含氘电极真空弧等离子体空间分布特性诊断研究

真空弧放电等离子体含有多种离子成分,并且各离子在空间上具有不同的分布规律.本文针对金属氘化物电极真空弧离子源,搭建了一台紧凑型磁分析装置,用来研究放电等离子体中氘离子与金属离子的空间分布.当离子源弧流为100 A左右时,该装置能有效地传输引出束流,并且具有较好的二次电子抑制效果,可准确获得各离子流强.利用该装置测量并获得了氘化钛含氘电极真空弧放电等离子体内氘离子和钛离子空间分布规律,结果表明:径向上,氘离子和钛离子都呈高斯分布,但氘离子分布均匀,而钛离子相对集中在轴线附近,导致轴线附近氘离子比例最低;轴向上,所有离子数量都以自然指数函数减少,而且相对幅度接近,所以氘离子比例几乎不变.本文研究结果不仅有助于理解真空弧放电等离子体膨胀过程,还可以指导金属氘化物电极真空弧离子源及其引出设计.     

含氢电极脉冲放电等离子体特性诊断

利用飞行时间质谱法诊断了含氢电极脉冲真空弧离子源放电等离子体成分、离子电荷状态及离子扩散速度等特性.实验结果表明,含氢电极脉冲真空弧离子源放电等离子体的离子成分主要由H+,Ti+,Ti2+和Ti3+组成,其中Ti2+占主要部分.当放电电流为40～80 A时,Ti离子的平均电荷数在1.95～2.13之间,随着放电电流的增...     

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.     

激光等离子体在螺线管发散磁场中的特性研究

激光烧蚀等离子体(LAP)可用作粒子加速器和离子注入器中使用的离子源。相较于其它离子源,激光离子源在流强上具有优势,但由于产生的离子束脉冲时间短,限制了其在加速器中的广泛应用。实验中通过对激光等离子体扩散区域引入螺线管磁场进行约束,实现了对激光等离子体脉冲时间结构的调制。为了研究螺线管磁场对LAP的影响,实验使用了不同的激光能量(1~8 J)来生产具有不同初始条件的激光等离子体,并应用了不同的磁场强度来约束激光等离子体。在螺线管边缘场,通过可移动的法拉第筒(FC)对激光等离子体的横向分布进行测量。对于不同初始状态的等离子体,随着磁场的增加,其离子脉冲的主要参数(脉冲总电荷量、峰值流强、脉宽)均呈现先上升后逐渐饱和的变化趋势。另外,在没有磁场的条件下,在所测量位置处,等离子体的横向呈均匀分布;而在磁场约束的条件下,等离子体明显向轴线聚集。以上实验结果对进一步了解磁约束激光等离子体的特性具有重要意义。     

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.     

微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求. 为此, 本文开展直径20 mm的微型ECR离子源结构优化实验研究. 根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点, 研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响, 结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时, 微波与等离子体实现无损耦合, 电子共振加热效果显著, 引出离子束流较大. 根据放电室电磁截止特性, 结合微波电场计算, 研究放电容积对离子源性能的影响, 实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭. 经优化后离子源性能测试表明, 在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9 μg/s下, 可引出离子束流5.4 mA, 气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.     

会切磁场多极离子源中磁场对等离子体特性的影响

本文提出了会切磁场多极离子源中,磁场对等离子体参数以及可引出离子束流和放电室阳极收集的离子电流影响的实验研究结果,并对该结果进行了分析讨论。     

脉冲束流引出时的等离子体鞘层变化

采用一维无碰撞的动力学鞘层模型计算了脉冲等离子体在恒压引出时的等离子体鞘层厚度变化,分别对短脉冲和长脉冲放电时的离子源发射面演变进行了分析。结果表明:对于短脉冲放电,发射面位置的变化相对等离子体密度的变化存在一定时间的延迟;对于长脉冲的上升沿和直流放电的开启阶段,鞘层厚度变化的速度与离子初始速度相关,稳定后发射面的位置与离子初始速度和等离子体密度的乘积相关。     

大功率多磁极会切场离子源的弧放电特性分析

为了在HL-2A上实现3MW的中性束注入,我院自主研制了直径为260ram,高度为240ram的大功率多磁极会切场离子源.目前,它的性能已达到并超过了最初设计指标,放电脉冲为ls时,最大离子流密度为0.44A/cm2;放电脉冲为3s时,等离子体离子流密度0.24A/cin2;等离子体非均匀性都在5%-7%范围之内.目?它是我国国内等离子体密度最高,放电功率最大的长脉冲桶式离子源.本文通过实验数据与理论相结合的方式对弧放电特性进行分析.     

微型电子回旋共振离子源的全局模型

微型电子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)离子源在紧凑型离子注入机、小型中子管、微型离子推进器等领域有着十分广泛的应用.为了深入认识微型ECR离子源的工作机理,本文以北京大学自主研制的一款微型氘离子源作为研究对象,以氢气和氘气放电形成的等离子体为例,发展了一种基于粒子平衡方程的全局模型.研究结果表明,该离子源束流成分与离子源的运行气压和微波功率有着很强的依赖关系.对于氢气放电等离子体,微波功率低于100 W时,离子源可以分别在低气压和高气压情况下获得离子比超过50%的H~+₂离子束和H~+₃离子束;当微波功率高于100 W时,可以在很宽的运行气压范围内,获得质子比超过50%的束流.因此,提高微波功率是提高微型离子源质子比的关键.对于氘气放电等离子体, 3种离子比例对运行气压和微波功率的依赖关系与氢气放电等离子体的规律基本一致.但是在相同的运行条件下, D~+比例比H~+比例高10%—25%.也就是说,在微型氘离子源的测试和优化过程中,可以利用氢气代替氘气进行实验,并将质子比测量结果作为相同条件下氘离...     

磁场引起的潘宁离子源阻抗变化研究

以11 MV回旋加速器潘宁离子源作为研究对象,通过调节磁场强度研究了磁场对工作在弧放电模式下的潘宁离子源的影响规律,深入分析了该放电模式下的放电自持机制、磁场引起的阻抗变化规律、异常发光现象。实验在6 mL/min氢气流量下,保持离子源弧流不变,调节磁场强度,记录磁场强度对弧压的影响。实验结果表明:二次电子发射机制与热电子发射机制在潘宁源自持放电过程中发挥了同样重要的作用;在强磁场情况下离子源阻抗受到磁场变化影响不大,在磁场小于0.15 T时磁场的作用才变得明显;当磁场减弱至等离子体进入阻抗增长区后,存在一段等离子体剧烈放电、光强突然增加的区域。在实验的基础上,得到了设计潘宁源的启发,并分析了磁场对等离子体电导率影响的微观物理机制,这些有助于研制或使用工作在弧放电模式下的潘宁离子源。     

Generation of a high-current beam of multiply charged ions from a dense plasma produced by high-power millimeter-wave gyrotron radiation under ECR conditions

Experimental data for generating intense beams of multiply charged heavy gas ions are reported. The beams are extracted from the dense plasma of an ECR discharge with quasi-gasdynamic confinement provided by the powerful microwave radiation of a gyrotron in a magnetic trap. The axisymmetric magnetic trap makes it possible to extract uniform (in transverse coordinates) plasma fluxes from it, and the use of a multiple-aperture extraction system makes it possible to increase the beam current by more than an order of magnitude compared with the ECP sources currently available. Multiply charged nitrogen ion beams with a current of 150 mA and a normalized emittance of 0.9π mm mrad are obtained.     

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%.     

Influence of a centered dielectric tube on inductively coupled plasma source: Chamber structures and plasma characteristics

A high-density RF ion source is an essential part of a neutral beam injector. In this study, the authors attempt to retrofit an original regular RF ion source reactor by inserting a thin dielectric tube through the symmetric axis of the discharge chamber. With the aid of this inner tube, the reactor is capable of generating a radial magnetic field instead of the original transverse magnetic field, which solves the E × B drift problem in the current RF ion source structure. To study the disturbance of the dielectric tube, a fluid model is introduced to study the plasma parameters with or without the internal dielectric tube, based on the inductively coupled plasma(ICP) reactor. The simulation results show that while introducing the internal dielectric tube into the ICP reactor, both the plasma density and plasma potential have minor influence during the discharge process, and there is good uniformity at the extraction region. The influence of the control parameters reveals that the plasma densities at the extraction region decrease first and subsequently slow down while enhancing the diffusion region.     

JAERI 10 A 离子源体积产生效率数值优化

阐述了拥有自主知识产权的粒子模拟-蒙特卡罗算法, 采用该算法数值研究了JAERI 10 A多峰离子源放电特性, 并分析主要放电参数(气压、放电电极位置、过滤磁场大小、放电电压等)对体积产生率的影响. 模拟结果显示: 为了得到高体积负氢离子产量, 过滤磁场不宜太大, 放电电压不宜太小, 而应该适当选取过滤磁场和放电电压, 主要通过同时调节气压和放电位置来实现离子源优化.     

Influence of the Emission of Charged Particles on the Characteristics of Glow Discharges with Oscillating Electrons

The influence of the extraction of charged particles on the conditions of sustaining and the characteristics of a glow discharge with oscillating electrons is considered. It is shown that there is some pressure-dependent optimum level for the extraction of ions at which the energy efficiency of the ion source reaches a maximum. Experimentally, it has been established that the sustaining of a discharge is adversely affected by the run-off of fast ionizing electrons from the discharge, whereas the emission of slow plasma electrons can facilitate the sustaining of the high-current variety of discharge and even lead to a stabilization of an unstable gas-discharge structure. It has been shown that due to the different character of the spatial distributions of fast and slow particles in discharges with electrons oscillating in a magnetic field it is possible to realize highly efficient electron emission without loss of discharge stability by extracting electrons from the near-anode region.