真空弧离子源发射面的测量方法研究

Vacuum arc ion sources are key components of compact sealed-tube neutron generators. The ion extraction boundary of the vacuum arc ion source, can determine the beam transport characteristics from the ion source to the target; meanwhile, this extraction boundary depends on the plasma parameters and the extraction electric field, by balancing the sheath electric field and the extraction field on this boundary. Since the vacuum arc ion sources are compact with high plasma densities, most researches of the extraction boundary of these type of ion sources have focused on theory and simulation studies in past years. In order to develop an effective diagnostic method of the ion extraction boundary of vacuum arc ion sources, this research proposal establishes a new method, by measuring the transverse phase space distribution of the initial ion beam on the extraction boundary, to invert the shape and density distribution of the extraction boundary. Using this method, the diagnostic experiments of the ion extraction boundary will be carried out to reveal how the parameters affect the extraction boundary in the neutron generators. The study of this proposal will guide the design of compact sealed-tube neutron generators, and can also be applied in the studies of other type of ion sources.

真空弧离子源是小型真空密封型中子发生器的核心器件之一。真空弧离子源发射面的形状与离子密度分布，决定了离子束流在源靶之间的束流传输特性；同时，发射面也取决于等离子体参数、引出电压、电极结构等，在这些外部参数作用下达到一个平衡状态。由于真空弧离子源具有尺寸小和等离子体密度很高的特点，一直以来对于真空弧离子源发射面的研究主要集中于理论和模拟计算，而缺乏行之有效的实验测量方法。本项目将致力于这方面的探索，提出了利用束流传输理论测量离子源发射面处束流相空间分布的途径，来测量离子源发射面的新方法。然后利用该方法开展离子源发射面的诊断研究，以揭示中子发生器中参数变化影响发射面的物理机制和规律。本课题的研究对于小型真空密封型中子发生器的设计具有重要的直接指导意义，亦可用于其他类型离子源的诊断。

真空密封型中子发生器是一种提供强中子脉冲的电真空器件，主要应用于石油测井、辐照探伤、中子成像以及国防军事等领域。离子源和束流引出结构都是中子发生器的核心部件，其性能对中子发生器的总体性能有决定性影响。而离子源发射面是离子源和束流光学引出结构在物理上的直接联系，决定了离子束流在源靶之间的束流传输特性，对于中子发生器的工作状态影响很大。过去对于离子源发射面的研究只能通过数值模拟计算，而没有发射面的实验测量结果作为参考。本项目提出并建立一种新型的离子源发射面测量方法。其基本思想是，将真空弧离子源产生的离子束流引出，通过对引出束流的相空间诊断，反演得到束流在发射面处的初始相空间密度分布，以及发射面的形状。. 本课题首先开展了真空弧离子源发射面测量方法的理论分析与算法研究，研究了等离子体鞘层、发射面凹凸形状与等离子体密度、引出电压等关键物理参数的理论关系，并建立了基于引出束流发射度测量方法的离子源发射面反演算法。然后利用OOPIC软件，开展了真空弧离子源束流引出和发射面的PIC建模仿真，研究了发射面和引出流强随等离子体密度、引出电压等关键物理参数的变化关系，指导设计实验。最后搭建了实验装置，通过实验中采集到的条纹状束斑，利用多缝法测量引出束流的发射度，并通过反演算法得到发射面结果，实验结果与理论预期和仿真结果具有较好的一致性。证明了我们提出的发射面测量方法在一定条件下是有效的（当引出电场具有较大非线性，或者离子束流强较强>1A时，该方法会失效）。. 本课题对于真空弧离子源发射面的测量方法研究，可以帮助研究中子发生器中参数变化如何影响发射面的物理机制和规律，对于真空密封型中子发生器的设计具有重要的指导意义。