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《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》 2018年
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高电荷态ECR离子源微波耦合研究

郭俊伟  
【摘要】:基于微波驱动的高电荷态ECR(电子回旋共振)离子源是产生强流高电荷态离子束的最佳选择。为满足现代重离子加速器发展对强流高电荷态离子束的需求,离子源性能必须得到进一步提升。在ECR离子源中,微波耦合加热效果直接影响高温高密等离子体的状态,对其性能至关重要。本论文对强流高电荷态ECR离子源微波耦合加热的相关机制进行了系统的研究,提出了提高其性能的关键技术与方法。在24-28 GHz ECR离子源中,微波功率耦合普遍沿用传统方案,即利用直径32 mm的过模圆波导将TE_(01)模直接耦合加热ECR等离子体,实验结果表明采用该传统微波耦合方式的ECR离子源性能低于半经验理论预期,尤其是高功率下的束流饱和现象,限制了离子源性能的进一步提升,因此需要从微波耦合加热等离子体方面取得突破,这不仅可以提升现有装置的性能,也将为下一代ECR离子源的发展提供关键依据。本论文从高微波功率下ECR等离子体的稳定性和微波吸收效率特性出发,首次从行波角度利用天线辐射理论研究了不同微波耦合方式下ECR离子源弧腔中的电场功率分布,这为ECR离子源中微波耦合加热等离子体的研究提供了新的思路。在实验上系统地研究了HE_(11)微波模式,以及不同波导口径微波耦合对高电荷态离子束产额的影响。通过模拟分析和实验优化,创新性地提出了一种利用TE_(01)模小口径波导的微波耦合方式,显著提高了离子源的性能(束流增益30%)。利用该技术在近代物理研究所超导ECR离子源SECRAL和SECRAL-II上产生了诸如1.42 emA的Ar~(12+)、1.04 emA的Ar~(14+)、1.1 emA的Xe~(26+)、0.92 emA的Xe~(27+)等一批强流高电荷态离子束的世界纪录。美国LBNL实验室采用这项技术后,也大幅提升了其28 GHz VENUS离子源的性能,验证了该技术的有效性。为了满足我国强流重离子加速器装置HIAF(High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility)的束流指标需求,近代物理研究所在国际上率先开展了45GHz第四代ECR离子源FECR的研制,这面临着诸多物理与技术的挑战,其中45 GHz/20 kW的微波高效耦合加热ECR等离子体是一项关键技术。我们基于第三代装置的研究提出了准光学结合波导的微波传输耦合方式,实现了微波的高效传输馈入,首次在ECR源中产生了稳定的45 GHz ECR等离子体,引出了强流高电荷态离子束。另外,我们还利用该45 GHz微波系统首次研究了28+45 GHz双频加热和28+45+18 GHz三频加热的工作模式,通过对ECR等离子体稳定性的有效提高,产生了一批极高电荷态重离子束流的世界新纪录,如53 eμA的Xe~(38+),17 eμA的Xe~(42+)等。最后在系统总结论文研究工作的基础上,给出了下一代高频率ECR离子源实现微波高效耦合加热等离子体的技术方案。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TL503.3

【参考文献】
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