无铯强流直流高品质负氢离子源的关键技术研究

To meet the requirement of high current accelerators, we propose this topic “Study on key techniques of high quality Cs-free H- source for high intensity Continuous Wave (CW) and pulsed beam generation”. This topic belongs to international frontier research.. The object of this study is to build up a high quality long lifetime Cs-free 2.45GHz microwave driven volume negative hydrogen ion source. This source has the ability to produce at least 20 mA CW H- and 30 mA pulsed H- beam with duty factor not smaller than 10%. Its lifetime should be longer than 300 hours. Study will focus on the techniques for high intensity H- beam generation. Research will carry out in the following processes. 1) Study on how to generate a high intensity H- plasma within the discharge chamber. 2) Research on new methods development for high efficiency extracting H- ion from the source. 3) Methods on how to suppress the electrons co-extraction and to increase the H-/e ratio within the extracted beam. 4) Research on how to improve beam power efficiency. Study will be a mixture of frontier technologies and honest artisanal manual work. .Through this study, we will improve our understanding on the mechanization of high intensity H- beam generation, know more on the new structure of H- source, know better on the technique of how to increase beam intensity. We hope some characteristic remarks on both practice as well as theory will be made through this study. We also hope our ability of H- source developing will be classified into the first group around the world.

针对当前国际强流加速器发展需求，提出开展“无铯强流直流高品质负氢离子源的关键技术研究”课题，是国际前沿研究。.项目以研制出一个2.45GHz微波驱动、无铯的高品质体效应负氢离子源为研究目标。拟研制的离子源不仅具备产生20mA以上直流负氢离子流和大于30mA占空比不低于10%的脉冲负氢离子流的能力，而且寿命不短于300小时。研究将探索获得强流直流负氢离子束的新方法。围绕强流负氢离子束的产生这一主线，拟解决的关键科学问题：1）强流直流高密度负氢等离子体的建立；2）强流负氢离子束的高效引出；3）引出束流中电子成份的抑制和负氢离子束/电子的比例提高；4）提高离子源的功率效率。研究把理论研究和关键技术攻关和工艺探索相结合。.通过该项目的研究，揭示强流负氢离子束产生机理、探索源新结构、掌握提高束流强度新方法；力争在实验和理论两个方面取得标志性的成果，使我国强流负氢离子源的整体研究水平进入世界前列。

负氢离子源的研究对加速器、能源、医学和材料科学等领域的发展具有重要意义。项目以西安200 MeV质子应用装置XiPaf为研究背景，开展了微波驱动强流负氢ECR离子源的关键物理和技术研究，选题具有重要的理论意义和实际应用价值。.研究从负氢等离子体的建立原理出发，不仅研究了放电室壁材料的影响，而且对其中的复杂磁场（ECR，磁帘场和电子吸收场）的分布作了细致的研究和与分析，并对微波驱动负氢源的物理机制和结构进行了系统研究，并在此基础上进行了优化设计。研制成功了8.5 mA/50 keV负氢离子源，束流归一化均方根发射度为0.25 π·mm·mrad，达到了国际同类负氢源最佳水平。离子源系统已稳定工作超过200小时。该源从2017年12月起为西北核子所的XiPaf 加速器提供束流。.项目的研究亮点主要有主要几个方面：.（1）我们首次采用了主磁帘场与辅助磁帘场组成的复合磁帘场技术，有效地提高了负氢离子产额。.（2）我们综合利用光谱诊断、离子成份分析等研究手段，通过对氢等离子体各作用过程的全面分析，首次给出了微波驱动负氢离子源内各种主要粒子含量的变化规律。.（3）通过在整个离子源腔室加入超薄钽内衬的方法提高了负氢离子产额。国际上尚无类似的文献记载。