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.     

HL-2A装置中性束离子源引出系统束流分析

在中性束离子源引出过程中,详细分析了引出束流的产生,这有利于得到更准确的引出功率和引出电极表面的热功率沉积情况。根据HL-2A装置中性束离子源引出电极的电连接方式和束流引出的物理过程,对离子源束流引出过程进行了分析,给出抑制极电流产生的主要来源。通过分析放电气压扫描实验中的结果发现：随着放电气压的增加,不同弧放电电流情况下抑制极电流均逐渐增加,且抑制极电流与引出电流的比值近似线性增加。针对引出离子束流经过引出电极的过程建立了物理模型。计算了抑制极电流与引出电流的比值与放电气压的依赖关系,计算结果与实验结果一致,验证了引出束流分析结果的合理性。     

强流ECR离子源引出系统研究

为了提高强流ECR 离子源的引出束流品质,分别设计了1# 和2# 引出系统,利用束流引出模拟软件PBGUNS 对1# 和2# 引出系统进行了质子束流引出与传输的模拟计算,结合实际测得的发射度数据分析引出系统,发现2# 引出系统比1# 引出系统引出束流品质高。对ECR 离子源引出系统的电势等位线分布等参数引起的球差进行了简单数学推导及MATLAB 绘图,并结合1# 和2# 引出系统束流相图模拟结果证明了球差会使引出束流品质有效发射度增长,通过适当加大电极孔径可改善束流聚焦情况,得到了束流光学聚焦较好的束流引出系统设计。To improve the quality of extracted ion beam from a high current ECR ion source, 1# and 2# extraction systems were designed and tested. The PBGUNS code was used to simulate the 1# and 2# extraction systems of proton ion beam. The emittance measurement results with the two different extraction systems were compared and analyzed with the simulation, the conclusion that more high quality beam extracted from 2# system than 1# system was got. The formula derivation of ECR ion source extraction system spherical aberration and MATLAB drawing was done by the analyzing on the distribution of extraction field equipotentials, effective emittance increasing caused by spherical berration was proved by 1# and 2# extraction systems beam phase space simulation result, beam focusing would be improved if electrode hole size increasing appropriately and a general concept on good optics focusing of ion beam extraction system was proposed finally.     

2.45GHz ECR 强流等离子体源核心部件设计与实验研究

电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)等离子体源能产生高电荷态离子、高流强的单电荷态离子,提供稳定的束流和良好的重复性.核心部件的设计对ECR等离子体源是至关重要的,磁场对等离子体的生成和分布有直接影响,良好的磁场可以提高等离子体的性能和效率.采用有限元分析方法对ECR等离子体源磁场进行分析与设计,得到了满足设计需求与目标的磁场位形,通过高斯计对设计的永磁环轴向磁场精确测量,发现磁场仿真结果与实验结果吻合比较好,只是轴向磁场最大值及对应位置上有点偏差.通过集成实验,研究核心部件对离子源引出束流强度的影响,引出束流稳定且强度达到7 m A.     

负氢潘宁型离子源的束流引出测量

在中国工程物理研究院流体物理研究所自行研制的负氢潘宁型离子源上进行负氢束流引出测量实验,采用单电极、双电极、三电极束流引出测量方法进行初步束流引出测量,束流强度的实验测量结果远远高于空间限制流的理论计算值。因此,提出一种电屏蔽盒的直流束流引出测量方法。阐述了电屏蔽盒直流束流引出测量的基本方法、束流轨迹的CST数值模拟以及束流引出测量实验结果。研究表明:引出电压为2 kV,引出间隙为3 mm,磁感应强度为0.435 T时,得到较为精确的负氢束流引出强度约100 A。通过空间电荷限制流的V3/2定律进行拟合,推算得到引出电压为40 kV时,负氢束流强度约达到4 mA。     

ECR源低能强流高电荷态离子束四维发射度测量仪的研制

为全面研究ECR（Electron Cyclotron Resonance）离子源引出的高电荷态离子束流品质,获取ECR离子源引出离子束流的横向四维相空间分布,提高向加速器的注入效率,中国科学院近代物理研究所研制了一台高精度Pepper Pot型发射度测量仪PEMiL（Pepper pot Emittance Meter in Lanzhou）。根据使用需求,利用KBr晶体喷涂技术取代传统的CsI闪烁体成像技术,解决了束流光斑重叠效应,获得了边界清晰的束流图像;并开发了相应的数据处理分析程序,以分析处理得到的束流横向四维相空间分布。利用PEMiL获得了75 keV,170 eμA的O5+束流横向四维发射度。分析结果表明:PEMiL测量分析后的束流发射度结果可靠性高,荧光屏电荷累积效应造成的发射度差异不超过25%,PEMiL可作为ECR离子源引出离子束流品质诊断的有效装置。     

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。     

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。     

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.     

首次使用核反应法鉴别JUNA深地加速器A/q=2的束流种类

JUNA团队计划利用CJPL所提供的极低本底条件和400 kV高压平台上2.45 GHz ECR离子源产生的毫安量级束流首次在天体物理能区对关键核反应进行直接测量。实验需要10 emA的质子束流和He+束流以及2 emA的He2+束流。使用2.45 GHz离子源产生毫安量级的He2+束流是离子源制造的难点。由于离子源分析磁铁分辨能力有限,无法区分He2+和H+₂离子,本文首次使用核反应法对离子源产生的A/q=2的束流进行了鉴别,结果显示,JUNA项目2.45 GHz ECR离子源无法产生毫安量级的He2+束流。该研究成果为JUNA项目离子源的设计提供了重要的参考依据。JUNA团队另外研制了一台微波频率为14.5 GHz的ECR离子源并成功产生2 emA的He2+束流来满足实验需求。     

Analytical and simulation studies for diode and triode ion beam extraction systems

This work is concerned with ion beam dynamics and compares the emittance to aberration ratios of two-and three-electrode extraction systems. The study is conducted with the aid of Version 7 of SIMION 3D ray-tracing software. The beam dependence on various parameters of the extraction systems is studied and the numerical results lead to qualitative conclusions.     

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.     

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.     

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.     

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、振荡器板压和引出电压对离子源聚焦度的影响,对实验结果进行了分析。在其它参数不变的情况下,吸极的外径D与内径d之比存在最佳值,增加D/d,有利于过聚焦的离子束恢复聚焦状态。吸极的长度为L,石英套管比吸极长l。当l/D增大时,聚焦度上升,引出束流下降。L/d之比减小时,聚焦度增大。当L/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,l/D,L/d适宜的选择范围分别为1.6～2.1,0.7～1.1,4～7。增加振荡器功率会使离子束呈弱聚焦,而增加引出电压会使离子束呈过聚焦。振荡器功率和引出电压都存在最佳值。     

负离子源引出系统束光学的数值模拟

根据在表面-等离子体型负离子源中,负离子主要由转换电极表面产生这一特点,参考正离子源引出系统数值计算程序,建立了负离子源引出系统的数值计算模型和计算程序;对表面-等离子体型桶式负离子源引出系统束光学的性质进行了数值模拟。对计算结果的检验和分析表明,这个计算模型和程序反映了负离子源引出系统束光学的基本特性。     

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。     

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。     

KLY—1低能宽束离子源的研制

本文简介了KLY-1低能宽束离子源的结构,给出了物理设计的主要公式和调试实验的结果。对于氩离子束,在离子能量为4keV,距引出电极24cm处的5cm直径的靶上,测得最大氩离子流为45mA,束流不均匀性优于±25％。