（等离子体物理专业论文）纯电子等离子体潘宁阱实验装置的研制.pdf

! 竺翌竺苎查查兰竺主兰1 立丝查一一! ! ! 摘要 本沦文俩1 i 要l 作址作凋研 = 【l 参考围外同类，班装霄实验的基础与醢计和制 作ur 等离一r 休约束装胃一一浠j 1 ， 姆们格剐l u 于等离子体装置。并在装置搭 建完成之肝对装胃利实验进行了凋试和准备r f l ：我们建造这个潘宁阱装置的目 的是 究纯j u 予等离了体在强磁场条什卜+ 横越磁场的输运过程，以补充 f 尚属 缺乏的强僦场下等离r 体输运模喇。 前先，我们建曲起了套完钎j 浠一j 姆们格f uf 等离于体实验装胃，整个 袈胃他括真窄帑系统、磁场线圈、f 乜r 发射源、浠宁阱电极系统、电极系统驱动 f u 源、i u 刊叟集系统、肝续测磺1 i 三路。堤胃的1 ：要参数如下： 、 j ir e 卒审为一k 两水，内良 t 为1 0 厘米的不锈钢圆筒。山机械泵和分予泵 机组预抽真空，尢高真空寸，真窄度溅射离r 泵维持。真空系统的极限真空度 为2 1 0 t o r r ： 濡j 。阱的i u f ； ：场化形干人小：m 约爪状态叫，约束极接地，f j i 、历端极施加 负的商l u j k 。磁场山。k 随磁场线恻产7 i - ，订：灾验k 域磁场方向j 也极筒轴向平 行，磁场感应强度均匀，人小为0 5 0 c g , m ，j ： 神：没泔h 使刚间接加热钡钨刚极的方式发射i 小r ，电子为束状注入，束直 径为2 m 。i f 常r ：作j j 、儿i u 了发射能力为2 0 0 m a ： 浠宁阱f 【l 极构造：i 乜f - 前端极和木端极均为内径6 0 l r m ，k1 0 0 m m 的导体 圆筒 uf 约束极内径为6 0 l m n ，长度根据实验可足设置为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 m m 。 锌 乜极为同心 b 联形式，电极之问缝隙为2 m m 。潘宁阱电极系统驱动电源为双 路i j 控f | j o f u i 脉p i b 源；l 一 7 浠j 1 5 j | t l ，f 乜f l h l 乜r 源注入浠j 。阱内电r 等离f 体密度及其初始分加山l 也 厂源发射能力和注入过w 决定。n ：小装霄中电f 等离予体的没汁密度为l o ，。 嘬极： j 0 次，列浠0 。阱装霄进行了凋试i ：作，遇到的l i 要问题是在u 于源发射和注 入过烈，我们尝试了使j 直接加热钨丝和问接加热钡鸽阴极的方法，但是还没行 得到满意的效果，仍需要进步的l 作。一一 ! ! 竺竺苎! 查竺竺主兰竺竺查 苎兰 a b s t r a c t f o rt h e s t r o n ga b i l i t y t o t r a pc h a r g e dp a r t i c l e s s u c ha se l e c t r o n so r i o n s ， p e n n i n g m a l m b e r gt r a p h a sal o n gh i s t o r ya n dw i d ea p p l i c a t i o n si nm a n y p h y s i c s r e s e a r c h a r e a s ，e s p e c i a l l y i nn o n n e u t r a l p l a s m a h e r e ，w ew i l l d e s c r i b eap u r e e l e c t r o np l a s m ad e v i c e p e n n i n gm a l m b e r gt r a pd e v i c e ，w h i c hh a sb e e ns e tu pi n o u rl a b o r a t o r y t h ep u r p o s et h a tw es e tu pt h i sp e n n i n g t r a pd e v i c ei st or e s e a r c ho n t h ec r o s s f i e l dt r a n s p o r t a t i o no ft h es t r o n gm a g n e t i z e de l e c t r o np l a s m a w h o l e p e n n i n g m a l m b e r gd e v i c ei sc o m p o s e do f f i v em a i nc o m p o n e n t s ：v a c u u m s y s t e m ，m a g n e t i cf i e l dc o i l s ，e l e c t r o ne j e c t i o ns o u r c e ，p e n n i n ge l e c t r o d er i n g sa n d e l e c t r o nc o l l e c t o r s t h ev a c u u mc h a m b e ri sa2 0 0 0 r a m l o n gc y l i n d r i c a lt u b ew i t ha ni n n e rd i a m e t e ro f 1 0 0 r a m - a4 5 0 l m i nm o l e c u l a r p u m p a n da2 0 0 l m i ni o np u m pa r eu s e dt ok e e pt h e s y s t e mv a c u u mt o 1 0 一t o r ri nw h i c ht h ee l e c t r o n s m o l e c u l a r i n t e r a c t i o nc a nb e i g n o r e d t h i si sa l s ot h ew o r kp r e s s u r eo ft h ed e v i c e t h em a g n e t i cc o i l s ，w h i c hc o n t a i n8l a y e r sf r o mi n s i d et o o u t s i d e ，a r et w i n e d a r o u n dt h ev a c u u mc h a m b e r w i t ha3 k w d c p o w e rs u p p l y , t h ec o i l sc a np r o v i d ea u n i f o r mm a g n e t i cf i e l du pt o5 0 0 g a l o n g t h ea x i sd i r e c t i o ni n s i d et h ec h a m b e r t h e p e n n i n ge l e c t r o d e sa r ec o n s i s t e do ff i v e 10 c ml o n gc o n d u c t i n gr i n g sw i t h i n n e rd i a m e t e ro f6 c m ad u a l c h a n n e lc o n t r o l l e d v o l t a g ep u l s eg e n e r a t o rd r i v e st h e m a s d e s i g n e d ，ab a r i u m t u n g s t e nc a t h o d ei sh e a t e da n de m i ta ne l e c t r o nc u t r e n to f 2 0 0m a ，w h i c hc a ni n i t i a l l yp r o d u c ea 1 0 7 c m d e n s i t ye l e c t r o np l a s m ai n s i d et h e p e n n i n gt r a p w ei n s t a l las e r i e so fe l e c t r o nc o l l e c t o r sb e h i n dt h ee n d e l e c t r o d e b ya n a l y z i n g t h ec u r r e n tc o l l e c t e db ye a c hc o l l e c t o r , w ec a ng e tt h ei n f o r m a t i o no f t h ee l e c h d n p l a s m a i n s i d et h et r a p ，i n c l u d i n g d e n s i t yd i s t r i b u t i o na n d e n e r g y d i s t r i b u t i o n n o w - t h ew h o l ed e v i c eh a sb e e ns e tu ps u c c e s s f i a l l y ih a v ea l s of i n i s h e dt h e m o s t p a r to f d e b u g g i n gw o r k ! 竺! 竺兰苎查查兰! 圭兰竺竺查二! ! 塑 致谢 在非线r i ：等离了体物理实验室我度过了硕：l 学习i f j - - ：年时阳j ，充实而又快 乐。在论文i i | j 将完j m j jj f , l 候，我想感谢所有帮助和支持过我的人。 首，l 址找n 0 导师刘j 尔教授，刘老师认真严谳的学术念度影响着实验室每一 位同学，其巾也包括着我。他花费了人量的时问指导和帮助我解决一个又一个实 验上的问题，论文工作所取得的每一步进展都饱禽了刘老师的, l l q f l l 和汗水。同时， 从刘老师的一一南一仃巾使我知道了成为名优秀的科学研究者所应具备的优良 品质。我还要感酣俞吕旋教授以及专q k , i ，的各位老师，酣谢他们在平时给予我的 帮助和支持。 在i m 的 ：作过程1 1 谢锦林f l q ：i ：帮助我解决了很多的实际问题，在这里说声 谢谢丁。h 还要感c 身f 爻螗窀f n 勺c 他刚学，特) ：；i j 足书潇、徐亮和张寿彪同学， 他们帮我分扣 了升i 少实验卜的i 作。 最后，我必须感酣我f r j 父母，从我小时候起他们就在我的身上倾注了大量的 心m 和爱，是他们的关怀和爱陪伴着我一天一天长大成才，我会永远记住小时侯 父亲每火j 1 j 臼彳j 二乍送我干哥哥卜学时的情景。 ! ! 苎竺苎查查竺! 主堂竺丝查! - 二! 坐墅! 苎兰 1 1 引言 第一章引言和综述 等离子体的输运过程，一直是等离子体物理的重要研究课题。由于在等离子 体系统中存在强烈的集体作用，这使得等离予体在其输运过程中也展现出一些独 特的规律和特点，了解掌握在各种情况下等离子体的输运过程的规律对我们在应 用等离子体，特别是在聚变事业的发展上有着重要的意义。世界各国很多的等离 子体科学家一直都在从理论和实验方面进行这方面的研究工作并且取得了丰富 的研究成果。 通常等离子体系统中的输运过程从作用方式上分为以两体间碰撞过程占主 导的经典碰撞输运和多体集体作用占主导的反常输运。而就经典碰撞输运过程而 言，根据等离子体系统所处的参数区域，经典输运又可以分为在强磁场条件下的 输运和在弱磁场条件下的输运过程，所谓强磁场区域是指 五。时的情况。在通 常的宏观呈电中性的等离子体装露上，如托克马克装置，等离子体系统通常是处 在弱磁场区域即 a 。，而且在托克马克等离子体装置中电磁场场形复杂，工 作方式为脉冲形式而且其等离子体系统存在很多不稳定性，等离子体很难被长时 间稳定的约束，这些都会使实验研究等离子体输运过程的工作非常复杂，特别是 研究在强磁场中等离子体输运过程的实验很难在这类装置上进行，这样就限制了 我们对于强磁场这一重要情况下等离子体输运过程的认识。非中性等离子体 实验装簧的发展为研究等离予体输运问题提供了个很好的平台，特别是磁化非 中性等离子体的碰撞通常处于典型的导向中心区域，即 九，利用其可以等 效地对在强磁场情况的等离子体输运过程进行实验研究。 在电子潘宁阱装置2 中，理论和实验都可以证明，电子等离子体可以被长时 间的约束。不同于传统宏观中性等离子体的地方是非中性等离子体系统是由带同 种电荷的电子或离子组成。但是从等离子体集体行为的方面上看，非中性等离子 休和巾性等离子体又是很相似的，有时是可以互相等效的，在非中性等离子体潘 ! ! 登竺苎查查竺! 主竺苎竺查苎= ! ! 竺婴! ! ! 兰 宁装置中的非中性等离子体输运睡8 1 过程研究可以为传统的等离子体输运理论提 供很好的借鉴和补充，特别是其可以在强磁等效场情况研究等离子体的输运过 程，这点尤其具有意义。 目前在非中性等离子体的实验研究巾使用最广泛的潘宁阱装置，其思想最早 在1 9 3 6 年被潘宁( fm p e n n i n g ) 提出。在特定的潘宁阱装置中，非中性等离 子体可以以柱状形式被长时间稳定的约束在其中。随着人们利用潘宁装置进 行非中性等离子体实验研究的发展，现在已经行成了一套比较完整的研究方法， 如利用后续的收集系统，可以对约束在其中的非中性等离子体密度分布和温度分 布进行间接的诊断。 作为引言综述，这一章的安排是首先简要的介绍非中性等离子体研究历史和 现状，其次介绍非中性等离子体实验研究的主要工具一潘宁阱装置的发展，最后 对本论文的工作做简要的概括。 1 2 非中性等离子体 等离子体是出大量的、非束缚态的带电粒子组成的有宏观空间尺度和时间尺 度的体系，它和气体、液体、固体组成了物质同一层次上的四个基本形态。等离 子体和固、液、气三态在组成上最明显的不同之处在于后者都是由中性的分子或 原子组成的。等离子体物理研究自本世纪五十年代以来，由于受热核聚变、空间 和天体等离子体研究、等离子体在高技术中的应用及低温等离子体应用的推动而 得以迅速的发展，现在已经成为现代物理学中一门独立的学科“”。 八十年代以后，随着等离子体物理基础研究的扩充和深入，出现一些过去传 统研究很少顾及或未曾探索的新领域。非中性等离子体就是其中之一| 1 1 - 1 2 | 它的 出现拓宽等离子体概念所涵盖的物理内容。 非中性等离子体是一种带电粒子的集合，如果这种带电粒子全为电子，我们 称之为纯电子等离子体或者强流电子束。非中性等离子体同样满足作为等离子体 通常具备的多体判据。等离子体作为物质存在的一种基本形态，具有特征的时间 和空间尺度。一般来说，对等离子体的特征时间和空间尺度这一问题的讨论都是 基于等离子体中的电荷准中性条件。事实上存在有非电中性的大量带电粒子组成 的宏观体系( 亦即非中性等离子体) ，它也能够满足中性等离子体所具有的时间 和空问的特征尺度，而且也会体现i 与巾性等离子体相似的行为，特别是等离予 ! ! 登竺苎查查兰! 主兰竺丝查j 竺! l 型! ! ! ! ! 兰 体所具有的集体效应，如德拜屏蔽、等离子体波和不稳定性等。 我们首先考虑在电子等离子体系统中的空间特征尺度。将一个试探电子放入 到处于热平衡状态的纯电予等离子体系统中，通过求解泊松方程可以得到试探电 子对系统所引起的扰动电势却，发现试探电子产生的静电场不再是通常的库仑 物而是一个屏蔽库仑势场，影= 一南e x p 一掣) o 这样试探电子电场 主要是影响其附近五。距离内的区域，旯。为电子等离子体德拜长度，其定义与 桃销孙僦下棚_ 。= 器减们删批请假好躺徘 中的特征空间尺度，即只有当电子等离子体的空间尺度远大于德拜长度a 。时， 带电粒子体系才有可能在库仑作用的相干叠加下做有序的集体运动，从而以一种 物质的基本形式存在。 我们再来看看在非中性等离予体中的特征时间尺度，还是以电子等离子为 例。对于纯电子等离予体，屏蔽库仑作用的力程为德拜长度五。当电子的特征 热速度为匕= 女t m 。时， 电子能够通过这一段力程的时间 f ，五。心= ，l 。i 五。，这可以看作是两个电子能进行充分相互作用的最 短时间尺度，是电子等离子体建立起集体作用的最短时间。同时，r 。亦是等离 子体中最快的固有振荡一电子静电振荡或朗谬尔振荡的特征时间。能使集体效应 得以体现的等离子体存在时间尺度应该大于f 。，亦即只要存在的时问大于这一 时间尺度时，带电粒子体系就会显示出其最初的、最为普遍的集体效应一电子静 电振荡。故而一般将f 。作为等离子体存在的特征时间尺度的下限。电子等离子 体特征时间尺度的意思在于，带电粒子体系存在的时间必须足够长，才能使带电 粒子进行充分的相互作用，以消除各个带电粒子初始运动状态的影响，使得体系 处在稳定的状态之中。如果一个带电粒子体系的性质仅仅依赖于粒子的初始状态 或山这些粒子的偶然涨落造成的状态，这种体系不可能成为物质的基本存在形 式。 通过以上的分析表明，非i f l 性等离予体不但在宏观条件下具有与中性等离予 ! 曼! 兰苎查查兰翌主堂苎笙兰 一一j 生二! 苎l 塾! 兰! 苎竺 体致的特征叫f l l j 和守间j t 度，l i i l t i , l - 也m f o , 。i - 川- r l 二等离予体棚似的物理行为， 特别足集仆运动模，。刚i l , u 以刚研究t 一性等离了体的方法和规律来描述这类带 f u 柠r 仆系。、，1 然也要考虑到i ，悱等蔫严体存存仃强的自场效、z ，在描述它的 集体运动行为叫， , ；yj i l tj + 努虑。 i 3 潘宁阱及其在非中性等离子体物理研究中的应用 1 9 3 6f 二，滞r j ( f m p e n n i n g ) 挺了可以外挑静电场和静磁场构成的系统 来约束个或多个一凇l 也粒 一帔f f , i 这种系统被 6 ：为潘j 2 阱。潘+ j - q ：j = f “jr 乜磁场是山 - 均匀的j = i j l 向磁场利静f 也p q 极场构成的静势场，通常利用这个势场捕获和约束 带r u 粒r 。腆璎的潘宁阱的结构如阁2 1 ，i i i 两个端极和一个环极三个电极提供 静n 场和沿十b t 称轴 向的均勺静磁场。当环极午门对两端极的电压为诈值，则 叫以川厂约束r u j r ；反之，r ：环扳f b 旭为负则川j ：约束离f 。图2 1 就足j 月j ：约 束f 【l _ 的浠0 | ：】| = 。神：这种浠j 。阱结构一h “jr 【! l 场再磁场匹配时可以在【1 】心位置约 束留密_ f f ：f 门r uf 等7 。r f 4 i 。 u 诬的浠r i ! j l = j 仃会切的旋转双川l l f ；f i 的环极和端极。随着物理研究的发展和 。艾验的。峡际需要潘宁1 5 j 的形式，l ：始多抒化，1 9 7 6q - ，v a n d y c k 13 1 等人对传统 的潘j 阱进行改进，n ：川：极和端极的缝隙川加入补偿f 乜极，建成一非凿性的潘 二j 。l ! | f ：，1 i 耍的同的足提高质谱仪的分辨率，它能使对f 乜子的共振线宽从原有的 0 1 p p m 变为0 1 0 2 p p m 。历来，对潘宁阱的端极和环极进行简化，用一平板替代端 械，而= f ：撒州为筒，这就碰所竹朴状浠j i ；j f 此又发腮手【i 演化成为分段 ! ! 型兰垫查查竺! 主兰堕兰查至二! 堂竺篓 代的跚钧结j 勾( s c g l l l e n t e dc y l i n d e i ) ，也称为浠j 一马姆f f l 格( p e n n i n g m a l m b e r g ) 阱1 ，将这种筒的纳构加以巾接，使得环极和端极在空l n j 结构 i 球l n ! ，就 垃为珂 f l h i i 廷式潘。引坍( n e s t e dp e n n i n g t r a p ) 1 7 1p 抑或多极 浠c j t 阱( m l l i t i - p o i ep e n l f i n g7 f r a p ) 1 8 1 我们的实验中所使用的结果就是这种潘宁 一，拗州i 格| j l ：。j 。良 【的窀n l 胁1 弱洌i 构干f i 托状r 乜了等离子体约束结构，使用潘 ， t 一，l 鲥： ， 格i ，j l ：进行uj 7 等离f 体输运 l _ j 究足很适合的。图1 2 为潘j 1 一马婀们 格| ；f f 门；t i 十，j j 意i 孳i 。 f 佟l12 i l i j 9 j 这种裟筲1 ：要川来约束t p 个缄多个带i 乜牲f ，精确计算和测量单个电予 或离f 的物耻照1 1 9 1 如轻了的g 因r1 2 ( 1 1 以及实验研究带电粒子云的喈振和l 亘i 旋j 振锋物明! 行为”2 2 1 ；另一力面，则是应用潘j 1 阱或潘宁阱的改进形式作质 讲分析1 9 1 捕获n ir h j r 砼”或反质了“4 1 等。应该说，产期的潘宁阱主要用于原 j ，分r 物邗和1 粒了物邢乃而的实验1 i 】f 究以及反物质的产生和贮存。近些年来，浠 j 圳列l , f l 等离，体j ，l f i - 的良好约束位形受到人们的n 益重视，它主要j 1 ： 研究”i t r 眙u f 乜f - ( 或离了) 、i u 了或反质r 等离f 体的，f 衡、稳定和输运悄： 质1 2 5 1 0 它f l ( j 另一重要川途是j l j 来研究在超常冷却条件i ：存有强耦合的非中性离 r 等离i 体r l t 的棚变行为“。2 6 1 0 最近，b a r n e s 等人利用传统的潘卞阱位形进行 俐晰1 ur 等离f 体芯的约束实验研究。 i ij ：滞j ：阱具订独特的势场化j 侈，这使得它在约束t i ： p f l l 等离f 体具有咧显 的优势。谯| | 性等离。r 体迅速发展的今天，它的应埔闩益显著。以下简单介绍 它托坡近1 邻束花l ，讹等离了体方面n 勺应用情况： a】q 8 8q - ，g i l b e r t ”7 1 等人利川濡0 t 圳约永铍离子非一l 性等离了体研究强 椭介1 _ 犹f 、f l i 2 i 严结拘n ：采川激) 匕冷j 、1 1 个1 0 i n k 的条件下捩们约束的 ! 里! ! 兰苎查查兰! 主兰些丝查苎二! 坚壁! 竺兰 离j ，数l j 为1 5 0 0 0 个，绌构y , j l i q 心球壳。球壳只有一层时仅含2 0 个离 ，到了1 6b , - h , a i | 1 i5 0 0 0 个。研究表明，离f 在同，山球壳的结构中 足姒 ：| _ 5 合的，”一脱出液态f l 恫态行为，存仃限的体积q 其品格结构为 体心立力。利川激光诱导离厂荧光的成象技术可测得其库仑耦合常数的 范为2 0 2 0 0 ； b1 9 8 8q - ，d u b i ，、删o ，n c i l 1 埘约束化 l ；宁1 5 j t i ，纯离f 等离子体进行数 值 _ ；：| 拟。1 二要的模拟丁段址分i ，动力学模拟方法，参数条件为阱中离予 的温度剐密度。模拟r l t 考虑到离子所形成的同心球壳和在球壳边界：的 r 1f h - ) 。敞。结h ! 衷 吼当库仑耦合常数增加时，扩散减弱，在外层的球 壳r lr 会形成j f i i i i i 的：维八方f 讯格： c1 9 9 4q - ，e g g l e s l o n “”住f 希j ：一捌 f f | ，f f f f l 3 j t f ，研究在无旋转剪切流情 涉f f 内两 仆i nj i l 码旋： d 1 9 9 4 年，t i o u r 1 e 1 等人刈多极浠j 1 i ! j t , i 球形势场的约束性能进j j ：了 胛沦研究。他们、人为f i ：利j 1j 多极潘r 阱约爪t n 一带电粒予组分的咿f - 性 锋高了休寸”1 板数趋j 厄穷，球形的k 等离r 体的们q ! 渊j 曾度将 约为，f 通潘j2 川：i f i n 0 两f 一： e 1 9 9 5q - ：，i l a , a r s m a 2 9 1 等人化温发仪为4 2 k 、气口i 低r5 1 0 “7 3 o n 的i f i 宁l j l = 进行l l i u 于累干l ，数蹬为3 5 0 0 0 ，产生的速率为1 0 3 h 。1 - i 的是 利川j i i f uj 产乍冷n q 反质j i 或冷却高剥离态的离子，用于超冷等离子体 n 0 研究； f1 9 9 5 年，1 ：t 1 1 n 0 1 等人在浠宁阱中约束铍离子等离子体，辅于激光冷却， 考察强j | f 1 5 俞情i 5 。实验i 利川伽拉格衍身j 技术对其品格形状进行研究， 、1 1 约束的离r 数r i 达到2 7 1 0 5 个州，离r 等离了i 体的! 卜径为 w i g n e r s e i t z 、卜轮的6 5 仍，衙射的结果分析表明其为体心立方晶格： g 1 9 9 5q - ，c l u g g i s h 和d 1 1 i s c o l l 川1 研究了f 1 ；潘宁阱。i j 的 uf 等离r 体的 输运并l l l l l 【尼情况。通过不对称的约束势场使等离子体柱产生e b 旋转， 引发轴向jj i 力i 1 9 6 1 i 掩耗散这物理过程被称为旋转抽运。只要将f 包子 等离予休枉偏离阱的对称轴，就会产生旋转抽运，从而可以研究m = l 的d i o c o t r o n 模的径向输运和m 尼情况。 9 9 5 年，g i e a x ，c s 和s u r k o 1 利川 j 。ij j 离j 7 体，训j i uj 。i i f u r 求穿越 ? 存r 潘宁阱i | 1 | ，| 0i u uj ，的求一等离j i 体f l g , f i l 作j 。 中曲科掌执查查兰! 生竺堡堡毫三 二! - 坚呈! ! 翌三 i 1 9 9 5 年，f i l l e 筲人础1 ：_ j 了浠j 3 阱r | i 电f 等离子体两维的湍动弛豫过 1 1 ，发j ：! i l 这种他豫会被涡旋r f 发的“冷却”行为所捕获，转而形成涡旋 i 仙格； j1 9 9 64 1 - ，i i u l l 干g a b l i e l s c ”f 1 斗1 套式潘j 。l , j l i - j i l 电性相反的外加电场， 分) j i j 捕获r u ，年质了。i i lr 1 5 j | m i i nj ，和质i f i l l4 咋一。( v 。为电子一电子碰撞频率，心一。为电子一分子碰撞频率) 。这时就 可以认为电子与背景中性分子碰撞作用与电予电子间的库仑碰撞作用相比可以 忽略。 o ! ! 翌兰苎查查兰翌主兰竺兰 ! 三! 竺兰兰竺! ! 堡苎皇垡苎墨竺! 兰兰! ! 竺! 下面我们就分别估算电子屯予碰撞频率和电子一分予碰撞频率，然后得出所 需的最低真空要求。 v 。= 2 9 1 x1 0 6 h 。i n a t s e c 一1 ( 2 1 ) 其中一。为电子等离二f 体密度，i n a 为库仑对数，t 为电子特征温度a 在我们 的潘宁阱电子等离子体系统中，分别取，l 。= 5 1 0 7 c m ，l n a = 2 0 ，t = l e v ，则 v = 2 9 1 1 0 3 $ c c v = 圪丑，= 匕万( 巧2 ) 2 s c e 。 ( 2 2 ) 其中为电子平均速度， 。为电子的平均自由程，n 为系统中中性分子密度， 万为背景中性气体分子葭径。在室温2 5 。c 、气压为l t o r r 的情况下，可得到 a ，= 2 8 8 x 1 0 m ，因为a 。尸t 为常量，所以 k 。- 0 8 7 1 0 5 竿s e c “ ( 2 3 ) 苦= 3 3 4 x 1 0 - 2 南 ( 2 a ) v ye r 其中7 t 为系统内部的中性气体温度，另外对于i e v 的m 予，匕z5 x 1 0 5 m 。当电 子之间的碰撞频率与电子同中性气体分子的碰撞频率相比有量级差别，即 咋一，心一， 1 0 时，可以忽略背景的中性气体的作用a 这样，我们可以得到系统应 该达到的最低真空度要求： p = 3 , 3 4 x 1 0 。x 5 0 ( 5 x 1 05 ) = 3 3 4 x 1 0 。t o r r( 2 5 ) 在实际实验中，由于电子温度的变化，对真空度的要求可能会更高，考虑到这点， 我们的真空系统实际工作真空度应优于此最低真空要求。 2 2 2 主体真空室 在设计主体真空室的时候，我们主要考虑了以下几方面的因素： 首翻：足真空室材料的选择，应尽最选择放气率低且抗磁性良好的材料。出于 ! ! 竺竺苎查查竺! 主竺竺竺 ! 三! 竺兰兰! ! 兰堡兰! 兰兰墨竺竺兰兰竺兰 金属材料不锈钢( 1 c r l 8 n i 9 t i ) 的抗次性能良好，而且放气率低可以满足我们的 真空要求，所以在有磁场作用下的超高真空系统中我们选用不锈钢作为结构材 料。 其次我们还要考虑真空室的结构和尺寸。我们先确定真空室主体部分为圆筒 状结构，这样可以较容易安排内部各个组件，并满足潘宁阱柱坐标对称的要求。 而确定真空室的尺寸则1 三要要考虑：一，潘宁阱、电子枪以及收集极等各个组件 的大小和安装。二，磁场线圈效率。由于潘宁阱等各个组件的尺寸和安装的限制， 真空室内径应不小于9 0 m m 。至于磁场线圈效率，山于对于相同的磁场电源功率 上限，如果磁场线圈的内径越小，则可以在真空室内部产生更大的磁场强度。同 时磁场线圈的长度越长，则产生的磁场越均匀。出于这点考虑，真空室的尺度不 宜过大。 综合以上两点我们所选用旧真空室主体为直柱形不锈钢圆筒，内径为 l o o m m ，壁厚为3 m m ，筒长度为2 0 0 0 r a m 。 d l 一7 接离子溅射泵 接涡轮分子泵 图2 4 真空室主体示意图 图2 2 是我们的真空室主体示意图。由于真空要求较高，我们没有在真空室 外预留观察窗口，而且使用尽量少的法兰接口( 左右两端c f l 0 0 法兰，两个连接 高真空插板阀的c f i s 0 法兰，d l 7 型裸规安装法兰) 以保证尽量小的漏气率。在 真空室的两端我们分别焊接了c f l 0 0 丌口法兰。潘宁阱所有组件在外面安装好 后，从左端开口法兰处放入真空室内的磁场区域。在左侧的c f l 0 0 盖板法兰上 我们安装了5 对6 脚馈通端予用于连接潘宁阱各个部件电源引线接入和测量信号 的引出。 l f 于在拯个系统t i j 没有使用高压电源，所以我们没有使用大的馈通端予。 ! ! 竺竺苎尘查竺! 圭竺苎兰 兰三! 竺竺! ! 苎羔竺兰! 坠兰! 堂兰兰兰竺坚兰 在真空室的右端，使用c f l 0 0 的盲法兰密封。 左端的盖扳法兰除了密封真空室的作用外，潘宁阱各个部件需要的所有电源 引入和信号引出也都是通过使用左端盖板法兰上的馈通端子实现的。由于引线较 多我们首先对各个引线进行编号。收集极由1 0 个收集环构成，所有需要有1 0 根 信号线连接，按内径山人到小编e ：依次为l 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、1 0 ，分 别与法兰板上l 到t 0 号端子连接。潘宁电极由5 个导体圆筒构成，由5 根导线 接入电压脉冲信号，g 5 、g 4 、g 3 、g 2 、g l 引线编号依次为1 1 、1 2 、1 3 、1 4 、 1 5 ，分别于馈通法兰上li 至1 5 号端予连接。电子枪引线共有3 根，分别接在加 速极和灯丝电流流入和流山位置，编号分别为1 6 、1 7 、1 8 ，与馈通法兰上1 6 、 1 7 、1 8 号端子连接。 z1 l i4i5 罔25 潘宁阱内瑚i 引线示意图 ! 竺竺兰苎查查竺翌主兰竺竺 竺苎! 竺! 量! 苎兰堡! ! 竺苎兰竺兰兰! ! ! 坐 旅 图2 6 为从外部观察室馈通法兰上馈通端子分布和编号的示意图。1 9 、2 0 号 馈通端子可以在使用备用灯丝时使用。另外可以看到还有一部分馈通端子是悬空 的没有和任何导线连接，在以后实验巾，内部信号线会增加，那时将会需要使用 这些端子。 为了尽可能减小系统的漏气率，提高系统真空度，我们在所有法兰处都使用 刀口密封的方式，密封挚片使用无氧铜密封圈。另外内部组件的表面放气率也是 影响系统真空的一个重要因素，所以我们在选择各个组件材料的时候都使用了超 商真空系统中经常使用的不锈钢材料和陶瓷材料，而内部的所有引线我们都是用 了裸铜导线。 下面我们首先计算一下理沦上真空室可能达到的极限真空度， 弓：r + 譬 ( 2 6 ) 其中，只为真空室可能达到的极限真空度 t o r r 】，r 为真空泵的极限真空度 【t o r r 】，为空载时，长期抽气后真空室的气体负载，包括漏气、材料表面出气 等) 【而”，s 】，s 为真空室抽气口附近泵的有效抽速。 真空泵组是由一台次级泵f 4 5 0 型涡轮分子泵( 抽速4 5 0 1 s ) 、一台初级泵 2 x z 8 型直联高速旋片式机械真空泵( 抽速为8 ，s ) 和一台l 2 0 0 型溅射离子泵 ( 抽速2 0 0 1 s ) 组成。其中l 2 0 0 型溅射离子泵的主要目的是维持已经获得的高 真空环境。而2 x z 一8 型直联机械泵和f 4 5 0 型涡轮分子泵用则是来或得最初的高 ! 竺竺兰苎查查兰! 主竺竺堡 ! 量! 竺兰三! 苎兰堡兰! 竺苎兰竺堡竺兰! ! 真空( 1 0 一一1 0 9 t o r r ) ，根据北京科学仪器研制中心提供的数据，这种真空泵 组所能达到的极限真空度为 2 7 x 1 0 一t o r r 。所以我们取p 0 = 2 7 1 0 。9 而”。 我们在所有的法兰接f 】处都使月 了会属刀口密封方式，密封垫圈使用的是无 氧铜密封圈。金属刀口密封方式具有两个突出的优点：l ，放气率非常小；2 ，可 以在高温下烘烤处理，因此可以满足超高真空的要求。使用金属密封方式，经过 常时间高温烘烤后，可以使真空室达到2 1 0 。1 。t o r r 。这个真空度远好于我们的 真空要求，所以这里我们可以忽略法兰接口处的漏气。至于材料表面的出气，主 要包括真空室内壁不锈钢表面出气，和真空室内部各个组件( 电子枪、潘宁阱电 极、电子收集板、安装导轨) 材料表面的出气。在选择组件材料的时候，考虑到 真空要求高，我们主要使用了真空型能很好的不锈钢材料( 出气率 3 0 1 0 一- t t o r r ，s c m2 ) ，日璃微晶陶瓷材料和裸铜导线。后两者虽然出气率较高， 但面积很小，所以它们的出气率可以忽略。 q o 兰q 确锕 = s 币锈 日、协钢 = ( 疗1 0 2 0 0 + 2 厅6 3 0 + 2 丌6 6 0 ) 3 1 0 一 = 2 9 1 0 一t o r r ，s s 真空室抽气f i 附近泵的有效抽速； s ：j 坐 s 。+ u ( 2 7 ) ( 2 8 ) s 。为泵的抽速，我们取为f 4 5 0 型涡轮分子泵抽速4 5 0 l s 。u 为抽气管道流 导。我们的抽气管道为长3 0 c m ，内径6 c m 的不锈钢管，可用短管模型计算其流 导。 u 蛐，譬口 ( 2 ，) 瑾为克劳辛值，当工d = 5 。口= o 7 5 【，：1 2 1 o 7 5 3 0 = 6 53 1 ，s ! ! 翌兰苎查查竺竺主兰竺竺 ! 三! 竺兰三! 苎! ! ! ! 竺兰苎竺兰堡! ! 苎竖 s = 糕4 5 06 53 + = 5 7 l s 这样我们可以得到真空室的极限真空度为： 弓：r + 譬 ：2 7 1 0 一9 + 2 9 x 1 0 。5 7( 2 1 0 ) = 7 7 1 0 9 t o r r 这是从理论上计算出的真空室极限真空度，由于在计算过程中有一些理想化近 似，可能会和实际得到的极限真空有些差别，但是实际的真空度在数量级上应和 理论值一致。可以看出这个极限真空度是完全达到我们理论上的真空度要求的。 2 2 3 真空系统运行 在首次抽真空过程中需要对真空室和离予泵泵体进行烘烤处理，使在暴露大 气时吸附在器件表面的气体被放出，这样对提高以后真空室的真空性能是很有用 处的。 下面是真空系统的操作过程： 1 丌启分子泵与真空室之问的插板阀，打开初级机械泵，将真空室抽至 1 0 t o r r 。这个过程在真空室暴露大气后第一次抽气时会比较慢。 2 丌启次级涡轮分子泵，将真空室抽到极限真空。注意在使用涡轮分子泵 的过程中，需要打丌冷却水开关以冷却泵体，避免泵体过热而发生故障。 另外这个过程在暴露大气后的初次抽气时通常会比较慢。我们用了1 2 小 时将真空室抽到了3 4 x1 0 t o r r 。 3 对真空室进行高温烘烤。为了得到尽可能好的真空度，在真空室正常运 行前，需要进行高温烘烤处理。我们直接利用磁场线圈对真空室内部进 行烘烤，出于磁场线圈耐温的限制，我们把烘烤温度控制在1 0 0 。c 以下， 经过4 8 小时的烘烤，真空室真空度可以上升到5 2 x 1 0 t o r r 。另外在烘 烤真空室的同时我们丌启离子泵与真空室间的插板阀，同时对离子泵泵 体进行烘烤，以放出离子泵泵体内残留的气体。注意烘烤处理只有在真 空系统暴露大气之后的茸次抽真空时需要进行，而平时是不需要的 ! ! 竺兰苎兰查竺! 主竺苎兰 ! 三! 竺兰竺! 三堡! ! 竺苎兰竺兰兰! 竺兰 4 慢慢降低烘烤温度直至完全关闭加热电流，系统真空度上升到 6 3 1 0 9 t e ，r 。这是因为经过烘烤后真空室内部残留的气体分子在温度 降低时重新被吸附到表面，从而使空间中气体密度减小，真空度变好。 5 关闭分子泵与真空室之间的插板阀，关闭分子泵，开启离子泵。过大约 3 0 分钟之后停止机械泵，关闭分子泵冷却水丌关，此后真空系统由离子 泵维持，真空系统进入正常工作状态。 经过烘烤处理后，真空室可以达到6 3 x 1 0 4 t o r r 的真空度，是完全满足我 们真空要求的。烘烤处理只需在暴露大气后的初次抽气是进行。 2 3 约束磁场线圈设计制作 2 3 i 磁场线圈制作原则 浠宁阱中，在电场和磁场的联合作用下电予可以被长时间约束。电子在轴向 受到潘宁电场的约束，而沿着径向方向的约束则足由轴向磁场提供的，所以磁场 是潘宁阱约束电子等离予体的一个重要因素。磁场的强弱是和潘宁阱对电子等离 予体的约束性能直接相关的，这也是我们将要研究的一个方面。 为了较好的约束电子和进行实验，我们对约束磁场有以下几方面的要求，这 些也是在设计和制作磁场线圈是我们需要主要考虑的： 1 磁场在实验区域可以认为理想空间均匀。这是一个重要的条件，因为在 均匀的磁场中可以减小电子等离子体的不稳定型，从而更好的约束电子。 另外，在均匀的磁场中，在实验中我们可以不用考虑很多对实验无益的 因素，从而可以很大的简化我们的实验，给实验带来方便。 2 磁场强度可以连续调节，有一定的调节精度。因为在潘宁阱中约束磁场 是直接和电子等离子的约束状态相关的，所以在测量磁场强度和电等离 子体特征约束时间的定标关系时需要连续调节磁场。 3 可产生尽量大的磁场。为了在尽量大的磁场范围内检验我们得到的磁场 与电子等离子体特征约束时问的定标关系，大的磁场调节范围对我们的 实验是有好处的。 ! ! 翌竺苎查查竺里主兰苎兰 苎三! 竺兰三! ! 三竺! ! 竺苎兰竺竺兰兰竺兰 实现轴向均匀磁场的方式很多，例如加赫姆霍兹线圈或螺线管。而产生的场 强度的大小则取决于电流圈数和单圈的电流容量。 在我们设计和制作的潘宁阱电予等离子体装置巾，实现这一磁场的最为简单 经济的方式就是在真空室外缠绕磁场线圈。在设计和制作磁场线圈时，磁场强度 的大小主要出缠绕线圈的方式和线圈的安扎数决定，提高安扎数可以通过提高单 圈的电流大小或者增加线圈缠绕密度和层数。对于我们的实际情况，由于磁场线 圈并非超导材料，单圈i 乜流不能太大，否则功耗过大容易烧坏线圈绝缘层。另一 方面，线圈缠绕密度和层数的增加也受到真空室尺度和线圈材料损耗的限制。所 以在设计磁场线圈时我们首先要从这两方面进行优化。 首先我们确定线圈的缠绕方式为密绕型缠绕，制作原则如下 1 手工绕制，选用线规应易于绕制，因而线规尺度不宜太粗 2 缠绕方式为单向缠绕，即从始端绕至终端为一层 3 密合缠绕，匝与匝、层与层之问不留空隙 4 多层并联，由一人电流稳恒电流源提供电流 5 水冷方式冷却线圈，防止线圈过热 2 3 2 磁场线圈优化设计 首先我们来分析一下无限长螺线管产 生的磁场位形。 无限长螺线管沿轴向方向上是完全对 称的，所以在螺线管内部磁场强度沿轴向是 均匀的，即b ( z ，r ) = b ( z ：，r ) 。另外从对称 性上