认识, 为其设计和性能优化提供参考.     

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。     

材料表面处理用强流电子回旋共振离子源

介绍一台2.45 GHz永磁强流电子回旋共振离子源,其外径160mm,高90 mm,放电室直径70 mm,高50 mm。微波馈入采用介质耦合方式,微波窗由一块f50 mm10 mm柱形BN和两块f30 mm10 mm的柱形陶瓷构成。离子源工作在脉冲模式下,采用三电极引出系统,最高引出电压达到100 kV,在微波输入功率300 W、进气量0.4 mL/min时,可引出峰值超过30 mA的氮离子束,在距离离子源引出孔1200 mm位置处的束流均匀区直径大于200 mm。     

不同磁路下微型ECR中和器电子引出的模拟研究

电子回旋共振(ECR)中和器是微型ECR离子推力器的重要组成部分,其引出的电子用于中和ECR离子源的离子束流,避免了航天器表面电荷堆积,并且电子引出性能对推力器的整体性能起着重要作用.为了分析影响微型ECR中和器电子引出的因素,本文建立了二维轴对称PIC/MCC计算模型,通过数值模拟研究不同磁路结构对中和器的电子引出,及不同腔体长度对壁面电流损失的影响.计算结果表明, ECR区位置和引出孔附近磁场构型对中和器的电子引出性能至关重要.当ECR区位于天线上游,电子在迁移扩散中易损失,并且电子跨过引出孔前电势阱所需的能量更高.如果更多磁力线平行通过引出孔,中和器引出相同电子电流所需电压较小.当ECR区被天线切割或位于下游时,电子更易沿磁力线迁移到引出孔附近,从而降低了收集板电压.研究了同一磁路结构下不同腔体长度对电子引出的影响,发现增加腔体长度,使得更多平行轴线的磁力线通过引出孔从而避免电子损失在引出板表面,增加了引出电子电流.研究结果有助于设计合理的中和器磁路和腔体尺寸.     

微波电子回旋共振等离子体阴极电子束的实验研究

介绍了实验室研制的微波电子回旋共振(ECR)等离子体阴极电子束系统及初步研究结果，该系统包括微波ECR 等离子体源、电子束引出极、聚焦线圈等。通过测量水冷靶电流和靶上的束斑尺寸，实验研究了微波ECR 等离子体阴极电子束的流强、聚束性能等随电子束系统工作条件的变化。结果表明：微波输入功率越高、引出电压越高，引出电子束流强越大；工作气压对电子束流强的影响较复杂，随气压增加呈现出先降低后升高的特点；在7×10⁻⁴Pa 的极低气压下电子束流强可达75mA，引出电压9kV；能量利用率可达0.6；调整聚焦线圈的驱动电流，电子束的束斑直径从20mm 减小到13mm，电子束流强未有明显变化。     

ECR离子源束流引出与传输的研究

针对ECR离子源的束流引出及传输研究，在中国科学院近代物理研究所的LECR3离子源实验平台上开展了大量的实验. 实验中研究了等离子体电极引出孔径、反射电极(抑制电极)偏压以及Glaser透镜等因素对束流引出与传输的影响. 研究的重点是试图通过系列实验与分析来研究如何能更有效地引出强流离子束流并减小其在传输空间的损失. 给出了实验的主要结果，结合这些数据对ECR离子源的束流引出与传输进行了较全面的分析，并综合这些实验结果与分析结果得出了该物理过程的一般物理图像.     

电子回旋共振(ECR)等离子体的研究和应用

近年来,在低气压、低温等离子体研究和应用中的一个重要发展是微波电子回旋共振放电。由于它是一种无极放电,能够在低气压下产生高密度、高电离度、大体积均匀的等离子体,所以在等离子体物理研究,表面处理和薄膜制备等应用中,成为一个十分引人注目的新领域。本文综述了ECR放电的基本物理过程和实验研究概况,介绍了ECR等离子体在表面处理、镀膜和离子源等方面应用的最新结果。     

电子回旋共振（ECR）等离子体的研究和应用

近年来,在低气压、低温等离子体研究和应用中的一个重要发展是微波电子回旋共振放电。由于它是一种无极放电,能够在低气压下产生高密度、高电离度、大体积均匀的等离子体,所以在等离子体物理研究,表面处理和薄膜制备等应用中,成为一个十分引人注目的新领域。本文综述了ECR放电的基本物理过程和实验研究概况,介绍了ECR等离子体在表面处理、镀膜和离子源等方面应用的最新结果。     

电子回旋共振微波等离子体及其在材料科学中的应用

 低气压、低温放电方面的一个重要的最新进展是电子回旋共振(ECR)放电。这种技术首先是在核聚变研究中发展起来的。最初,它被用于磁镜实验装置产生和加热等离子体,后来,又被发展成为托卡马克、串级磁镜等聚变装置实验中进行等离子体加热的主要手段之一,即电子回旋共振加热(ECRH)。目前,这一高技术已被移植到各种低温等离子体应用之中,显示了蓬勃的生命力。电子回旋共振微波等离子体是指:当输入的微波频率ω等于电子回旋共振频率ωce时,微波能量可以共振耦合给电子,获得能量的电子电离中性气体,产生放电。电子回旋频率为ωce=eB/m,e和m为电子电荷及其质量,B是磁场强度。     

2 cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离子体损失,因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT的粒子PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型,数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明,当ECR区位于天线上游时,等离子体集中在天线上游和内外磁环间,栅极前离子密度最低,故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR区位于天线下游时,天线和栅极上游附近的等离子体密度较高,故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.     

Surface enhancement of molecular ion H_2~+ yield in a 2.45-GHz electron–cyclotron resonance ion source

High current hydrogen molecular ion beam is obtained with a specially designed stainless steel liner permanent magnet2.45-GHz electron–cyclotron resonance(ECR) ion source(PMECR II) at Peking University(PKU). To further understand the physics of the hydrogen generation process inside a plasma chamber, theoretical and experimental investigations on the liner material of the plasma chamber in different running conditions are carried out. Several kinds of materials, stainless steel(SS), tantalum(Ta), quartz, and aluminum(Al) are selected in our study. Experimental results show that stainless steel and tantalum are much better than others in H~+_2 generation. During the experiment, an increasing trend in H~+_2 fraction is observed with stainless steel liner after O_2 discharge inside the ion source. Surface analyses show that the roughness change on the surface after O_2 discharge may be responsible for this phenomenon. After these studies, the pure current of H~+_2 ions can reach 42.3 mA with a fraction of 52.9%. More details are presented in this paper.     

20 cm氙离子推力器放电室性能优化

束流离子生产成本和推进剂利用率是表征离子推力器放电室性能的重要参数。在考虑不改变放电室几何结构、磁场分布并保持离子推力器比冲和效率的前提下,利用一维经验分析模型对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200离子推力器放电室性能进行了优化分析,以实现推力器的推力从40 mN提高到60 mN的目标要求。分析结果表明,提高放电室推进剂流率至2.06 mg/s,放电室内放电电流维持在6.9 A,放电室内平均氙离子密度达到2.1671017 m-3时,可以保证引出1.2 A的束流,推力器达到60 mN的推力。与之对应的推进剂利用率为92%,束流离子生产成本约为188.515 W/A,相比推力40 mN时,推进剂利用率为88%、束流离子生产成本为188.29 W/A的情况,放电室性能有所提高。另外,放电室性能优化过程中其鞘层电位始终保持在3.80~6.65 eV范围内。     

A hybrid mode of one- and two-surface multipactor on grooved dielectric surface

A hybrid mode of one- and two-surface multipactor on the grooved dielectric surface is studied in detail using both an analytical approach and two-dimensional particle-in-cell(2D PIC) simulations. When the groove width L eE_0/(4πm_ef~2),there are one-surface multipactor and one-order two-surface multipactor on the grooved dielectric surface, and only one slope of the groove has the multipactor anytime. When L eE0/(4πme f~2), both slopes may have the multipactors. The electron surface density of the multipactor discharge has a sharp increase at the length L = eE_0/(4πm_ef~2).     

射频离子源离子束成分光谱测量

为HL-2A 装置中性束注入器研制了引出束功率为1MW 的射频离子源。在测试平台上,实验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,达到了设计束功率要求的44%。在射频离子源实验平台上,利用多普勒频移光谱方法测量了离子源引出束流成分比例,对比了束流成分和射频离子源引出束流之间的关系。实验数据分析表明,在10A 引出束流的情况下,离子流成分 H⁺ ₁、H⁺ ₂ 和H⁺ ₃ 分别为75%、18%和7%。并且当引出束流从3.3A 升至10.4A 时,H⁺ ₁ 从37%升至78%,而H⁺ ₃ 则从19%降至9%。     

基于二次电子发射的离子束剖面测量

介绍了利用二次电子发射测量束流强度分布的基本原理。针对能量为几十keV的低能离子束,制作了一个基于印刷线路板工艺的离子束剖面测量系统模型。模型采用宽度1.8 mm的金属条作为收集电极,相邻两条之间的间距为2 mm。利用电子回旋共振源对束流剖面测量系统进行了性能测试,考察了网栅电压对信号收集的影响以及系统的线性响应和成像特性。结果表明,探测器输出信号与束流强度之间具有较好的线性关系,系统能得到离子束的一维横向强度分布,位置分辨率2 mm。     

Experimental study of the dependence of beam current on injection magnetic field in 6.4 GHz ECR ion source

The ion current from an electron cyclotron resonance (ECR) heavy ion source depends on the confining axial and radial magnetic fields. Some efforts were made by earlier workers to investigate magnetic field scaling on the performance of the ECR source. In order to study the dependence of the ion current on the injection magnetic field in the 6.4 GHz ECR source, we have measured the current by varying the peak injection field and have inferred that the variation of the current is exponential up to our maximum design injection field of 7.5 kG. An attempt has been made to understand this exponential nature on the basis of ion confinement time.