15—20mA负氢离子源的设计与加工

离子源是强流质子回旋加速器的核心设备之一, 它的性能指标对最终束流大小和质量都有重大影响. 文章介绍了一种运用于强流质子回旋加速器上的多峰场负氢离子源的设计与加工情况, 该离子源主要是通过深入研究高密度等离子体产生技术、长寿命大直流灯丝电子发射技术、磁约束技术、虚拟过虑技术、残留气体与电子剥离的控制技术, 以及离子引出技术等, 在中国原子能科学研究院原有10mA离子源基础上建立负氢离子源, 实验研究低能、强流束的实验匹配与调试技术, 将平均引出束流提高到15—20mA.     

强流回旋加速器综合试验装置的设计与建造

为了试验研究强流回旋加速器的整机设计技术,主磁铁、束流诊断等关键部件的设计与加工工艺技术,以完成lOOMeV回旋的设计验证,并为今后逐步提高流强创造试验条件,自2004年以来,陆续研究、设计、加工了一些关键部件,先后实验研究达到了单项技术指标;目前,已集成为一套强流回旋加速器的综合试验装置.本文报告该试验装置的设计与设备制造情况、磁场测量与垫补结果、10-15mA负氢离子源、高频腔和注入系统实验研究、内靶束流调试等工作.     

15～20 mA多峰负氢离子源全三维数值模拟

对自主开发的全三维粒子模拟/蒙特卡罗(PIC/MCC)算法进行了阐述,包括算法流程设计、碰撞处理机制等。采用该算法对中国原子能科学研究院研制的15~20mA负氢离子源进行数值模拟研究,结果显示:该多峰会切离子源能得到空间分布均匀的离子束,采用优化后的虚拟过滤场,不仅能有效过滤高能电子,还将导致离子源下游区域低能电子增多,有效提高负氢离子体积产生效率。     

15~20 mA多峰负氢离子源全三维数值模拟

对自主开发的全三维粒子模拟/蒙特卡罗（PIC/MCC）算法进行了阐述,包括算法流程设计、碰撞处理机制等。采用该算法对中国原子能科学研究院研制的15~20 mA负氢离子源进行数值模拟研究,结果显示：该多峰会切离子源能得到空间分布均匀的离子束,采用优化后的虚拟过滤场,不仅能有效过滤高能电子,还将导致离子源下游区域低能电子增多,有效提高负氢离子体积产生效率。     

强流回旋加速器综合试验装置的设计与建造

为了试验研究强流回旋加速器的整机设计技术, 主磁铁、束流诊断等关键部件的设计与加工工艺技术, 以完成100MeV回旋的设计验证, 并为今后逐步提高流强创造试验条件, 自2004年以来, 陆续研究、设计、加工了一些关键部件, 先后实验研究达到了单项技术指标; 目前, 已集成为一套强流回旋加速器的综合试验装置. 本文报告该试验装置的设计与设备制造情况、磁场测量与垫补结果、10—15mA负氢离子源、高频腔和注入系统实验研究、内靶束流调试等工作.     

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.     

体积产生负氢离子能量沉积及引出效率数值模拟研究

深入研究了负氢离子输运及能量沉积机理,采用全三维蒙特卡罗碰撞方法处理负氢离子与其他粒子间的碰撞,运用CHIPIC软件平台下的PIC(particle-incell)技术处理粒子的储存和磁场约束作用,在此基础上,对JAEA 10 A离子源中体积产生负氢离子输运和散射情景进行了模拟,并分析和讨论了不同气压和过滤磁场对体积产生负氢离子传输和引出特性的影响.结果显示:气压越大,体积产生负氢离子碰撞损耗越大,体积产生负氢离子达到器壁的数量和被引出的数量都越小;低气压放电环境中,过滤磁场对体积负氢离子的引出影响更强烈,且过滤磁场越大,引出效果越差.     

多峰场负氢离子源磁体布局对等离子体特性影响的数值模拟研究

负氢离子源的研究对于响应国家散裂中子源建设和国际热核聚变实验堆计划的开展都具有十分重要的意义. 由于离子源本身的物理特性导致数值模拟成为不可或缺的研究手段, 基于此, 首先对自主研发的全三维粒子模拟/蒙特卡罗碰撞算法进行阐述, 然后对负氢离子体积过程进行描述, 并在此基础上对中国原子能研究中心的多峰质子源进行了系统仿真, 在引出磁体极性相同和相反两种情形下, 分别对多峰质子源放电特性进行了讨论和分析. 结果显示: 在相反极性下, 两引出磁体附近的磁漂移方向相同且数值较大, 即磁漂移剧烈, 导致电子总数较大且高能电子在特定区域活跃, 进而负氢离子体积产率较高, 即负氢离子在空间呈现Y漂移; 反之, 在相同极性下, 电子约束效果相对较差且负氢离子体积产率较低, 但其空间分布均匀.     

Penning型负氢离子源诊断

 为了给小型医用回旋加速器提供负氢离子,研制了一台Penning型负氢离子源。采用发射光谱法对该负氢离子源进行了诊断,同时结合离子源功率变化对离子源工作状态进行了分析。实验测量了不同氢气流量、离子源弧流及磁场条件下,该离子源等离子体氢原子巴尔末系中前三条谱线的相对光强和离子源功率变化,分析了不同工作条件对离子源工作状态的影响。结果表明：在可调节范围内,该离子源的工作状态主要受氢气流量的影响,对离子源弧流及磁场的变化不敏感。     

Penning型负氢离子源诊断

为了给小型医用回旋加速器提供负氢离子,研制了一台Penning型负氢离子源。采用发射光谱法对该负氢离子源进行了诊断,同时结合离子源功率变化对离子源工作状态进行了分析。实验测量了不同氢气流量、离子源弧流及磁场条件下,该离子源等离子体氢原子巴尔末系中前三条谱线的相对光强和离子源功率变化,分析了不同工作条件对离子源工作状态的影响。结果表明：在可调节范围内,该离子源的工作状态主要受氢气流量的影响,对离子源弧流及磁场的变化不敏感。