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高频离子源等离子体特性研究

作　者: 唐平瀛
导　师: 丁伯南；戴晶怡
学　校: 中国工程物理研究院北京研究生部
专　业: 核技术及应用
关键词: 离子源等离子体发射光谱速率方程
分类号: TL61
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 544次
引　用: 4次
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内容摘要

在通过D-T反应产生中子的低能倍压加速器中，一般采用三种类型的离子源：高频离子源(RF)、潘宁离子源(PIG)和双等离子体离子源(DP)。其中，高频离子源以其很高的质子比(70％-90％)、长寿命和可靠的性能而得到了最广泛的应用。高频H型放电离子源属于等离子体离子源。离子源工作时，放电空间交变的轴向磁场和涡漩电场激发放电管中经钯管纯化后通入的氢气电离，形成等离子体。50多年来，关于高频离子源的研究报告很多，但是，这些研究主要都集中在应用研究方面，有关高频无极环形放电离子源的理论与实验模型研究不是很多。本文的研究内容主要包括以下几个方面： (1)从Maxwell方程组出发，推导了高频H型放电离子源放电空间的场分布。并采用Mafia软件进行了三维实体建模，计算了高频离子源放电击穿前和稳定工作后的电磁场分布，得到了高频离子源放电空间电磁场分布的直观图像。通过比较击穿前高频电场的轴向和幅向分量，得出了轴向电场在高频离子源击穿中起主要作用的结论，并进而推导出了高频离子源的击穿判据，得出了气体击穿时离子源击穿电压和放电管内气压的关系。 (2)采用发射光谱法研究了高频离子源的等离子体性质。实验采用绝对定标后的光学多道分析系统(OMA)测定了离子源等离子体不同时间和空间位置的氢原子巴耳末谱线系中前三条谱线(λ=656.28,486.13,434.05nm)的强度，并采用PLTE的理论和Abel变换方法，计算出了高频离子源等离子体的电子温度、氢原子浓度、氢离子浓度等参数在放电的不同阶段和径向分布情况，并进行了简要分析。 (3)提出了高频离子源等离子体的零维CRAM模型(Collisional Radiative Atomic and Molecular Model)，计算了非平衡态(NTE)下等离子体中分子、电子、离子、基态原子、激发态原子等粒子浓度，并在ZF-200keV中子发生器上，用60°磁分析器实验测定了引出束流的质子比。 (4)对高频离子源的束流引出原理作了理论推导和分析，着重研究了发射面的形成及其对引出束流特性的影响。采用ANSYS软件对不同结构的引出空间的静电场分布进行了计算。最后，采用MAGIC程序对高频离子源不同引出参数下的束流引出特性进行了数值模拟，得到了获得最佳的引出离子束所要求的等离子体发射面参数。本论文从等离子体发射光谱的角度研究高频无极环形放电离子源放电模型，理论计算出有关的等离子体参数，并进一步对放电等离子体进行针对性的诊断实验研究，同时高频离子源等离子体特性研究摘要对高频无极环形放电离子源中的物理过程进行研究，这种研究方法和实验手段对于高频离子源的研究有一定的创新意义。同时，本文的研究工作对于其他类型的等离子体离子源(比如小型密封中子发生器离子源)的研究也有重要的参考作用。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪言  8-20
  1.1 高频离子源研究概况  8-13
  1.2 本文所研究的高频离子源  13-18
  1.3 本文拟开展的工作及意义  18-20
第二章高频H型离子源的场分布  20-40
  2.1 高频H型放电离子源放电空间的场分布  21-25
  2.2 高频离子源击穿前轴向电场与涡旋电场的比较  25-26
  2.3 高频离子源击穿后轴向电场与涡旋电场的比较  26-28
  2.4 高频离子源气体击穿判据  28-32
  2.5 高频离子源放电空间场分布的数值模拟  32-35
  2.6 高频离子源击穿特性实验  35-36
  2.7 高频离子源工作过程的划分  36-38
  2.8 结论  38-40
第三章 PLTE条件下的高频离子源光谱诊断  40-52
  3.1 光谱诊断原理  40-42
  3.2 光谱诊断实验系统  42-43
  3.3 光学多道分析系统的定标  43-46
  3.4 光谱诊断实验结果  46-49
  3.5 高频离子源工作参数与等离子体参数的关系  49-51
  3.6 结论  51-52
第四章高频离子源等离子体参数的空间分布  52-65
  4.1 高频离子源放电等离子体参数的空间分布实验  52-53
  4.2 高频离子源等离子体发射光谱在Y方向的分布  53-57
  4.3 ABEL转换原理  57-59
  4.4 高频离子源等离子体参数的径向分布  59-63
  4.5 结论  63-65
第五章高频离子源放电模型  65-81
  5.1 高频离子源零维CRAM模型  65-71
  5.2 CRAM模型中的参数  71-76
  5.3 CRAM模型的数值计算及结果  76-77
  5.4 质子比的测定  77-81
第六章高频离子源束流引出特性  81-96
  6.1 束流引出原理  81-83
  6.2 发射面的调节  83-85
  6.3 束流引出空间的电场分布  85-90
  6.4 高频离子源的束流引出特性数值模拟  90-95
  6.5 结论  95-96
第七章总结  96-99
致谢  99-101
参考文献  101-106
附录攻读博士学位期间论文发表情况  106

高频离子源等离子体特性研究

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