强流单电荷态离子束的产生与传输研究

发布时间：2020-07-17 19:36

【摘要】：随着核物理以及与核能技术的发展,相关研究领域对强流、高功率加速器的需求愈发强烈,从而极大推动了强流加速器的发展。强流离子加速器技术中,低能段离子源与束流传输的一些问题的研究是关键,例如在ADS(加速器驱动嬗变次临界装置)驱动加速器技术中,强流质子束的获得、高性能传输以及与后续加速器系统的匹配是难点与关键。本论文针对锦屏深地核天体实验装置(JUNA)加速器项目的要求,为其设计研制了带有分析磁铁的低能传输线。JUNA将是世界上首个建成并投入深地环境使用的采用强流2.45 GHz ECR源作为离子注入器的深地核天体实验装置,为此需要一台强流离子源与低能传输线,提供10mA的H~+、He~+以及5mA的He2~+高纯度束流。考虑JUNA加速器装置的目标离子种类、运行能量范围(70~800keV)、低本底运行条件的要求,低能传输线设计采用双螺管的强流束匹配结构,以实现束流的匹配,同时在两螺线管间设置了30度偏转角双聚焦结构的分析磁铁,实现不同粒子的切换、杂质粒子的去除。利用束流动力学模拟,设计优化了束流传输元件,评估了束流的损失位置并设置了相应的束流阻挡器,从而满足了项目要求的高纯度、大动态强流束的传输;初步联调结果表明其能够满足项目对束流的要求。杂质离子如H2~+、H3~+的污染问题一直是强流质子加速器的难点,为此CIADS考虑引入带有质量分析系统的注入器设计方案。针对此方案,利用JUNA的低能传输线进行了可行性研究。通过对CIADS注入器要求的35 keV、10 mA的强流离子束经过分析磁铁的束流品质进行了模拟与实验对比分析,发现分析磁铁高阶磁场的影响造成了束流的畸变,并且该影响随着束流包络的变大而增强。这些结果为CIADS注入器的低能传输线提供了更为具体的设计参考依据。强流离子源的关键在于高密度等离子体的建立。本论文针对ECR离子源获得高密度等离子体的方法,深入调研了一种不受截止密度限制的微波模式——电子伯恩斯坦波(EBW)。通过系统的调研分析,根据14.5 GHz条件下建立EBW模式的可行性,搭建了原理性研究实验平台,进行了初步实验探索,并对实验存在的问题进行了探讨与分析。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL503.3
【图文】：

离子源

态离子源发展现状Chapter (Next) Section 1目前世界上的绝大多数强流采用 2.45 GHz 的微波频率，它具有高稳定性、高流品质优秀等特点。专注于研制 2.45 GHzECR 验室在单电荷态 ECR 离子源研究领域处于世界领先质子注入器（IPHI、 Injector of Protons for High-In辐照装置（IFMIF，International Fusion Materials Irrad和离子研究装置(FAIR, Fcility for Antiproton and Ion。IPHI 的离子源 SILHI 的结构如图 2.1，其性能非常 CW模式下能够产生最高157mA的强流质子束，质时间的稳定运行测试。

示意图,离子源,意大利,示意图

图 2.2 意大利 TRASCO 离子源 TRIPS 示意图中国从上世纪 80 年代末开始了 2.45 GHz ECR 离子源的研究工作。中国原科学研究院所研制的强流 ECR 能够在引出电压 70keV 的情况下，引出高0mA 的混合束流，H+比例大于 80%，归一化均方根发射度≤0.2π.mm.mrad北京大学在紧凑型全永磁 2.45 GHz ECR 离子源的研制上也取得了优异的。其设计的离子源源体如图 2.3，尺寸仅有 100 100 mm，重量不超过 5够在 35 keV 的引出电压下，引出 50~55mA 的直流质子束，并且连续稳定过 300 小时[9]。

示意图,离子源,北京大学,引出电压

图 2.2 意大利 TRASCO 离子源 TRIPS 示意图世纪 80 年代末开始了 2.45 GHz ECR 离子源的研究所研制的强流 ECR 能够在引出电压 70keV 的情况束流，H+比例大于 80%，归一化均方根发射度≤0.在紧凑型全永磁 2.45 GHz ECR 离子源的研制上也取离子源源体如图 2.3，尺寸仅有 100 100 mm，重的引出电压下，引出 50~55mA 的直流质子束，并且[9]。

【参考文献】

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