高电荷态ECR离子源微波耦合研究

发布时间：2020-12-16 23:12

　　基于微波驱动的高电荷态ECR（电子回旋共振）离子源是产生强流高电荷态离子束的最佳选择。为满足现代重离子加速器发展对强流高电荷态离子束的需求,离子源性能必须得到进一步提升。在ECR离子源中,微波耦合加热效果直接影响高温高密等离子体的状态,对其性能至关重要。本论文对强流高电荷态ECR离子源微波耦合加热的相关机制进行了系统的研究,提出了提高其性能的关键技术与方法。在24-28 GHz ECR离子源中,微波功率耦合普遍沿用传统方案,即利用直径32 mm的过模圆波导将TE₀₁模直接耦合加热ECR等离子体,实验结果表明采用该传统微波耦合方式的ECR离子源性能低于半经验理论预期,尤其是高功率下的束流饱和现象,限制了离子源性能的进一步提升,因此需要从微波耦合加热等离子体方面取得突破,这不仅可以提升现有装置的性能,也将为下一代ECR离子源的发展提供关键依据。本论文从高微波功率下ECR等离子体的稳定性和微波吸收效率特性出发,首次从行波角度利用天线辐射理论研究了不同微波耦合方式下ECR离子源弧腔中的电场功率分布,这为ECR离子源中微波耦合加热等离子体的研究提供了新的思路。在实验上系统地... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省

【文章页数】：131 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

国际知名先进加速器装置对离子源主要束流指标要求ECR离子源是一种磁约束等离子体装置

2.1 高电荷态 ECR 离子源概述ECR（电子回旋共振）离子源是用来产生高电荷态离子束的等离子体装置[6]，因其具有能够产生束流更强、电荷态更高的离子，且提供的束流稳定、可重复性好，无寿命问题等优点，被认为是目前产生直流或长脉冲强流高电荷态离子束的最有效装置。故而，自上世纪 80 年代以来，一直被作为加速器离子注入器的首选，它在提高加速器性能方面扮演着重要的角色。自首台第一代高电荷态 ECR 离子源在 20 世纪 70 年代的 Grenoble 建成以来，随着每一代离子源的发展，ECR 离子源在离子电荷态和束流强度方面不断飞跃提升。1987 年，ECR 离子源发明者 Geller 先生提出了 ECR 离子源半经验准则，即高电荷态ECR 离子源“Scalinglaw”，它预测了 ECR 离子源束流强度 与工作频率 f 之间的关系Iq∝ f2，这个关系在后来的各离子源中得到了证实。这表示，ECR 离子源在高的工作频率下，可以得到更高的性能，当然建造难度也随之提高，尤其体现在相应约束磁体的研制上。

图 2.3 波矢量与磁场方向夹角为 900和 00方向时不同波的矢量图解这时式（2.3）中的正负号分别对应于寻常波和非常波。当E //0y E ， 0zE ，即波的电场方向与磁场方向相同，习惯上称为波），见图 2.3（a）；当E B时, / /x y xiE E k k ， 0zE ，方向与磁场方向垂直，习惯上称为非常波（X 波），见图 2.3（b），振波。当 0时，波沿着平行于磁场的方向传播，即k// B ，此时式（正负号对应于右旋波和左旋波，如图 2.3（c，d）所示。当取正号/ 1yE ，这说明电场是右旋圆偏振的，即沿着电子拉莫尔回旋运转，称为右旋波（R 波）。当取负号时，有 / 1x yiE E ,这说明圆偏振的，称为左旋波（L 波）。


本文编号：2920951