低能永磁EBIT及超低能高温超导EBIT电子光学系统设计与运行特性数值模拟研究

【摘要】宇宙中可见物质的90%以上都是等离子体,对等离子体的研究不仅为探索广阔的宇宙提供了手段,也为当今高新技术的飞速发展奠定了基础,尤其是在解决能源问题的迫切需要方面。托克马克装置是实现可控核聚变最有希望的途径之一,对其中的等离子体进行研究无疑有着重要的意义和价值。电子束离子阱(EBIT)是一种小型的加速器装置,是一种重要的光源及离子源。EBIT中等离子体的密度和离子温度非常低,适合进行高分辨光谱研究,同时电子束能量单一可调,适合进行等离子中物理过程的分解研究。2005年在复旦大学研制成功并投入运行的上海EBIT,是世界上仅有的四台超级EBIT之一,能量可达130keV,适合对托克马克芯部等离子体的研究。但对于刮削层与偏滤器中的边界等离子体原子与分子过程进行研究则需要能量在300eV甚至50eV以下的低能及超低能EBIT,这也是近年来兴起的研究方向。本文工作的主要目的就是通过改进低能EBIT的电子光学系统及运行特性,拓展其电子束能量下限,以满足分解研究托克马克等离子体的实验需求,并且重新设计能够适用于50eV以下实验运行的超低能EBIT的电子光学系统。具体内容如下：一、SH-PermEBIT是国内首台低能EBIT,其设计的电子束能量下限为250eV。通过大量的程序数值模拟计算,对电子光学系统进行了优化,成功将运行能量下限拓展到60eV,在SH-PermEBIT上已成功观测到60eV下的氩元素与钨元素的谱线。在系统的模拟计算基础上,掌握了SH-PermEBIT在低能下的运行特性以及电子束相关重要实验参数的变化规律,为实验运行提供了理论指导,也为利用EBIT系统的分解研究托克马克边界等离子体打下基础。二、基于对SH-PermEBIT电子光学系统特性与低能条件下运行的程序模拟计算,并结合实验研究,系统地分析了限制EBIT电子束能量下降的主要因素,如空间电荷效应势能、磁镜效应、电流密度分布与线形以及动能展宽分布等,得到了有效拓展EBIT能量下限的电子光学系统设计方案。三、为超低能EBIT的研制设计了全新的电子光学系统,突破了传统的EBIT设计模式。程序模拟结果显示新的电子光学系统可以将EBIT能量下限拓展到50eV以下。系统了解了运行特性,掌握了电子束能量、密度随着运行条件变化的规律,为指导和辅助实验运行打下基础。根据理论模拟结果设计的电子光学系统已经应用在SH-HtscEBIT上,该全新超低能EBIT已经基本搭建完成,将于2012年夏天投入调试实验。四、提出了基于不同类型阴极的多种电子枪设计方案,以使其能应用于SH-PermEBIT以及SH-HtscEBIT,并满足低能量的运行需求。另外,通过模拟研究,提出了一种高温超导材料磁体的运行优化方法,可以显著提高高温超导材料磁体产生磁场的效率。
【作者】金学龙；
【导师】邹亚明；
【作者基本信息】复旦大学，原子与分子物理，2012，博士
【关键词】电子束离子阱(EBIT)；低能EBIT；超低能EBIT；电子光学系统设计；磁镜效应；空间电荷效应；电流密度分布；轴向动能展宽；电子枪设计；

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