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上海EBIT装置优化改造

路迪  
【摘要】:高电荷态离子(Highly Charged Ion,简称HCI)是宇宙中物质的重要存在形式。通过对高电荷态离子的原子过程和光谱学研究,可以为热等离子体的精确模拟和诊断提供依据,例如等离子体温度、密度、电磁场、离子运动,等等。电子束离子阱(Electron Beam Ion Trap,简称EBIT)装置是实验室中产生高电荷态离子的技术手段之一,其原理是基于电子连续碰撞电离产生高电荷态离子并通过电磁场对其进行约束。EBIT装置集光源与离子源于一身,原则上可以产生周期表中任意元素的任意电荷态。其电子束能量单一可调,有利于分解研究等离子体中的原子过程。上海EBIT装置是国内首台也是唯一一台EBIT装置。于2005年投入使用,累计运行4年时间。运行期间,上海EBIT装置暴露出了许多问题,并于2009年6月停止运行。最终通过3年多的努力,优化改造后的新上海EBIT装置于2013年年初重新恢复使用,并稳定出束。本论文的主要工作是上海EBIT装置的优化、改造、测试及初步实验研究,包括以下方面内容:1)优化改造方案设计。包含了超导、低温、超高真空系统的设计规划;各分系统中核心零部件材料的甄选;系统高压的评估和采取的防护措施;系统准直方案的设计和技术路线的确立。21项目进程中的各阶段性测试。包含了电光学系统的模拟;超导磁体中心场强及磁场均匀度的测试;低温系统的降温测试;真空系统检漏、烘烤、低温下极限真空度的测试;微量气体注入系统的测试;各工况下系统准直同心度的测试。初步测试表明,改建后的新上海EBIT装置各子系统性能优异,工作高效、稳定。31装置的总体性能及物理实验研究探索。包含了电子束流调试;电子束径测量及密度诊断;电子束能量展宽测量;金属蒸汽真空弧流源(Metal Vapor Vacuum Arc,简称MEVVA)金离子注入测试;类氦到类氧钨离子KLL双电子复合实验研究。这些工作在不同方面体现了新上海EBIT装置的优异表现。目前,由于电子枪阴极本身性能的原因,电子束流强度和密度还未达到预期目标。200 kV高压电源还未购得备品,高能锻炼受到一定的限制。高能下MEVVA源注入测试还不理想,今后需对离子输运做进一步的优化。


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