2ANBI離子源的設計、離子束和電子束特性研究報告人：雷光玖中性束加熱研究、行波管研究組2004.3.122ANBI離子源的設計、離子束和電子束特性研究提要：一、HL-2ANBI設計

1.HL-2A中性束系統參數。2.離子源物理設計及離子源工程設計完成情況二、涉及中性束系統方面的研究

1.單束離子束研究a.等離子體建立時間和氣體密度的關系b.單離子引出特性c.不同能量下的束分布d.實驗結論和問題2.離子源引出系統工藝研究3.軟磁材料4.中性束離子偏轉磁場的計算和測量5.桶式等離子體發生器的會切場分布研究

提要：一、HL-2ANBI設計三、RF離子源調研。

四、電子束研究的進展

1.電子軌跡計算2.實驗進展。五、結尾2A-NBL-離子源的設計、離子束和電子束特性研究課件注入離子D,H中性束能量60keV束功率~4MW脈寬~2sec注入方向切線注入離子源數4（在一條束線上2個離子源）束線數2HL-2A中性束注入器注入離子HL-2A離子源波紋管支撐系統副真空室主真空室偏轉磁鐵熱測靶鈦泵波紋管中性化器離子吞噬器HL-2ANBI束線系統結構示意圖閘閥閘閥束線HL-2A離子源波紋管支撐系統副真空室主真空室偏轉磁鐵熱離子源物理設計：源的總體設計考慮桶式離子源的特點放電室的設計離子源中會切磁場的分布燈絲陰極設計放電穩定設計反向電子流問題的處理離子源放電參數的計算離子源引出系統設計發射面的會聚（發散）小束散角放電室和電極冷卻工程設計完成情況離子源物理設計：源的總體設計考慮離子源型桶式離子加速方式加速-加速-減速小束形狀縫形電極冷卻方式即時冷卻離子種類D,H離子能量60keV離子束流55A離子束功率3.3MW脈寬~2sec

離子源參數：離子源型桶式離子源的特點

是以局部的強磁場將放電室陽極屏蔽起來，而在很大的放電空間內保持磁場幾乎為零。這樣既可約束等離子體，又可避免強磁場引起的等離子體密度分布的不均勻性和不穩定性。由于放電室陽極面積大部分被磁場屏蔽，使等離子體體積與離子損失面積之比大大增加。從而增加了帶電粒子的約束時間，使離子源的氣體效率，放電效率和質子含量都得到提高。同時，桶式源還有結構簡單，使用方便等優點。桶式離子源的特點源的總體設計：源型：桶式源。幾何結構：矩形結構

離子流密度：引出電流密度限制在≤0.25A/cm2電極透明度：0.4源的規模：HL-2A裝置有兩個注入窗口，采用兩條注入束線，總的中性束功率4MW，每條束線2MW

源的總體設計：源型：桶式源。放電室的設計：放電室尺寸：55cm×26cm

×24cm會切場設計：高磁場強度的釤鈷磁鐵Sm-Co）安裝在放電室外壁產生多磁極線會切場形，放電室內表面的磁場強度1.3-1.7KG。軸向線會切排列，沿放電室周邊排列40列磁鐵，長邊26列，短邊14列，長邊磁鐵間距為4cm（靠兩端各為3.5cm），短邊為3.5cm（靠邊緣各為2.5cm）。放電室體積V=34.2×103cm3,即34.2ι，放電室內表面積S=6.75×103cm2,放電室體積與內表面積之比V/S=5.1，會切線長度L=1123cm。

放電室的設計：放電室尺寸：55cm×26cm×24cm燈絲陰極設計：

燈絲形狀：U字形燈絲不但使放電穩定、弧效率高，而且等離子體均勻度對弧壓、供氣率和磁場的變化不敏感。燈絲尺寸和數量：燈絲直徑1.5mm，燈絲長度20cm，燈絲電壓控制范圍：10V-15V。燈絲位置和擺放：1.放置在無磁場區（B＜20G）2.燈絲距等離子體電極不能太近，否則引出束中原子離子的含量將下降，分子離子的含量將上升.3.燈絲位置應避開反向電子的轟擊。燈絲的兩種工作模式:1.燈絲陰極可以工作在發射限制狀態.2.空間電荷限制狀態。燈絲陰極設計：燈絲形狀：U字形燈絲不但使放電穩定、弧效率根燈絲排列示意圖和燈絲形狀根燈絲排列示意圖和燈絲形狀放電穩定設計：改變陽極面積。改變燈絲排列和燈絲電流方向。使燈絲陰極工作在發射限制狀態。選擇合適的氣體和較高的弧壓。使用D2放電代替H2放電。(3.2)式中，ne為等離子體密度（cm-3）,Te為電子溫度（ev），Ia為放電電流（A）有效陽極面積應滿足：放電穩定設計：改變陽極面積。(3反向電子流問題的處理：盡量降低源的氣壓；加厚和成型抑制極；放電室背極采用導熱率高的無氧銅，將其厚度增加到5mm，使冷通道盡量靠近會切線；對弧流進行反饋控制。反向電子流問題的處理：盡量降低源的氣壓；離子源放電參數的計算：氣壓對放電特性的影響及氣壓參數（略）。放電電壓對放電特性的影響及放電電壓參數（略）等離子體參數和會切磁場參數的計算（略）燈絲陰極熱電子發射電流（略）放電電流的計算（略）燈絲工作參數計算（略）供氣率計算（略）離子源放電參數的計算：氣壓對放電特性的影響及氣壓參數（略離子源引出系統設計：電極數目。孔縫形狀。聚焦方式。電極引出面積尺寸的確定。電極參數的確定。離子源引出系統設計：電極數目。大功率離子源引出-加減-減速四電極系統（兩級加速系統）的電極結構示意圖Vext=V1-V2Vacc=V2-V3=V2+︱V3︱Vdec=V3-V4=V3V4=0電壓比Г=Vacc/Vext縱橫比S=r1/d1=a1/d1間距比f=d2/d1場比=Г/f大功率離子源引出-加減-減速四電極系統（兩級加速系統）的電極發射面的會聚（發散）小束散角：

散角的值大于零為會聚，小于零為發散。P為引出間隙的導流系數，P=I/Vext3/2，Po為平面二極管導流系數。

發射面的會聚（發散）小束散角：散角的值大于零束散角隨導流系數P/P0和電壓比Г的變化：

束散角隨導流系數P/P0和電壓比Г的變化：孔縫形狀：采用縫形結構。0.4的電極透明度，引出面積573cm2，透鏡效應：ψ=-2a/3d1空間電荷場：Ey=ρy/ε0等離子體密度不均勻造成的束散角：Δθ≈33.2(a/d1)(Δne/ne)孔縫形狀：采用縫形結構。0.4的電極透明度，引出面積573聚焦方式：長邊（垂直方向）采用電極柵傾角聚焦。傾斜1.53o。短邊（水平方向）不聚焦。聚焦方式：長邊（垂直方向）采用電極柵傾角聚焦。傾斜1.53電極引出面積尺寸引出電流55A引出離子流密度0.24A/cm2電極透明度0.4引出面積573cm2長邊尺寸為42.4cm，短邊尺寸為13.4cm。電極引出面積尺寸引出電流55A電極參數：每層電極片分成4塊，每塊短邊縫的長度為13.4cm，長邊尺寸分別為10cm,11cm,11cm,10cm。電極材料均為無氧銅，電極冷卻采用將冷卻水管埋設在電極內的即時冷卻束聚焦方式，長邊采用傾角聚焦，將每層電極兩邊兩塊電極柵朝向軸線傾斜1.53o，形成6m的束焦距，短邊方向不聚焦。電極參數：每層電極片分成4塊，每塊短邊縫的長度為13.4c60KeV，55A，2S引出系統電極結構示意和數字模擬：

各電極電位分別是60KV，46KV，-2KV，0KV，電壓比Г=3.43，電極間距比f=1.5場比Γ/f=2.29，等離子體電極縫寬3.5mm,共50條縫，有效引出面積234.5cm2,電極透明度為0.4，按0.24A/cm2的引出離子流密度計算，引出離子流56.3A60KeV，55A，2S引出系統電極結構示意和數字模擬：電極間的絕緣采用環氧玻布板做各電極間的絕緣子。絕緣子與各電極法蘭用環氧膠和螺釘在真空中分別固定，以免間隙中有氣泡影響真空和絕緣。根據模擬計算各電極間的電壓分別為：u1=60KV;u2=42KV;u3=-2KV;第一、二和三、四間的有效絕緣長度是2.5cm，第二、三間的有效絕緣長度為10.8cm。采用3240環氧酚醛層壓玻璃布板，它的表面電阻率≥1×107MΩ，體電阻率≥104MΩ·m完全滿足絕緣要求。電極間的絕緣采用環氧玻布板做各電極間的絕緣子。絕緣子與各電極放電室和電極冷卻參數名稱電壓（V）電流（A）脈沖長（秒）產生的量(大卡)燈絲1027001064.53弧流8510502.553.3束能量600005521577.4冷卻水管為φ2×0.3的無氧銅管共計54根水的流速為5.5m/s泵的壓力為1.5×106Pa放電室和電極冷卻參數電壓電流脈沖長產生燈絲102700106離子源工程設計完成情況：等離子體發生器設計已經完成（工程圖）加速系統的工程設計已經完成（工程圖）

離子源工程設計完成情況：等離子體發生器設計已經完成（工程圖）二、涉及中性束系統方面的研究

1.單束離子束研究

a.等離子體建立時間和氣體密度的關系

b.單離子束引出特性

c.不同能量下的束分布

d.實驗結論和問題

2.離子源引出系統工藝研究

3.軟磁材料

4.中性束離子偏轉磁場的計算和測量

5.桶式等離子體發生器的會切場分布研究

6.IGBT和MOSFET串聯初探

二、涉及中性束系統方面的研究

1.1-放電室；2-燈絲支桿；3-送氣管；4-Sm—Co永久磁鐵；5-等離子體柵極；6-引出（地）電極；7-高壓石英玻璃絕緣環；8-固緊絕緣柱；9-聚四氟乙烯絕緣片；10-燈絲1-放電室；2-燈絲支桿；3-送氣管；4-Sm單束離子束研究*等離子體發生器會切磁場的分布圖

在中心大約φ4.5cm區域內的磁場小于15GS，被稱為無磁場區。這種結構保證在這個區域內的等離子體足夠均勻。放電室壁附近的磁場強度約為2800GS。單束離子束研究*等離子體發生器會切磁場的分布圖在中放電功率與等離子體的密度放電功率與等離子體的密度等離子體建立時間和氣體密度的關系等離子體的建立時間在28μs~400μs范圍變化真空在8.1×10-3Pa~7.5×10-2Pa

存在最小上升時間的。氣壓工作范圍（約3.6×10-3Pa）

等離子體建立時間和氣體密度的關系等離子體的建立時間在28μs等電位和場分布等電位和場分布離子束在不同能量下的分布情況

研究結果認為離子引出的成束特性與引出電壓，即加速區的電場大小有非常密切的關系，即理論上說的ji=jaec時，有最佳分布。

離子束在不同能量下的分布情況研究結果認為離子引出的成束特性實驗結論：對于確定的等離子體密度，只有在能量大于一確定的值后，才有較好的束特性。等離子的穩定對離子的引出和加速很重要。氣體密度對等離子體放電、改善等離子體的建立時間、建立穩定的等離子體和加速離子和電子很重要。實驗結論：對于確定的等離子體密度，只有在能量大于一確定的值后軟磁材料:超微晶軟磁材料軟磁材料:超微晶軟磁材料成都鐵氧體成都鐵氧體普通特氧體普通特氧體中性束離子偏轉磁場的計算和測量

中性束離子偏轉磁場的計算和測量

2A-NBL-離子源的設計、離子束和電子束特性研究課件2A-NBL-離子源的設計、離子束和電子束特性研究課件實驗測量和計算對比：電流Im(A)計算值(Gs)測量(Gs)計算值-測量(Gs)247850790+6017861359518118406420-14實驗測量和計算對比：電流Im(A)計算值(Gs)測量(桶式等離子體發生器的會切場分布研究兩方面的磁場隨徑向的變化等離子體電極附近的高斯等磁曲線

桶式等離子體發生器的會切場分布研究兩方面的磁場隨徑向的變化不同平面內15高斯等磁線分布圖

（a）Z1=–25.5cm（b）Z2=–18.5cm（c）Z3=–6.25cm不同平面內15高斯等磁線分布圖（a）Z1=–25.5cmRF離子源調研RF等離子體發生器主要由：大功率RF發生器，高壓隔離耦合器，調配器，RF天線，由會切場約束的等離子體放電室，法拉第屏，送氣系統、冷卻系統等組成。等離子體的密度（ni）:1011-1012/cm3(可控)等離子體的體積約：25cm×55cm×19cm等離子體的均勻度（在引出區域）：<10%RF功率：140KW（可控）高壓隔離度：>70KV脈沖寬度（τ）：>2SRF離子源調研RF等離子體發生器主要由：大功率RF發生器，大功率RF離子源放電室和電源連接示意大功率RF離子源放電室和電源連接示意需要研究的內容：由RF激發的等離子體產生技術等離子體約束技術RF天線技術由RF激發的等離子體特性研究由RF激發的等離子體均勻性研究在高RF