高电荷态ECR离子源的设计与实验研究

本文详细论述了三种各具特色的高电荷态ECR离子源的设计与研制，它们分别是：14．SGHz全永磁高电荷态ECR离子源LAPEC咫、传统常温ECR离子源GTS、混和超导ECR离子源HECRIS。另外，还从理论与实验两个方面对ECR离子源多电荷态离子束流的引出进行了详细研究。设计研制了一台高性能14．SGHz全永磁ECR离子源LAPECRZ，该离子源的设计尺寸为杯50mm*560mm，重量可达9ookg以上，为目前世界上体积与重量最大、设计参数最高的全永磁ECR离子源。全永磁离子源的尺寸增大一些，其加工与研制所存在的难度将会有质的变化。研制LAPEC形所存在的技术难度大大超过了以往所有全永磁ECR离子源。LAPECR2的磁场参数为：注入磁场1 ．4T，如果加注入端辅助铁扼，磁场可达2．6T；引出磁场为1 ．1T；六极永磁体在弧腔内壁产生的最大径向磁场的设计值为1．22T，实际加工得到的磁场大小为1．2T，与计算结果基本一致。该离子源的设计采用了多种特殊技术与方法以提高引出高电荷态离子束流强度，如：双层含铝衬底的等离子体弧腔、铝制等离子体电极、冷阴极电子枪（注入端负偏压电极）、旁轴微波直接馈入与等离子体位置相对于磁场可调等等。目前，我们已开始源体的组装。GTS离子源为目前世界上运行性能最好的常温ECR离子源之一。它的设计指导思想是ECR离子源的经验结论scaling Laws，高磁场、高磁镜比，高磁场梯度是该离子源磁场设计的主要特点。设计时充分考虑了多频加热机制，允许多频功率同时馈入弧腔：IOGHz＋14GHz＋18GHz＋ZSGHz。良好的磁场约束、灵活的磁场结构设计、高频率大功率微波馈入、大体积弧腔、足够的冷二次电子注入、优良的真空抽气系统、以及有效的束流引出系统等等都是该离子源高性能表观的原因。经过近一年半的优化与调试，该离子源运行性能优良，能产生很多领先国际伺类ECR源的离子束流，如：1.95emAO6+，O·semAArll”，o．15e拜AArl犷，31Oe瘩建叙e，哪se拼A豁岁”与0.4eμAXe39+为18GHz时调试的结果：1.OemAAr8+，1.8eμAAr17+24OeμAXe20+ ，20eμAxe30+与0.3oe从Axe38＋为在14GHz调试的最好结果。该离子源已多次为原子物理实验提供了Ar17+与Ar18+等高电荷态离子束流。HECRIS是一台高性能混和超导ECR离子源，其各项设计参数均高于GTS源，以保证该离子源能具有比GTS更好的性能。它的最小B场型设计继续沿袭现在ECR离子源设计惯用的Scaling Laws设计思想。该离子源采用较高频率的微波馈入，设计运行范围为18GHz-24GHz。该离子源着重于在运行调试中实现对轴向最小磁场Bmin的调节与匹配，这里采用两组超导线包进行辅助调节。径向磁约束由一个能在弧腔内壁产生1．6T径向磁场的六极永磁体提供，它强磁场设计与部分磁块存在的退磁问题的解决也是该离子源的一大特点与难点。文中还详细讨论一个高性能的Halbach结构六极永磁体的设计方法。分别从永磁材料选取、物理尺寸优化、结构选择等角度，结合理论分析与PolssON，PERMAG和TOscA3D程序的模拟计算结果，对六极永磁体的性能进行了全面的分析，提出两种确定六极永磁体中存在退磁磁块的办法，并且提出了一种用高极化矫顽力永磁材料替代退磁磁块中所采用的永磁材料的解决办法。对多电荷态ECR离子源的引出进行了理论与实验两方面的研究。利用PBGUNS程序，对ECR离子源的引出系统进行了一定的理论分析。通过模拟计算，详细地论述了引出系统的各主要物理参数对ECR离子源引出离子束流品质的影响。这些得到的结果，对设计一套高性能的ECR离子源引出系统具有一定的指导意义。结合理论分析，我们还设计完成了一系列关于ECR离子源引出系统的实验，来研究多电荷态离子束流的引出与短距离传输。采用电扫描发射度测量系统（ESS）探测离子束流在x与y方向的发射度，用两个荧光靶分别在束运线不同位置探测束流的束斑形状，并利用一个亮度探测器对束斑相对亮度进行探测。通过多组实验结果的处理，分别分析了离子源的几个主要参数如磁场、微波、掺气、偏压等对引出束流品质的影响并结合相关理论给予了解释，通过对混合多电荷态离子束流的三电极引出实验结果的讨论，建立了一个关于高电荷态ECR离子源束流引出的较为清晰的物理图象。