高電荷態(tài)ECR離子源微波耦合研究
發(fā)布時(shí)間：2020-12-16 23:12
基于微波驅(qū)動(dòng)的高電荷態(tài)ECR（電子回旋共振）離子源是產(chǎn)生強(qiáng)流高電荷態(tài)離子束的最佳選擇。為滿足現(xiàn)代重離子加速器發(fā)展對(duì)強(qiáng)流高電荷態(tài)離子束的需求,離子源性能必須得到進(jìn)一步提升。在ECR離子源中,微波耦合加熱效果直接影響高溫高密等離子體的狀態(tài),對(duì)其性能至關(guān)重要。本論文對(duì)強(qiáng)流高電荷態(tài)ECR離子源微波耦合加熱的相關(guān)機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,提出了提高其性能的關(guān)鍵技術(shù)與方法。在24-28 GHz ECR離子源中,微波功率耦合普遍沿用傳統(tǒng)方案,即利用直徑32 mm的過模圓波導(dǎo)將TE01模直接耦合加熱ECR等離子體,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該傳統(tǒng)微波耦合方式的ECR離子源性能低于半經(jīng)驗(yàn)理論預(yù)期,尤其是高功率下的束流飽和現(xiàn)象,限制了離子源性能的進(jìn)一步提升,因此需要從微波耦合加熱等離子體方面取得突破,這不僅可以提升現(xiàn)有裝置的性能,也將為下一代ECR離子源的發(fā)展提供關(guān)鍵依據(jù)。本論文從高微波功率下ECR等離子體的穩(wěn)定性和微波吸收效率特性出發(fā),首次從行波角度利用天線輻射理論研究了不同微波耦合方式下ECR離子源弧腔中的電場(chǎng)功率分布,這為ECR離子源中微波耦合加熱等離子體的研究提供了新的思路。在實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)地...
【文章來源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所)甘肅省
【文章頁數(shù)】：131 頁
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
國(guó)際知名先進(jìn)加速器裝置對(duì)離子源主要束流指標(biāo)要求ECR離子源是一種磁約束等離子體裝置
2.1 高電荷態(tài) ECR 離子源概述ECR（電子回旋共振）離子源是用來產(chǎn)生高電荷態(tài)離子束的等離子體裝置[6]，因其具有能夠產(chǎn)生束流更強(qiáng)、電荷態(tài)更高的離子，且提供的束流穩(wěn)定、可重復(fù)性好，無壽命問題等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是目前產(chǎn)生直流或長(zhǎng)脈沖強(qiáng)流高電荷態(tài)離子束的最有效裝置。故而，自上世紀(jì) 80 年代以來，一直被作為加速器離子注入器的首選，它在提高加速器性能方面扮演著重要的角色。自首臺(tái)第一代高電荷態(tài) ECR 離子源在 20 世紀(jì) 70 年代的 Grenoble 建成以來，隨著每一代離子源的發(fā)展，ECR 離子源在離子電荷態(tài)和束流強(qiáng)度方面不斷飛躍提升。1987 年，ECR 離子源發(fā)明者 Geller 先生提出了 ECR 離子源半經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，即高電荷態(tài)ECR 離子源“Scalinglaw”，它預(yù)測(cè)了 ECR 離子源束流強(qiáng)度 與工作頻率 f 之間的關(guān)系Iq∝ f2，這個(gè)關(guān)系在后來的各離子源中得到了證實(shí)。這表示，ECR 離子源在高的工作頻率下，可以得到更高的性能，當(dāng)然建造難度也隨之提高，尤其體現(xiàn)在相應(yīng)約束磁體的研制上。
圖 2.3 波矢量與磁場(chǎng)方向夾角為 900和 00方向時(shí)不同波的矢量圖解這時(shí)式（2.3）中的正負(fù)號(hào)分別對(duì)應(yīng)于尋常波和非常波。當(dāng)E //0y E ， 0zE ，即波的電場(chǎng)方向與磁場(chǎng)方向相同，習(xí)慣上稱為波），見圖 2.3（a）；當(dāng)E B時(shí), / /x y xiE E k k ， 0zE ，方向與磁場(chǎng)方向垂直，習(xí)慣上稱為非常波（X 波），見圖 2.3（b），振波。當(dāng) 0時(shí)，波沿著平行于磁場(chǎng)的方向傳播，即k// B ，此時(shí)式（正負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)于右旋波和左旋波，如圖 2.3（c，d）所示。當(dāng)取正號(hào)/ 1yE ，這說明電場(chǎng)是右旋圓偏振的，即沿著電子拉莫爾回旋運(yùn)轉(zhuǎn)，稱為右旋波（R 波）。當(dāng)取負(fù)號(hào)時(shí)，有 / 1x yiE E ,這說明圓偏振的，稱為左旋波（L 波）。
本文編號(hào)：2920951
【文章來源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所)甘肅省
【文章頁數(shù)】：131 頁
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
國(guó)際知名先進(jìn)加速器裝置對(duì)離子源主要束流指標(biāo)要求ECR離子源是一種磁約束等離子體裝置
2.1 高電荷態(tài) ECR 離子源概述ECR（電子回旋共振）離子源是用來產(chǎn)生高電荷態(tài)離子束的等離子體裝置[6]，因其具有能夠產(chǎn)生束流更強(qiáng)、電荷態(tài)更高的離子，且提供的束流穩(wěn)定、可重復(fù)性好，無壽命問題等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是目前產(chǎn)生直流或長(zhǎng)脈沖強(qiáng)流高電荷態(tài)離子束的最有效裝置。故而，自上世紀(jì) 80 年代以來，一直被作為加速器離子注入器的首選，它在提高加速器性能方面扮演著重要的角色。自首臺(tái)第一代高電荷態(tài) ECR 離子源在 20 世紀(jì) 70 年代的 Grenoble 建成以來，隨著每一代離子源的發(fā)展，ECR 離子源在離子電荷態(tài)和束流強(qiáng)度方面不斷飛躍提升。1987 年，ECR 離子源發(fā)明者 Geller 先生提出了 ECR 離子源半經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，即高電荷態(tài)ECR 離子源“Scalinglaw”，它預(yù)測(cè)了 ECR 離子源束流強(qiáng)度 與工作頻率 f 之間的關(guān)系Iq∝ f2，這個(gè)關(guān)系在后來的各離子源中得到了證實(shí)。這表示，ECR 離子源在高的工作頻率下，可以得到更高的性能，當(dāng)然建造難度也隨之提高，尤其體現(xiàn)在相應(yīng)約束磁體的研制上。
圖 2.3 波矢量與磁場(chǎng)方向夾角為 900和 00方向時(shí)不同波的矢量圖解這時(shí)式（2.3）中的正負(fù)號(hào)分別對(duì)應(yīng)于尋常波和非常波。當(dāng)E //0y E ， 0zE ，即波的電場(chǎng)方向與磁場(chǎng)方向相同，習(xí)慣上稱為波），見圖 2.3（a）；當(dāng)E B時(shí), / /x y xiE E k k ， 0zE ，方向與磁場(chǎng)方向垂直，習(xí)慣上稱為非常波（X 波），見圖 2.3（b），振波。當(dāng) 0時(shí)，波沿著平行于磁場(chǎng)的方向傳播，即k// B ，此時(shí)式（正負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)于右旋波和左旋波，如圖 2.3（c，d）所示。當(dāng)取正號(hào)/ 1yE ，這說明電場(chǎng)是右旋圓偏振的，即沿著電子拉莫爾回旋運(yùn)轉(zhuǎn)，稱為右旋波（R 波）。當(dāng)取負(fù)號(hào)時(shí)，有 / 1x yiE E ,這說明圓偏振的，稱為左旋波（L 波）。
本文編號(hào)：2920951
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