强流负氢离子束的空间电荷中性化研究

剥离引出的回旋加速器主要采用负氢束加速，而强流负氢束在低能传输段中，由于高流强束流引起的自身空间电荷力，能够产生很大的而且是不可避免的束流发射度增长，导致束流品质变坏，是束流损失的重要原因。为了减少空间电荷效应，利用空间电荷的中和作用机制，残余气体在束流内发生电离，产生电子和正离子，束流传输过程中通过俘获正离子进行中和作用，从而补偿了空间电荷力的影响，降低束流损失，这种空间电荷补偿机制被称为空间电荷中性化。合理准确的进行低能强流传输段的束流动力学设计迫切需要具体的中性化数据。本申请进行中性化参数的量化研究，提供的数据在指导合理的束流传输光学设计上具有非常重要的实际意义。

剥离引出的回旋加速器主要采用负氢束加速，而强流负氢束在低能传输段中，由于高流强束流引起的自身空间电荷力，导致束流品质变坏，是束流损失的重要原因。本项目在现有的强流负氢离子源实验台架上，研制成功了强流束发射度测量仪、束流切割器、水冷狭缝、法拉第筒等关键实验部件，并在此基础上开展了强流负氢束在低能段传输过程中的束流中性化研究工作，分析了强流负氢束在低能传输过程中的中性化建立时间，不同真空度对中性化建立的影响，并有针对性的研究了紧凑型回旋加速器中强流负氢束注入的束流传输光学设计，在现有的10MeV小型回旋加速器上开展了低能强流束的注入效率实验工作。.相对于正离子而言负离子束中性化相对容易，原因是残余气体中被电离出的正离子很容易被束流俘获而建立中性化，而且正离子在室温条件下就可以被热极化，因此不需要太大的动能来逃脱束流的势阱。受到离子源电源，透镜电源等稳定性影响，以及真空度变化的影响，束流在一定范围内波动，很难精确获得实际束流稳定时间。在1mA束流情况下，注入线真空度1.9×10-5 mbar，中性化建立时间约为50us-100us。并且中性化程度与真空度相关，真空度越差中性化程度越高，但对于负氢束而言，如果注入线真空度过低，负氢束离子外面所带的电子也很容易被剥离掉。.目前，我们正在开展mA量级强流回旋加速器关键技术研究，为此，我们结合中性化试验，在10MeV强流小型回旋加速器上开展了实际注入效率试验工作。在强流回旋加速器束流传输过程中，束流损失最大的区域在注入线和中心区，我们通过在回旋加速器内部安装调试内靶，用来获取束流从注入线到穿过中心区后的束流流强，利用离子源下方的法拉第筒来获取离子源束流流强。10MeV强流小型回旋加速器的中心区相位接收度小于58º，因此，理论上在整个传输过程没有任何损失的情况下，从离子源到中心区内靶最大传输效率为16.1%，通过实际测量的离子源束流流强和中心区获得的内靶流强对比，在束流流强较小的情况下注入效率好于98%，当束流流强较高时，受到真空影响和束流本身包络较大的影响。注入效率下降。可以看到，低能注入效率基本好于96%，试验效果理想。.通过上述实验研究，为我们在今后设计紧凑型强流回旋加速器注入系统提供了理论和实验参考，也为我们正在开展的mA量级强流回旋加速器关键技术研究提供了相关实验数据。