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低能强流脉冲离子束的发射度与离子比测量

徐蓉  
【摘要】: 当今RFQ加速器已成为离子加速器发展的一个热点,在放射性核束加速装置,散裂中子源和加速器驱动洁净核能系统等重大科学工程以及小型加速器中子源等方面得到广泛应用。本论文介绍了国内外和北京大学重离子物理研究所在RFQ加速器及相关的ECR离子源、LEBT、发射度测量等方面的研究进展。目前北京大学重离子物理研究所正在研制基于RFQ加速器的中子照相装置,这就要求ECR氘离子源可在额定引出电压下引出足够强的束流,且具有高的D~+离子比和低的发射度;并要求LEBT具有高的传输效率。因此需要对其中的关键问题进行研究,包括各项因素对离子源引出束流的流强、发射度和D~+离子比的影响,以及这些参数经过LEBT传输后的变化;微波功率源调制对离子源引出束流的发射度和D+离子比的影响等。本论文主要围绕强流RFQ加速器、ECR离子源以及低能束传输系统进行实验研究,侧重建立强流脉冲离子束发射度和离子比的测量和数据处理方法,并对作为RFQ加速器的注入器的ECR离子源以及LEBT系统之后的发射度和质子比进行实验研究,为RFQ加速器的ECR离子源和LEBT系统的合理设计提供充分的依据。 束流发射度测量仪是束流诊断设备的主要装置之一。为研究ECR离子源和LEBT的发射度,北京大学研制了电扫描型单缝单丝(Allison型)强流离子束发射度测量仪。本论文针对强流脉冲离子束发射度测量的特点,建立了发射度测量的方法。为避免脉冲束采样过程中可能引起的脉冲丢失和束流不稳定的问题,在电扫描的每个阶梯电压下用高采样频率(6kHz)对多个脉冲进行采集,对多组数据求取平均值计算每个数据点。并根据强流束本底高,束晕明显的情况,利用扣除本底、再设置阈值的方法对数据进行处理,该方法能够得到较为准确的发射度结果。在此基础上,完成了电扫描型单缝单丝强流离子束发射度测量仪的控制、测量和数据处理软件的编写。在发射度仪在线调试过程中,发现测量盒内部真空度过低,接收极无法测量到信号。为此在每个绝缘条上开凹槽,提高了测量盒内部真空度。此外还解决了整个测量盒的屏蔽接地问题。 对ECR质子源PMECR-II的研究表明,引出束流的归一化均方根发射度随束流强度增加,但对引出电压的变化不敏感。存在一个最佳进气量使发射度最小,约在0.25-0.35π. mm. mrad。等离子体电极采用5mm直径引出孔较7mm引出孔可给出更小的发射度。在实验中还测量了螺线管之后不同质量离子的发射度相图,证实该发射度仪可有效避免多缝方法中存在的相邻狭缝间的束流叠加现象。 努力提高D+离子比(质子比)具有重要意义。高的D~+离子比(质子比)意味着可以降低对总束流强度的要求,亦可以减小无用离子引起的额外负载。本论文研究了脉冲离子束中不同离子成分的脉冲波形差异,建立了离子源引出系统之后和LEBT之后离子比的测量以及数据处理方法。实验发现,运行在脉冲模式下的ECR离子源,质子比达到稳定值所需的上升时间大约为几百微秒。因此,当束流被注入RFQ加速器时,可以从离子源引出更长的脉冲宽度并且弃用束流脉冲的初始部分。这样就可以减少RFQ加速器对无用束流的加速。 质子束实验结果表明,平均质子比随着微波功率的增大而增大,但是当微波功率增大到一定程度,质子比的增长将达到饱和,不再随微波功率升高;平均质子比随着脉宽的增大而增大;而且在功率一定的情况下,质子比存在一个最佳的进气量。分别采用石英、铝、不锈钢和陶瓷等材料做放电室的内衬,研究不同材料对质子比的影响,以及不同材料的放电效率和束流稳定性的实验研究。实验表明,陶瓷在提高净质子束流强方面效果最佳,其质子比可高达94%。 本论文还研究了ECR氧离子源的发射度和O~+离子比,其归一化均方根发射度在0.12-0.16π.mm.mrad,改变聚焦电压值可使束腰位置在RFQ腔入口前80mm到入口后80mm之间移动。在合适的进气量与微波功率下,其O~+离子比可达85%,净O~+离子流强可达5mA。 本论文的主要创新点和特色是:①针对强流脉冲离子束发射度测量的特点,建立了强流脉冲束的发射度测量和数据处理方法。②系统的研究了离子比的测量和数据处理方法,特别针对脉冲束的离子比测量进行了详细的研究,建立了平均质子比和平顶质子比的测量方法。 本论文还讨论了实验中存在的问题,并对进一步的研究提出了建议。


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