低能永磁EBIT及超低能高溫超導EBIT電子光學系統(tǒng)設計與運行特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、宇宙中可見物質(zhì)的90％以上都是等離子體，對等離子體的研究不僅為探索廣闊的宇宙提供了手段，也為當今高新技術的飛速發(fā)展奠定了基礎，尤其是在解決能源問題的迫切需要方面。托克馬克裝置是實現(xiàn)可控核聚變最有希望的途徑之一，對其中的等離子體進行研究無疑有著重要的意義和價值。
　　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，適合進行高分辨光譜研究，同時電子束能量單一可調(diào)，適合

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

3、離子體的實驗需求，并且重新設計能夠適用于50eV以下實驗運行的超低能EBIT的電子光學系統(tǒng)。具體內(nèi)容如下:
　　一、SH-PermEBIT是國內(nèi)首臺低能EBIT，其設計的電子束能量下限為250eV。通過大量的程序數(shù)值模擬計算，對電子光學系統(tǒng)進行了優(yōu)化，成功將運行能量下限拓展到60eV，在SH-PermEBIT上已成功觀測到60eV下的氬元素與鎢元素的譜線。在系統(tǒng)的模擬計算基礎上，掌握了SH-PermEBIT在低能下的運行特性以及電

4、子束相關重要實驗參數(shù)的變化規(guī)律，為實驗運行提供了理論指導，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。
　　二、基于對SH-PermEBIT電子光學系統(tǒng)特性與低能條件下運行的程序模擬計算，并結(jié)合實驗研究，系統(tǒng)地分析了限制EBIT電子束能量下降的主要因素，如空間電荷效應勢能、磁鏡效應、電流密度分布與線形以及動能展寬分布等，得到了有效拓展EBIT能量下限的電子光學系統(tǒng)設計方案。
　　三、為超低能EBIT的研制設計

5、了全新的電子光學系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)的EBIT設計模式。程序模擬結(jié)果顯示新的電子光學系統(tǒng)可以將EBIT能量下限拓展到50eV以下。系統(tǒng)了解了運行特性，掌握了電子束能量、密度隨著運行條件變化的規(guī)律，為指導和輔助實驗運行打下基礎。根據(jù)理論模擬結(jié)果設計的電子光學系統(tǒng)已經(jīng)應用在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)試實驗。
　　四、提出了基于不同類型陰極的多種電子槍設計方案，以使其能應用于SH