强流高电荷态离子的产生及电势阱的研制

来源 :中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:shilei881222
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强流高电荷态离子束流的产生是现代重离子加速器发展的核心技术之一,也是以原子核物理为代表的基础研究所必备的条件。本研究以获得强流难熔高电荷态金属离子束流为目标,提出并研制成功了一种工作于高温状态的新结构金属微型炉;以获得脉冲高电荷态离子束流为目标,提出一种全新的离子阱概念,并通过理论分析、仿真研究及搭建原型样机验证了其可行性。本论文以强流高电荷态离子束产生的新技术、新原理、新装置研究为目标,主要内容分为两部分:(1)难熔金属离子产生新技术研发。为了在ECR(Electron Cyclotron Reso-nance)离子源有限的空间中使用容量尽可能大的高温炉,同时考虑炉子电结构在强洛伦兹力作用下的使役寿命以及其经济性与可靠性,需要对专用高温炉的结构进行特殊设计。本研究给出了一种全新设计理念的电阻加热式高温炉,抛弃传统的使用金属箔片作为高温炉坩埚的思路,采用特殊陶瓷作为坩埚,且利用工业上成熟的加热丝,成功获得了1800℃以上的高温。离线测试表明设计的高温炉具有良好的稳定性。(2)强流高电荷态离子阱原理样机研究。为了充分利用高电荷态ECR离子源输出的直流束流,提高高电荷态离子束的短脉冲束流峰值,提出了一种全新的基于离子约束阱的强流脉冲离子束产生装置ITRIP(Ion TRap for high Intensity Pulsed beams),将ECR离子源引出的离子束流进行压缩并累积,累积到一定程度时在短时间内引出,以期获得数倍于直流束流强的强流短脉冲离子束。论文研究工作提出了ITRIP的创新概念,分别从解析分析、仿真计算论证了其可行性与预期性能,在此基础上完成了Po P(Proof of Principle)样机的设计,并搭建平台完成了Po P的初步测试。从模拟上对比了不同电子枪结构的特点,根据约束的目标电荷态离子,给出了相应的设计参数,并在此基础上设计了离子阱的结构。原创性地引入束流压缩段,利用电势的移动对离子进行压缩,随后注入约束段中,在模拟上给出了离子的约束效率,并对离子的约束过程进行了详尽分析;在PoP装置上,实现了多个脉冲电源之间的时序控制,从而验证了压缩段的有效性。对不同电荷态的O离子和Ar离子进行了累积与引出实验,结果表明所设计的离子阱结构能有效实现离子的约束和累积。受限于真空系统的设计,ITRIP复杂的系统结构以及实验平台上ECR离子源的性能,PoP装置未能完成更高电荷态离子束约束与累积的相关测试,仍有很多工作留在将来优化。
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