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强流ECR质子源及束流引出和传输特性的研究

作　者: 冯哲
导　师: 张小章
学　校: 清华大学
专　业: 核科学与技术
关键词: ★质子源 束流强度 氢等离子体 低能束流输运段
分类号: TL503.3
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


强流ECR (Electron Cyclotron Resonance)离子源作为加速器系统的前端注入设备，其核心部件的设计是影响其工作性能以及产生束流品质的关键。ECR离子源具有结构紧凑，可产生高密度等离子体，性能稳定，可重复性好等优点。然而，由于其系统组成的特点，各个核心部件的性能都会影响产生束流的品质，尽管研究者们对于离子源的调试已经做过很多有借鉴意义的工作，但对影响其关键性能的主要因素和相关理论还不能做出令人信服的解释，因此我们需要在进行离子源的设计中，试图对能反映束流品质的关键部件和离子源中的等离子体参数进行正确的描述和理解。这种基于等离子体诊断来研究束流性能的方法也是目前国内外强流ECR离子源设计与研究领域所欠缺和需要的。为解决这一问题，本文以ECR质子源为研究对象，对ECR氢等离子体进行了发射光谱诊断和碰撞辐射模型研究。借助实验检验，优化了ECR质子源核心部件的设计，研究了束流引出以及传输特性。其创新之处体现在：一、将发射光谱诊断方法应用到ECR质子源中对ECR氢等离子体Blamer系氢原子的发射光谱进行诊断，依托辐射碰撞模型对氢等离子体的电子密度和温度进行计算，比较了连续和脉冲微波源工作模式下的氢等离子体密度随微波源参数的变化，工程上首次指出一个脉宽内激发态氢原子发射光谱随时间的变化规律，在时间尺度上对束流的脉冲化结果及脉冲微波源的设计提供了参考。二、在束流引出时，利用等离子体发射光谱诊断的方法有效地将不同微波功率下等离子体密度与束流强度的变化规律联系起来，并找到质子源引出束流的最佳气压值范围并探究其成因，提高了质子源的工作效率。三、初步研究了束流引出状态下不同引出电压及抑制电压对等离子体发射光谱的影响，以及束流引出时其对等离子体参量的影响，丰富了离子源关于束流引出的物理内容，对进一步提高束流强度和离子源工作的稳定性具有指导意义。本文还通过建造一套结构紧凑的质子源和低能输运段系统并对其核心参数进行理论计算和实验比较，系统地分析了系统关键部件的设计方法，优化其核心参数。利用发射光谱诊断方法，得到ECR氢等离子体参数随质子源核心部件和实验参数的变化规律，为提高ECR质子源的工作性能提供了参考。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 研究背景  9-16
  1.1 ECR 离子源的发展与现状  9-14
  1.2 ECR 离子源存在的主要问题与改进办法  14-16
第2章 ECR 质子源核心部件的物理设计和建造  16-32
  2.1 引言  16-17
  2.2 质子源设计  17-31
    2.2.1 源体结构设计  18-19
    2.2.2 微波系统设计  19-26
    2.2.3 磁场构型设计  26-28
    2.2.4 引出系统设计  28-31
  2.3 结论和讨论  31-32
第3章 ECR 质子源氢等离子体的发射光谱诊断研究  32-57
  3.1 ECR 等离子体的特性研究  32-36
  3.2 氢等离子体的碰撞辐射模型  36-46
    3.2.1 激发态氢原子的产生过程  41-44
    3.2.2 Balmer 系激发态氢原子粒子数密度与辐射碰撞模型  44-46
  3.3 ECR 氢等离子体的发射光谱诊断  46-57
    3.3.1 连续微波 ECR 源氢等离子体的发射光谱诊断  46-51
    3.3.2 脉冲微波 ECR 源氢等离子体的发射光谱诊断  51-57
第4章 ECR 质子源束流的引出特性研究  57-76
  4.1 束流引出的模拟计算  57-64
    4.1.1 束流引出的理论计算  57-59
    4.1.2 束流引出的软件模拟  59-64
  4.2 束流引出的实验特性  64-76
    4.2.1 ECR 质子源参数对束流强度的影响  65-70
    4.2.2 束流引出时等离子体对束流强度的影响  70-76
第5章 低能束流输运段强流质子束传输特性的研究  76-96
  5.1 LEBT 的发展与现状  76-78
  5.2 LEBT 的物理设计  78-89
    5.2.1 设计思想与布局  78-81
    5.2.2 LEBT 的光路计算  81-84
    5.2.3 磁聚焦与螺旋透镜的设计  84-88
    5.2.4 空间电荷中和效应  88-89
  5.3 LEBT 束流传输效率的实验研究  89-96
    5.3.1 质子源抑制电压对束流传输效率的影响  90-92
    5.3.2 气压对束流传输效率的影响  92-96
第6章 结论  96-100
  6.1 本文的主要结果和进一步工作建议  96-98
  6.2 本文的主要创新点  98-100
参考文献  100-107
致谢  107-109
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  109-110

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中图分类: > 工业技术 > 原子能技术 > 加速器 > 一般性问题 > 加速器结构和制造工艺 > 注入装置
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