面向散裂中子源加速器升级的射频负氢离子源关键技术研究

This project is to research the key technology of RF coupled negative hydrogen ion source, which aims to the upgrade of China Spallation Neutron Source (CSNS) facility. These technology includes: the heat dissipation of plasma chamber with external antenna, which is used to increase the RF power and extend the life time of antenna; the mechanism of the catalysis effect of cesium and its diagnostics, which is to intensify the beam current; quick impedance matching technology to minimize the reflected RF power and to increase the beam stability; the novel helium plasma driven self-clean technology, which is to increase the beam availability of CSNS. Some of these technology are tried for the first time in the world. The application of these technology will promote the ion source development of the world. These technology can also apply to neutral beam injection of magnetic confined fusion device.

本项目拟研究新型射频耦合的负氢离子源的关键技术，提高离子源的束流强度和稳定性，并延长离子源运行寿命，其主要用于国家大科学装置中国散裂中子源（CSNS）的性能升级。这些关键技术包括：高功率下外置天线等离子体腔体的散热技术研究，用以提高束流强度和延长射频天线的寿命；铯催化效应的物理研究及其光谱诊断技术，用以了解铯催化效应的机理，提高束流强度；等离子体阻抗变化条件下的快速射频匹配技术，用于减少功率反射，提高射频放电稳定性；新型离子源的氦等离子体自清洗技术，用于提高束流获得率，减少CSNS用户的等待时间。其中一些技术是在国内外首次尝试，若成功应用能够极大的促进世界射频离子源的发展。此项目的技术研究和开发经验可以拓展应用到磁约束核聚变的中性束注入（NBI）的离子源建设中。

中国散裂中子源（CSNS）自2018年3月向全球用户开放以来，用户实验需求急剧增加。为了更好的满足用户的实验需求，CSNS的束流打靶功率将从现有的100kW提升至500kW。其中负氢离子源是升级的关键设备之一，它将采用世界发展前沿的射频负氢离子源技术。本项目主要研究面向散裂中子源功率升级的射频负氢离子源技术，内容包括:高功率下外置天线等离子体腔体的散热技术研究，用以提高束流强度和延长射频天线的寿命；铯催化效应的物理研究及其光谱诊断技术，用以了解铯催化效应的机理，提高束流强度；等离子体阻抗变化条件下的快速射频匹配技术，用于减少功率反射，提高射频放电稳定性；新型离子源的氦等离子体自清洗技术，用于提高束流获得率，减少CSNS用户等待时间。.本项目在执行期间取得诸多重要研究成果，项目申请书中提出的目标得到实现。射频负氢离子源在2021年暑期检修期间完成了在CSNS加速器隧道的安装。在初期测试中采用30kW射频功率，离子源引出束流超过50 mA。在RFQ加速器通过率90%的通过率下获得MEBT束流约30mA，MEBT段归一化RMS发射度约0.17π.mm.mrad。截至2022月1月24日离子源已经实现连续138天无故障运行，取得了一些列重要实验结果。