用于静电加速器的高频离子源及其引出特性

根据离子束生物工程的需要,设计和研制了一台用于静电加速器的小型高频离子源。针对使用环境从理论上确定了离子源的结构和尺寸。通过实验调试取得了引出束流与引出电压、聚焦电压以及放电气压之间的变化特性曲线,测定了引出束流的束径包络,对束流的不稳定性进行了分析,在设计中采取了有效的措施抑制束流不稳定性。结果表明,离子源的最佳工作条件为引出电压1 600V~1 800V,放电气压在（4~8）×10-4Pa范围,此时离子源可引出最大束流30μA。束流大小及其稳定性均达到预期要求。     

用于静电加速器的高频离子源及其引出特性

 根据离子束生物工程的需要,设计和研制了一台用于静电加速器的小型高频离子源。针对使用环境从理论上确定了离子源的结构和尺寸。通过实验调试取得了引出束流与引出电压、聚焦电压以及放电气压之间的变化特性曲线,测定了引出束流的束径包络,对束流的不稳定性进行了分析,在设计中采取了有效的措施抑制束流不稳定性。结果表明,离子源的最佳工作条件为引出电压1 600V~1 800V,放电气压在（4~8）×10^-4Pa范围,此时离子源可引出最大束流30μA。束流大小及其稳定性均达到预期要求。     

高频离子源参数研究

从自由电子在高频电场中的运动方程出发，研究了高频离子源的工作原理。由边界条件和电离条件推导出截止条件和最低点火电压的关系式。在此基础上编出了适于在各种气压下计算各种气体的Ｕｂ－ｆ曲线程序，作出了大量的计算结果。由计算结果讨论了高频离子源工作时各种参数之间的制约关系。所得结果将为利用高频离子源产生Ｈ＋ｎ离子团簇的实验提供重要的依据。     

高频H型放电离子源的场特性

从Maxwell方程组出发,推导了高频H型放电离子源放电空间的场分布, 并采用Mafia软件进行了三维实体建模,计算了高频离子源放电击穿前和稳定工作后的电磁场分布,得到了高频离子源放电空间电磁场分布的直观图像。通过比较击穿前高频电场的轴向和环向分量,得出了轴向电场在高频离子源击穿中起主要作用的结论,并进而推导出了高频离子源的击穿判据,得出了气体击穿时离子源击穿电压和放电管内气压的关系,与实验结果符合较好。     

高频H型放电离子源的场特性

 从Maxwell方程组出发，推导了高频H型放电离子源放电空间的场分布, 并采用Mafia软件进行了三维实体建模，计算了高频离子源放电击穿前和稳定工作后的电磁场分布，得到了高频离子源放电空间电磁场分布的直观图像。通过比较击穿前高频电场的轴向和环向分量，得出了轴向电场在高频离子源击穿中起主要作用的结论，并进而推导出了高频离子源的击穿判据，得出了气体击穿时离子源击穿电压和放电管内气压的关系，与实验结果符合较好。     

用于聚焦离子束系统的离子源

介绍了现阶段两种用于聚焦离子束系统的离子源——液态金属离子源和气体场发射离子源的基本原理, 并对比了它们的优缺点。由于目前这两种离子源都难以满足纳米加工领域不断提高的技术要求, 因此提出了一种用于聚焦离子束的新型离子源——电子束离子源, 并介绍了电子束离子源的基本原理, 给出了设计参数、 模拟结果（20 kV的Ar+离子束, 发射度约为5.8×10-5·mm·mrad, 束斑约为1 μm）和初步的实验结果。 There are two kinds of ion sources, Liquid Metal Ion Source and Gas Field Ion Source, used to provide ion beams for the Focus Ion Beam system. The working mechanism of the two kinds of sources is presented and their advantages and disadvantages are summarized. With the rapid development in the nano technology, the requirements are hardly met with these two kinds of ion sources. Therefore, a new kind of ion source, electron beam ion source, is developed for the Focus Ion Beam system. The basic principle of the electron beam ion source is introduced and the design parameters, the result of the simulation (20 kV Ar+, extracted emittance is 5.8×10-5π·mm·mrad, raduis of the ion beam about 1 μm.) and the primary experimental results are presented     

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.     

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。     

高频离子源等离子体的光谱诊断

采用发射光谱法研究了高频离子源的等离子体性质。该离子源应用于ZF-200keV中子发生器中,是一种电感耦合型无极环形放电高频离子源。实验采用绝对定标后的光学多道分析系统测定了离子源等离子体在不同阶段氢原子巴耳末谱线系中前三条谱线的强度,并采用部分局部热力学平衡状态的理论,计算出了相应阶段高频离子源等离子体的电子温度、氢原子浓度、氢离子浓度等参数,并进行了简要分析。     

高频离子源等离子体的光谱诊断

 采用发射光谱法研究了高频离子源的等离子体性质。该离子源应用于ZF-200keV中子发生器中，是一种电感耦合型无极环形放电高频离子源。实验采用绝对定标后的光学多道分析系统测定了离子源等离子体在不同阶段氢原子巴耳末谱线系中前三条谱线的强度，并采用部分局部热力学平衡状态的理论，计算出了相应阶段高频离子源等离子体的电子温度、氢原子浓度、氢离子浓度等参数，并进行了简要分析。     

RF离子源引出特性的研究

为了使RF离子源具有良好的引出特性, 测试了吸极几何参数、振荡器板压、引出电压对离子源引出特性的影响, 对实验结果进行了分析. 在其他参数不变的情况下, 存在最佳的D/d; 增加D/d,有利于过聚焦的离子束恢复聚焦状态. b/D增大时, 聚焦度上升, 引出束流下降. B/d减小时,聚焦度增大; 当B/d小于4时, 聚焦度增加趋势变缓. 综合考虑聚焦度、引出束流和气压,D/d,b/D,B/d适宜的选择范围分别为1.6—2.1, 0.7—1.1, 4—7. 改变引出电压和振荡器功率对离子源性能的影响具有相反的方向, 两者都存在最佳工作点.     

HL-2A中性束大功率离子源的研制

2007年3月, 为HL-2A中性束注入器研制的大功率离子源在核工业西南物理研究院成功通过了测试. 该离子源为圆柱结构的桶式离子源型; 加速器采用三电极的加减速系统. 实验运行参数如下: 灯丝加热电流1100A, 电压12V, 弧放电电压120V, 弧放电电流1050A, 等离子体密度达2.5×10¹²/cm³, 离子流密度0.44A/cm²; 在距等离子体电极5mm的平面上, 等离子体的均匀性好于5%, 工作脉宽2s. 离子源物理设计、工程考虑、实验研究结果等将在本文介绍.     

一台2.45GHz强流中子源

A 2.45GHz microwave-driven ion source is being used to provide 40mA of deuterium ion beam (peak current) for an RFQ accelerator as part of a neutron source system.We have also designed a 60kV electrostatic LEBT using computer simulations.In our experiment,we measured the hydrogen and deuterium ion beam currents as functions of discharge power,gas flow,and magnetic field strength.The required beam current was obtained using leas than 700W of net microwave power with a gas flow of less than 1.5sccm.From the rise time data,it was determined that in order to obtain a high percentage of atomic ions in the beam, the beam extraction should start after 1ms of switching on the microwave power.At steady state,the proton fraction was above 90%.     

离子源引出系统研究

扩展Pierce理论的应用范围, 通过解析求解泊松方程和拉氏方程, 在固定发射面的情况下, 得到了在给定束流强度密度下带状平行束外空间电位分布的一般方法, 可为引出系统的设计提供一定的参考.     

RIKEN超导ECR离子源磁体系统的设计

Superconducting magnet system for a 28GHz ECR ion source has been designed.The maximum axial magnetic fields are 4T at the rf injection side and 2T at the beam extraction side,respectively.The hexapole magnetic field is about 2T on the inner surface of the plasma chamber.The superconducting coils consist of six solenoids and six racetrack windings for a hexapole field.Two kinds of coil arrangements were investigated:one is an arrangement in which the hexpole coil is located in the bore of the solenoids,and another is the reverse of it.The coils use NbTi-Copper conductor and are bath-cooled in liquid helium.The six solenoids are excited with individual power supplies to search for the optimal axial field distribution.The current leads use high Tc material and the cryogenic system is operated in LHe re-condensation mode using small refrigerators.The thermal insulated supports of the cold mass have also been designed based on the calculated results of the magnetic force.The heat loads to 70K and LHe stages were estimated from the design of the supports,the current leads and so on.     

霍尔源用于光学镀膜

报道了用于辅助镀膜的无栅霍尔等离子体源的结构原理及性能指标,并从光学特性、显微特性和机械特性三方面着手,研究了使用霍尔源所做的单层TiO₂膜的成膜工艺与质量.研究表明,使用霍尔源辅助沉积的光学薄膜折射率明显提高,更加接近于块状材料,膜层结构比传统沉积手段更加致密,附着力也很高.同时用此项技术沉积了金属增强反射镜,试验结果与理论设计结果相符,达到了理想要求.     

氦喷嘴激光离子源离线系统的实验结果

简要介绍了建立在清华大学的氦喷嘴激光离子源离线系统.并给出了在氦喷嘴出口处激光直接共振电离喷束中的钠原子的实验结果.此结果表明,在氦喷嘴出口处,用激光在束电离钠原子是可行的.由此出发可设计具有Z选择性、效率高、可测同位素寿命下限低又能适用于高温难熔元素的激光离子源.     

Development Towards a Laser Ion Source Trap for the Production of Exotic Species

A new type of resonance ionization laser ion source (RILIS) is presently being developed and tested at the off-line mass separator at Mainz University for future use at on-line exotic rare isotopes production facilities. For highest isobaric selectivity, this RILIS approach decouples the evaporation and ionization process. A further advantage is the generation of full temporal control of the resulting high quality ion beam. These facts are realized by a combination of atomizer – ion repeller – ion cooler and trap, which is operated together with a state-of-the-art, all solid state laser system. The principle and performance of this laser ion source trap (LIST) system are discussed applying simulation studies for the repeller-trap combination and first measurements for characterization.     

ECR离子源束流发射度的实验研究

利用最新自行研制的电扫描发射度探测系统, 在ECR离子源上进行了一系列关于ECR离子源引出束流发射度的研究. 这套电扫描发射度探测系统安装在中国科学院近代物理研究所(兰州)的LECR3试验平台的束运线上. 试验中, 通过测量相关参数, 研究了磁场、微波、掺气效应及负偏压效应等对引出束流发射度的影响. 利用实验所得的结果与关于ECR等离子体和离子源束流发射度的半经验理论, 分析推导了离子源各可调参数与ECR等离子体的直接关系, 这为分析探索ECR离子源的工作机制提供了一定的参考依据.     

霍尔离子源辅助制备长波红外碳化锗增透膜

为了提高锗基底的透过率和环境适应性,镀制了增透保护膜。应用电子枪蒸发加霍尔离子源辅助的方法沉积了碳化锗(Ge_1-xC_x)薄膜。通过固定霍尔离子源参数,控制沉积速率的工艺得到了不同光学常数的碳化锗薄膜。X射线衍射(XRD)测试表明,所制备的碳化锗薄膜在不同的沉积速率下均为无定形结构。采用傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪测量了试片的透过率,使用包络法获得了相应工艺条件下的光学常数。在锗基底上双面镀制碳化锗增透膜后,长波红外7.5～11.5 μm波段的平均透过率T_ave>85%。经过环境实验之后的碳化锗膜层完好,证明碳化锗增透膜具有良好的环境适应性。