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。     

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。     

轴对称平板二极管空间电荷限制流的2维效应

应用精度较高的体积加权电荷、电流分配模型,对轴对称平板二极管的空间电荷限制流2维效应进行了粒子模拟研究。选取电压分别为100 kV和1 MV两种情况,对空间电荷限制流受二极管尺寸影响的规律进行了模拟。模拟结果表明,2维效应使空间电荷限制流密度随二极管形状因子(阴极发射半径与阴阳极间隙的比值)的减小而增大,且受相对论效应的影响不明显。经数值拟合得到了空间电荷限制流2维效应与形状因子相关的二阶经验公式,其一阶系数与一阶理论结果基本一致,约为1/4。     

低能强流带电粒子束的非线性空间电荷效应理论

本文用解析方法研究低能强流带电粒子束的非线性空间电荷效应。文中确定了粒子温度为零的束的发射度图形形状的变化和束的初始束流密度分布之间的关系,由此导出了计算粒子温度不很高的束在非线性空间电荷场作用下发射度图形变化和有效发射度增长的近似方法。     

静电加速管中强流空间电荷效应的研究

 对一种工业用大功率电子加速器(450kW)的加速管中的空间电荷效应作了5点假设，建立了物理模型。对模型的束内外径向电位分布、空间电荷对轴上电位的影响，以及空间电荷力对束流传输的影响等进行了理论分析，得到了束内径向电位分布。结果表明：束流内部径向电位沿径向均呈抛物线变化，并在轴上达到最小值；而空间电荷产生的束内电场与半径呈线性变化；空间电荷不仅会引起轴上电位的跌落，而且对束流有发散作用，特别是在电子速度较低时更为明显。在考虑了空间电荷效应后，强流静电加速管的电场设计关键在加速管的前端，与弱流加速管相比，强流加速管的电场变化要大得多。     

静电加速管中强流空间电荷效应的研究

对一种工业用大功率电子加速器(450kW)的加速管中的空间电荷效应作了5点假设,建立了物理模型。对模型的束内外径向电位分布、空间电荷对轴上电位的影响,以及空间电荷力对束流传输的影响等进行了理论分析,得到了束内径向电位分布。结果表明：束流内部径向电位沿径向均呈抛物线变化,并在轴上达到最小值;而空间电荷产生的束内电场与半径呈线性变化;空间电荷不仅会引起轴上电位的跌落,而且对束流有发散作用,特别是在电子速度较低时更为明显。在考虑了空间电荷效应后,强流静电加速管的电场设计关键在加速管的前端,与弱流加速管相比,强流加速管的电场变化要大得多。     

轴对称平板二极管空间电荷限制流的2维效应

 应用精度较高的体积加权电荷、电流分配模型,对轴对称平板二极管的空间电荷限制流2维效应进行了粒子模拟研究。选取电压分别为100 kV和1 MV两种情况,对空间电荷限制流受二极管尺寸影响的规律进行了模拟。模拟结果表明,2维效应使空间电荷限制流密度随二极管形状因子(阴极发射半径与阴阳极间隙的比值)的减小而增大,且受相对论效应的影响不明显。经数值拟合得到了空间电荷限制流2维效应与形状因子相关的二阶经验公式,其一阶系数与一阶理论结果基本一致,约为1/4。     

非平衡磁控溅射系统离子束流磁镜效应模型

为了研究非平衡磁控溅射沉积系统的等离子体特性，采用常规磁控溅射靶和同轴约束磁场构成非平衡磁控溅射沉积系统.在放电空间不同的轴向位置，Ar放电，02Pa和150V偏压条件下，采用圆形平面离子收集电极，测量不同约束磁场条件下的饱和离子束流密度.研究结果表明，在同轴磁场作用下，收集电极的离子束流密度能达到饱和值9mA/cm2左右，有利于在沉积薄膜的过程中产生离子轰击效应.根据磁流体理论分析了同轴约束磁场形成的磁镜效应和对放电过程的影响机理.实验与模型计算结果的比较表明，模型从理论上表达了同轴磁场约束对非平衡磁控溅射等离子体特性的影响规律. 关键词： 等离子体 金属薄膜/非磁性 磁控溅射 磁镜     

磁边界效应对径向磁场中等离子体束流运动轨迹的影响

根据离子与径向磁场的约束关系,用面向对象的单元粒子法模拟了极向偏转器中等离子体束流在均匀和非均匀径向磁场中的运动情况,得到了在磁边界效应下极向偏转器内部畸变电场的分布,分析了对质量分离的影响。模拟成果对质量分离器、质谱分析仪及材料提纯等装置的研制、特殊位形电磁场控制多质量束流等相关领域的研究有参考价值。     

Optimization and numerical simulation for the extraction system of the H~- multicusp ion source

A new ion source has been designed and manufactured for the CYCLONE30 accelerator, which has a much advanced performance compared with the original. It is expected that the newly designed ion source extraction system will transport a very large percentage of the beam without deteriorating the beam optics, which is designed to deliver an H^- beam at 30 keV. The accelerator assembly consists of three circular aperture electrodes made of copper. The simulation study was focused on finding parameter sets that raise the beam perveance as large as possible and which reduce the beam divergence as low as possible. Ion beams of the highest quality are extracted whenever the half-angular divergence is minimum, for which the perveance current intensity and the extraction gap have optimum values. The triode extraction system is designed and optimized by using CST software (for Particle Beam Simulations). The physical design of the extraction system is given in this paper. From the simulation results, it is concluded that it is possible to achieve this goal by decreasing the thickness of the plasma electrode, shortening the first gap, and adjusting the acceleration electrode voltage.     

Optimization and numerical simulation for the extraction system of the H- multicusp ion source

A new ion source has been designed and manufactured for the CYCLONE30 accelerator, which has a much advanced performance compared with the original. It is expected that the newly designed ion source extraction system will transport a very large percentage of the beam without deteriorating the beam optics, which is designed to deliver an H- beam at 30 keV. The accelerator assembly consists of three circular aperture electrodes made of copper. The simulation study was focused on finding parameter sets that raise the beam perveance as large as possible and which reduce the beam divergence as low as possible. Ion beams of the highest quality are extracted whenever the half-angular divergence is minimum, for which the perveance current intensity and the extraction gap have optimum values. The triode extraction system is designed and optimized by using CST software （for Particle Beam Simulations）. The physical design of the extraction system is given in this paper. From the simulation results, it is concluded that it is possible to achieve this goal by decreasing the thickness of the plasma electrode, shortening the first gap, and adjusting the acceleration electrode voltage.     

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.     

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.     

喷气式Z箍缩等离子体装置中离子束能谱的测量

利用新研制的紧凑型汤姆生离子能谱仪（ＴｈｏｍｓｏｎＩｏｎＥｎｅｒｇｙＡｎａｌｙｚｅｒ），对喷气式Ｚ－箍缩等离子体装置中离子能谱进行了测量，在ＣＲ－３９上得到了清晰的Ａｒ＋，Ａｒ２＋，Ａｒ３＋离子抛物线轨迹，通过分析计算结果表明：离子的最大能量在１ＭｅＶ左右，离子能谱分布曲线都随其能量增加而单调下降。     

激光测距仪信噪比与激光发散角最佳值的选取

研讨激光测距仪的信噪比和激光发散角如何选取最佳值的问题。如果信噪比为SNR，激光发散角为θt，则取SNR θt^2最小时的信噪比和激光发散角为最佳值。     

离子俘获的线性理论及其应用

从线性理论出发,研究了电子束团在储存环里均匀分布和束团串两种情况下离子俘获的条件;在离子系统里引入Twiss参量,推导出电子束团串俘获离子的阈值流强的公式;并以此讨论北京正负电子对撞机(BEPC)在同步辐射专用运行时观察到的电子束流现象,提出采用束团串运行来克服BEPC中的束流寿命下降.     

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.     

离子推力器束流引出状态对栅极刻蚀的影响

为了研究30 cm离子推力器束流引出状态对栅极刻蚀的影响,建立了束流引出模型,并采用PIC-MCC方法对CEX离子造成的栅极腐蚀速率进行了计算,最后将计算结果与1500 h寿命试验结果进行比对分析。结果显示：束流正常聚焦时,在3 kW和5 kW两种工作模式下,加速栅和减速栅的质量刻蚀速率分别为(1.11～1.72)×10⁻¹⁵ kg/s及(1.22～1.26)×10⁻¹⁷ kg/s。在5 kW工况下,当屏栅上游等离子体密度达到4.03×10¹⁷ m⁻³时,束流出现欠聚焦现象,此时加速栅和减速栅的最大离子刻蚀速率分别为4.33×10⁻¹⁵ kg/s和4.02×10⁻¹⁵ kg/s;在3 kW工况下,当屏栅上游等离子体密度达到0.22×10¹⁷ m⁻³时,束流出现过聚焦现象,此时加速栅和减速栅的最大离子刻蚀速率分别为3.24×10⁻¹⁵ kg/s和5.01×10⁻¹⁵ kg/s。寿命试验结果表明,加速栅孔质量刻蚀速率的计算值与试验值比对误差较小,而由于束流离子对减速栅孔的直接轰击,导致减速栅孔刻蚀速率的计算值和试验值差异极大。经研究认为,对屏栅小孔采用变孔径设计,是降低当束流处于欠聚焦或过聚焦状态下,CEX离子造成加速栅孔和减速栅孔刻蚀速率,并提升推力器工作寿命的有效措施。     

一台14GHzCAPRICE型ECR离子源的束流引出

An ion beam extracted from an ECRIS suffers from the inhomogeneous distribution of cold electrons within the minimum B configuration,necessary to confine the plasma.Especially for higher ion currents,the space charge force is not negligible any more,and because of the nonlinear force,emittance growth will occur. Measurements of the profile and the emittance of the beam directly behind the source show the complicated correlation between extraction voltage and plasma density.The emittance has been measured with a pepper pot device to account for the inhomogeneous azimuthal distribution of the beam.These results indicate that further information about the profile is required.To visualize the beam profile a tantalum foil with a thickness of 20μm has been used for an electrical beam power between 10 and 50W.Looking on the back side of the foil with a CCD camera it is possible to record the profile in real time.As a more sensitive diagnostic tool viewing targets made from BaF has been used. Three dimensional computer simulations have been used to identify the reason for the structures,observed in measurements.