强流脉冲负氢离子源高占空比的性能研究

In recent years, the rapid development in the basic fundation research and the important applied fields raise higher demands on the beam currents and the beam power of the H- ion source. So, many researchers at home and abroad focus on the study of H- ion source. Both the high beam currents and the high beam duty factor of H- ion source are the developement diretion of the H- ion source. Penning surface plasma H- ion source, due to its advantage in cost, beam quality and stabilty etc., is adopt, as the injector of the LINAC, in China Spallation Neutron Source (CSNS) , British Spallation Neutron Source (ISIS) and other accelerator facilities. The upgrade of the spallation neutron source around the world is underway or planning, high performance H- ion source thus is necessary. In this project, H- ion source will be studied deeply and extensively both in theory and experiment. Optical spectrum analyzing and erasing technique of cesium deposited on the extractor will be applied. Discharge plasma space，discharge chamber thermodynamics, cesium dynamics at discharge chamber, will be studied deeply. The objective is to increase the beam duty factor, to decrease the beam emittance and to enhance the stability and reliabilty of Penning H- ion source. The results and ways here will lay the foundation for the future similar study.

近年来，基础研究领域和重大应用领域的发展需求，以及强流质子加速器的发展，对负氢离子束的强度和束流功率 提出了更高要求。因此，国内外一大批学者致力于负氢离子源的研究，而高强流、高占空比负氢束流是未来科学技术对负氢离子源所提出的高要求。潘宁型表面负氢离子源因在造价、束流品质和稳定性等方面的优势，作为直线加速器的注入器， 在中国散裂中子源、英国ISIS散裂中子源等其它加速器上使用。散裂中子源打靶功率的升级，必将对负氢离子源在束流品质、稳定性及可靠性提 出更高的要求。本课题将对负氢离子源进行深入的研究，利用光谱无损分析和引出电极除铯等 技术手段、理论和实验两方面并行，着重研究强流脉冲负氢离子源在高占空比下的性能包括：等离子体放电空间区域，放电室的热力学，等离子体铯动力学， 束流强度，发射度，离子源稳定性等。该项目也将对同类强流脉冲离子源的研究提供一个强有力的实验和模拟分析的基础。

强流脉冲负氢离子源是目前质子加速器的关键设备，也是其束流功率提升所必须升级的设备，对于中国散裂中子源二期所需的束流打靶功率 500kW 的要求，高占空比、高品质的负氢束是亟需的，同时高品质的束流需要更可靠、更稳定的离子源运行来保证。.主要研究内容：1.高占空比强流脉冲负氢离子源的空间结构变化及其等离子体放电性能研究，2.离子源运行稳定性：双脉冲除铯电源系统对不同占空比运行稳定性的提高，3.去偏转铁离子源对束流品质的提升，4. 新放电室高占空比放电等离子体光谱诊断，5. 离子源等离子体放电PIC-MC模拟计算、束流光路模拟分析。.重要结果和科学意义：.通过改造引出电源，实现了双脉冲高压输出，该方法解决了加速器在运行期间，由于铯所造成的离子源运行的不稳定性；去偏转铁束流优化实验，该结果对负氢离子源束流品质的优化提供了重要的实验基础，大流强高品质的负氢束流是CSNS升级所必需的；放电室空间结构的优化设计，对放电空间进行了8倍的扩大，并系统的完成了新放电室等离子体参数测试及束流诊断，深入的研究负氢离子源高占空比的性能；发展等离子体发射光谱诊断，在对新放电室等离子体放电室进行光谱诊断研究，该方法进一步加深了对等离子体放电机理的理解；进行了PIC-MC新放电室电子温度的初步计算，该计算结果与英国ISIS实验室测试结果接近，该理论计算，有望进一步拓展至等离子体的引出分析，尤其是等离子体反射面的理论研究。