低能永磁EBIT及超低能高溫超導(dǎo)EBIT電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)的90％以上都是等離子體，對(duì)等離子體的研究不僅為探索廣闊的宇宙提供了手段，也為當(dāng)今高新技術(shù)的飛速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，尤其是在解決能源問(wèn)題的迫切需要方面。托克馬克裝置是實(shí)現(xiàn)可控核聚變最有希望的途徑之一，對(duì)其中的等離子體進(jìn)行研究無(wú)疑有著重要的意義和價(jià)值。
　　電子束離子阱（EBIT）是一種小型的加速器裝置，是一種重要的光源及離子源。EBIT中等離子體的密度和離子溫度非常低，適合進(jìn)行高分辨光譜研究，同時(shí)電子束能量單一可調(diào)，適合

2、進(jìn)行等離子中物理過(guò)程的分解研究。2005年在復(fù)旦大學(xué)研制成功并投入運(yùn)行的上海EBIT，是世界上僅有的四臺(tái)超級(jí)EBIT之一，能量可達(dá)130keV，適合對(duì)托克馬克芯部等離子體的研究。但對(duì)于刮削層與偏濾器中的邊界等離子體原子與分子過(guò)程進(jìn)行研究則需要能量在300eV甚至50eV以下的低能及超低能EBIT，這也是近年來(lái)興起的研究方向。本文工作的主要目的就是通過(guò)改進(jìn)低能EBIT的電子光學(xué)系統(tǒng)及運(yùn)行特性，拓展其電子束能量下限，以滿足分解研究托克馬克等

3、離子體的實(shí)驗(yàn)需求，并且重新設(shè)計(jì)能夠適用于50eV以下實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的超低能EBIT的電子光學(xué)系統(tǒng)。具體內(nèi)容如下:
　　一、SH-PermEBIT是國(guó)內(nèi)首臺(tái)低能EBIT，其設(shè)計(jì)的電子束能量下限為250eV。通過(guò)大量的程序數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，成功將運(yùn)行能量下限拓展到60eV，在SH-PermEBIT上已成功觀測(cè)到60eV下的氬元素與鎢元素的譜線。在系統(tǒng)的模擬計(jì)算基礎(chǔ)上，掌握了SH-PermEBIT在低能下的運(yùn)行特性以及電

4、子束相關(guān)重要實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)運(yùn)行提供了理論指導(dǎo)，也為利用EBIT系統(tǒng)的分解研究托克馬克邊界等離子體打下基礎(chǔ)。
　　二、基于對(duì)SH-PermEBIT電子光學(xué)系統(tǒng)特性與低能條件下運(yùn)行的程序模擬計(jì)算，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)地分析了限制EBIT電子束能量下降的主要因素，如空間電荷效應(yīng)勢(shì)能、磁鏡效應(yīng)、電流密度分布與線形以及動(dòng)能展寬分布等，得到了有效拓展EBIT能量下限的電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
　　三、為超低能EBIT的研制設(shè)計(jì)

5、了全新的電子光學(xué)系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)的EBIT設(shè)計(jì)模式。程序模擬結(jié)果顯示新的電子光學(xué)系統(tǒng)可以將EBIT能量下限拓展到50eV以下。系統(tǒng)了解了運(yùn)行特性，掌握了電子束能量、密度隨著運(yùn)行條件變化的規(guī)律，為指導(dǎo)和輔助實(shí)驗(yàn)運(yùn)行打下基礎(chǔ)。根據(jù)理論模擬結(jié)果設(shè)計(jì)的電子光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在SH-HtscEBIT上，該全新超低能EBIT已經(jīng)基本搭建完成，將于2012年夏天投入調(diào)試實(shí)驗(yàn)。
　　四、提出了基于不同類型陰極的多種電子槍設(shè)計(jì)方案，以使其能應(yīng)用于SH