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35ke V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%。     

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.     

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。     

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%。     

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。     

桶式离子源参数计算与实验的比较

在用H_2、D_2和He气体运行的情况下,把桶式离子源的引出电流、放电电流和灯丝电流的计算与TEXTOR装置上的实验结果做了比较。     

HL-2M装置中性束离子源束光学红外成像实验研究

为了研究HL-2M装置中性束注入(NBI)加热用的80k V/45A/5s热阴极离子源束光学特性,采用红外电荷耦合元件(CCD)成像技术,测量离子源引出粒子束轰击量热靶板产生的温度分布,得到束功率密度空间分布区间特征参数1/e半宽度。在NBI热阴极离子源调试平台上,扫描离子源的放电和引出参数,利用CCD红外热像仪获得了对应参数下量热靶上的束功率密度分布。实验结果表明,HL-2M装置NBI加热系统80k V/45A离子源可用的导流系数范围为0.7~1.5?P。同样导流系数下,梯度电极与等离子体电极的分压比较高时,引出束流的半宽度较小。     

HL-2M装置中性束离子源束光学红外成像实验研究

为了研究HL-2M装置中性束注入(NBI)加热用的80kV/45A/5s热阴极离子源束光学特性，采用红外电荷耦合元件(CCD)成像技术，测量离子源引出粒子束轰击量热靶板产生的温度分布，得到束功率密度空间分布区间特征参数1/e半宽度。在NBI热阴极离子源调试平台上，扫描离子源的放电和引出参数，利用CCD红外热像仪获得了对应参数下量热靶上的束功率密度分布。实验结果表明，HL-2M装置NBI加热系统80kV/45A离子源可用的导流系数范围为0.7~1.5μP。同样导流系数下，梯度电极与等离子体电极的分压比较高时，引出束流的半宽度较小。     

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为提高NBI系统的稳定运行参数和可靠性,研制了一台基于高频开关电源技术的全固态调制输出负高压测试电源,并将HL-2A装置NBI系统原4套抑制极电源的电子管调制器改为基于IGBT串联技术的全固态调制器.对比原抑制极电源系统,给出了基于高频开关技术和IGBT串联技术的抑制极电源结构.结合NBI系统调试实验,通过调节抑制极电源电压,瞬态电流输出能力,分析了抑制极电源输出性能对离子源束流引出特性,离子源引出电极击穿特性的影响,获得了引出稳定离子束流的最低抑制电压.     

进气量对强流正离子源反向电子流的影响研究

分析了EAST-NBI离子源束引出过程中反向电子的产生及物理特性,对典型情况下的进气量对离子源的影响进行了计算和实验研究.实验结果发现,质子比受进气量影响较小,进气量与反向电子流呈明显正相关.     

Feasibility study on high current ion beam extraction from anode spot plasma for large area ion implantation

In this paper, we have investigated the feasibility of the high current beam extraction from anode spot plasma as an ion source for large area ion implantation. Experiments have been carried out with the ambient plasma produced by inductive coupling with radio-frequency (RF) power of 200 W at the frequency of 13.56 MHz. Anode spot plasmas are generated near the extraction hole of 2 mm in diameter at the center of a bias electrode whose area exposed to the ambient plasma can be changed. It is found that the maximum ion beam current is extracted at the optimum operating pressure at which the area of bias electrode exposed to ambient plasma is fully covered with the anode spot plasma whose size is dominantly determined by the operating pressure for given gas species. It is also observed that the extracted ion beam current increases nonlinearly with the bias power due to the changes in size and shape of the anode spot plasma. With the well-established anode spot plasma operating at the optimum gas pressure, we have successfully extracted high current ion beam of 6.4 mA (204 mA/cm²) at the bias power of 22 W (∼10% of RF power), which is 43 times larger than that extracted from the plasma without anode spot. Based on the experimental results, criteria for electrode design and operating pressure for ion beam extraction from larger extraction aperture are suggested. In addition, the stability of anode spot plasma in the presence of ion beam extraction through an extraction hole is discussed in terms of the particle balance model.     

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。     

磁场调控型离子源的设计与实验

磁场调控型离子源在离子源等离子体扩散空间中引入轴向强脉冲磁场,磁场起两方面的作用,一是形成潘宁放电效应,使原子、气体分子碰撞电离效率增加;二是在脉冲强磁场的作用下,强轴向磁场将质量较轻的离子约束在轴线上,对质量较重的金属离子约束能力较弱,导致其在等离子体膨胀引出通道中碰壁损失,能够提升引出轻离子的比例。开展了磁场调控的离子源放电结构、强脉冲螺线管磁场以及引出束流光学结构的设计;测量分析了引出离子流强和离子打靶束斑形貌。研究结果表明,强轴向磁场通过等离子体对混合离子成分的筛选作用,可有效提高引出离子流强中的轻离子成分比例。     

5MW中性束弧电源DC/DC变换器的设计与实现

中性束离子源弧放电具有气体放电等离子体的非线性特性,工作时还会受到气体压强、外磁场、阴极状态等因素的影响,采用晶闸管相控调压技术的弧电源很难实现对这种大功率电弧的稳定的闭环控制。为此,提出了一种多相多重的大电流DC/DC变换器,具有响应速度快、电流上升时间短、电流纹波小等特点,大幅提高了离子源弧放电闭环控制的稳定性。设计了滤波电感能量回馈电路,弧电源可以根据中性束系统的需要使弧电流快速减小0%~100%(可调),然后根据控制信号迅速恢复正常弧电流输出,形成一个弧电流凹坑。电源还采用超级电容储能技术,使电源体积减小了2/3,电网容量小于10kV·A。离子源放电时不会受到电网波动的影响,弧放电更加稳定。实验数据显示:该电源最大输出为220kW/1500A,电流纹波在1%以内,电流上升时间约100μs,最大超调量小于3%,可以满足5 MW中性束离子源及系统的要求。     

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%.     

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。     

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EAST NBI束线综合测试台已研制完成并具备一台兆瓦级离子源测试运行的全套电源设备,包括离子源灯丝电源、弧电源、加速器电源、抑制极电源、偏转磁体电源及缓冲器电源等。介绍了EAST兆瓦级离子源进行起弧放电调试运行的方式,叙述了各套离子源电源系统的设计结构、技术特点及运行控制方式,分析了离子源电源系统稳定可靠运行需要解决的各个难点,给出了EAST束线样机进行高功率及长脉冲束引出测试运行的实验结果。     

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HT-7中性束诊断电源系统的计算机控制系统由PLC、工控机、逻辑控制和定时单元等组成。对起弧、束流引出等实验进行了研究。在多种参数下,通过调节弧压、进气量等观察了其对弧流的影响。初步实验结果表明,在高压35kV、弧流80A的情况下,束电流可以达到3.6A,引出的中性束流功率可以稳定地达到50kW以上。