利用额外电子注入ECR源产生高荷电离子研究

Electron Cyclotron Resonance (ECR) ion sources are the most instruments to provide highly charged ion beams, thus are widely used in various basic and applied research fields. In order to enhance the charge state and intensity of the produced ion beams, the development trend of ECR ion sources is to feed higher RF power with higher frequency and utilize higher magnetic confinement fields, the realization of which means great challenges even with state-of-art technologies. Therefore, this project is proposed to inject auxiliary electrons into ECR plasma to increase the electron density and modulate the electron energy distribution in plasma, which could effectively optimize the production of highly charged ions in ECR plasma. The research is composed of three parts. (1) The appropriate cathode materials will be chosen based on the usual working conditions of ECR ion sources, and the configuration of the electron gun will be designed with corresponding simulation programs. (2) The experimental study will be carried out on the effects of electron beam parameters (such as current intensity, energy and injection position) on the production of highly charge ion beams and the corresponding charge state distribution. The production of highly charge ion beams will be optimized by tuning the electron beam parameters and furthermore matching them to the normal ion source parameters (i.e. RF power, magnetic confinement fields, etc.). (3) The warm and hot electron temperature will be derived from the measured Bremsstrahlung spectra, and in this way the influence of the electron beam on the electron density and energy could be studied.

电子回旋共振(ECR)离子源是目前国际上产生强流高电荷态离子束最有效的装置之一，已在许多基础和应用研究领域得到广泛应用。为了进一步提高离子束的电荷态和流强，ECR源的发展趋势是利用更高频率和功率的微波以及更高的约束磁场，以目前的技术水平，这些条件的实现仍然面临巨大的挑战。因此，从高电荷态离子的产生机制出发，本项目提出通过向ECR等离子体注入额外的电子，来提高其中的电子密度并调制电子能量分布，进而达到提高高电荷态离子产额的目的。具体的研究内容包括:（1）结合ECR源的工作条件，选择合适的阴极材料，并利用模拟程序优化设计电子枪结构；（2）实验研究电子束参数(流强、能量和注入位置)对高电荷态离子束产额及分布的影响，并通过调节电子束参数与离子源常规参数之间的匹配来优化高电荷态离子束产额；（3）利用轫致辐射谱测量ECR等离子体的中高能电子温度，进而研究电子束对等离子体中高能电子能量及密度的影响。

本项目研究了使用电子枪向ECR 离子源注入电子的技术。首先使用模拟软件CST 计算了实验平台-ECR离子源LECR4（Lanzhou ECR ion source No.4）的磁场分布，初步估计了注入电子在弧腔中的运动情况，在评估了对实验有影响的电子束参数后，设计出满足实验与工程要求的电子枪结构；通过对电子枪在不同位置发射情况的大量模拟，发现了保证阴极寿命与保证注入效果不能同时满足的矛盾，为保护阴极而选择了安全的安装位置。同时模拟了此位置发射后电子在弧腔内的运动轨迹。为了使电子枪能够与LECR4 更好地配合，在LECR4 原有的注入组件基础上进行了修改，巧妙地同时解决了电子枪的固定、电位和保护问题。实验中发现在一定轴向磁镜场下，当注入电子束能量超过1.8 keV 时，会产生一种引出的离子束流的脉冲与直流状态交替出现的现象。在这个现象中，脉冲与直流流强均比没有注入电子时的流强要高，束流的电荷态也向高电荷态方向移动，而且可以通过控制实验条件来人为产生与消除这种现象。该现象在改善直流束与脉冲束性能的方面有着积极的意义。另外，本项目也对注入电子并未通过ECR共振面，却能起到提高电荷态与流强的作用进行了分析与讨论。