倍压型移动式加速器束流光学研究

论文摘要

束流光学系统是用于产生D-D或D-T中子的倍压型移动式加速器中最重要的组成部分。它由离子源及束流引出系统、预聚焦透镜、加速管、漂移段和二次电子抑制装置等构成。在倍压型移动式加速器中,高频离子源用于产生等离子体,其中的氘离子经引出形成束流,经过预聚焦透镜、加速管和漂移空间传输到靶上,与靶核（D或T）发生核反应产生中子。在束流传输过程中,束流与靶和漂移空间的相互作用会产生大量的二次电子,二次电子抑制装置用于阻止二次电子进入加速管影响加速管的负载能力和击穿特性。本文从以下三个方面对倍压型移动式加速器的束流光学系统进行了研究：1)在第二章中,基于发射面与Ep所代表等电场面重合的假设,得到了一种用于计算离子源发射面位置和形状的方法。利用该方法可以减小离子源引出模拟时的迭代次数,缩减模拟所需的计算时间。结合实验和模拟方法,对影响倍压型移动式加速器中高频离子源的引出特性的因素进行了研究：引出束流随引出电压的增加先增大后减小；引出电压改变时最佳引出束流随等离子体密度的增加逐渐增大；最佳引出束流随放电管内气压的增大先增大后减小；最佳引出束流随轴向磁场强度的增加逐渐增大。2)在第三章中,采用传输矩阵法编写了计算束流在轴对称静电场中传输的程序ACCE。该程序可以用于非线性效应可以忽略的各种复杂轴对称静电场中的束流传输计算,且所需计算时间很短。利用ACCE程序对倍压型移动式加速器引出之后的束流传输进行了模拟和设计。倍压型移动式加速器采用不等径双圆筒透镜作对束流进行预聚焦；采用三圆筒双间隙加速电极对束流进行加速。模拟结果显示：对于最终设计的束流传输系统,通过调节预聚焦电压的大小可以使束流保持匹配状态,并使靶上束斑直径小于10mm。3)在第四章中,利用氘离子自溅射的方式清除氘化钛表面的氧化层和吸附气体,首次比较准确地测得了氘离子轰击氘化钛靶的二次电子产额随入射氘离子能量的变化：二次电子产额随入射氘离子能量先升高后降低。氘离子轰击下氘化钛靶的二次电子产额最大值为143keV时的1.37；在氘离子能量为254keV时,其二次电子产额为1.20。对倍压型移动式加速器的二次电子抑制装置进行了模拟和设计。可以分别采用横向磁场抑制或静电抑制两种方式来实现对二次电子的抑制。在磁场区域长度L与横向磁感应强度B的乘积满足B·L≈5×10-5m·T时,或者抑制电极上所加负压小于-250V时,可以对二次电子进行有效的抑制。本文针对倍压型移动式加速器的束流光学系统,对高频离子源及其引出、束流传输和二次电子发射及抑制等进行了研究。研究结果可以为倍压型移动式加速器的设计、加工和调试提供依据；对其它同类型的加速器也有一定的参考作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 加速器中子源
• 1.1.1 加速器中子源及其应用
• 1.1.2 加速器中子源研究现状
• 1.1.3 倍压型移动式加速器中子源
• 1.2 倍压型移动式加速器束流光学系统
• 1.2.1 加速器束流光学研究历史和现状
• 1.2.2 倍压型移动式加速器束流光学系统基本构成
• 1.3 本论文的研究目的与研究内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 高频离子源及其引出特性研究
• 2.1 离子源束流引出原理
• 2.2 离子源束流引出研究方法
• 2.3 离子源发射面位置的计算
• 2.3.1 方法的提出
• 2.3.2 发射面计算方法及结果
• 2.3.3 发射面位置计算的验证
• 2.4 高频离子源束流引出模拟
• 2.4.1 引出结构及初始条件设置
• 2.4.2 引出电压对引出束流的影响
• 2.4.3 电极间距l对引出束流的影响
• 2.5 高频离子源及其引出特性实验
• 2.5.1 高频离子源实验
• 2.5.2 放电管温度分布
• 2.5.3 引出束流与引出电压及气压的关系
• 2.5.4 引出束流与磁场强度的关系
• 2.5.5 高频离子源的引出束流
• 2.6 本章内容小结
• 第3章 倍压型移动式加速器束流传输段的设计
• 3.1 轴对称静电场元件的束流光学模拟程序
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 束流状态描述
• 3.1.3 折点近似法
• 3.1.4 强流束的束流传输
• 3.1.5 程序实现
• 3.1.6 与其它程序的对比
• 3.2 加速管结构
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 加速电极
• 3.2.3 绝缘环
• 3.2.4 屏蔽电极
• 3.2.5 均压和过压保护
• 3.3 倍压型移动式加速器束流传输计算
• 3.3.1 束流初始状态
• 3.3.2 预聚焦透镜对束流传输的影响
• 3.3.3 预聚焦透镜及加速管中的电势分布
• 3.3.4 预聚焦透镜及加速管中的束流传输模拟
• 3.4 本章小结
• 第4章 二次电子发射及抑制研究
• 4.1 二次电子发射及抑制研究的意义
• 4.2 离子诱发二次电子发射的半经验理论
• 2靶的二次电子产额测量'>4.3 TiD₂靶的二次电子产额测量
• 4.3.1 实验装置
• 4.3.2 靶表面处理
• 2和Ti表面的二次电子产额'>4.3.3 TiD₂和Ti表面的二次电子产额
• 4.3.4 份额因子B的确定
• 4.4 倍压型移动式加速器的二次电子抑制
• 4.4.1 二次电子抑制结构
• 4.4.2 二次电子的磁抑制
• 4.4.3 二次电子的静电抑制
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 本文的主要结论
• 5.2 论文主要创新点
• 5.3 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录