（核能科学与工程专业论文）dnb电源及监控系统的研究.pdf

摘要 摘要 中性粒子不受约束磁场的影响能直接注入到等离子体中。通过中性粒子柬与 等离子体的电荷交换可以诊断托卡马克中等离子体参数。中性束诊断是核聚变实 验装置上一种重要的物理诊断系统，对h t - 7 和e a s t 实验研究有重要意义。论 文就d n b 装置中的关键部分电源系统进行探讨，研究并设计了电源监控系 统。 d n b 电源系统结构复杂，可靠性要求高。如何实现电源安全稳定的运行是 d n b 系统首先要考虑的问题。论文研究了9 路电源( 缓冲器电源、弧电源、抑 制极电源、偏转磁体电源、加速极电源和4 路灯丝电源) 的结构和特点，设计了 基于分布式控制结构的电源监控系统。该监控系统实现了对各个子系统的控制， 保证了电源系统的正常工作。根据d n b 实验对各个子系统投入的时序要求，采 用上位机与p i c 单片机相结合的模式，运用串口通讯技术实现了时序的远程设定 与监控。针对实验数据访问与管理的问题，研究并设计了基于b s 模式的d n b 实验数据管理系统。最后，论文对d n b 系统进一步的研究提出了一些建议。 实验表明，研制的电源监控系统运行稳定可靠，达到d n b 系统的要求，在 几轮h t - 7d n b 实验中得到了较好的结果，为将来d n b 投入e a s t 实验奠定了 良好的基础。 关键词：h t - 7 ，诊断中性束束源，电源，监控系统 d n bi 乜源及监控系统的研究 a b s t r a c t t h en e u t r a lp a r t i c l ec a l lb e p o u r e d i n t op l a s m ad i r e c t l yd u et on o tb e i n g r e s t r a i n e db ym a g n e t i c - f i e l d t h ed e t e c t i o no fp l a s m ap a r a m e t e ri nt o k a m a kc a l lb e i m p l e m e n t e db ym e a n so fc h a r g ee x c h a n g ew i t han e u t r a lb e a m t h ed i a g n o s t i c n e u t r a lb e a m ( d n b ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h y s i c sd i a g n o s t i cs y s t e m si nf u s i o n e x p e r i m e n td e v i c e sa n di so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rh t - 7a n de a s te x p e r i m e n t a l r e s e a r c h t h ep o w e r s u p p l i e so fd n bs y s t e ma l ed i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o na n dt h e d e s i g no ft h em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mt ot h ep o w e rs u p p l i e si sp r e s e n t e di nd e t a i l s t h ep o w e rs u p p l ys y s t e mi sq u i t ec o m p l i c a t e da n di t sr e l i a b i l i t yp e r f o r m a n c ei s c r i t i c a lt ot h ew h o l es y s t e m t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt oc o n s i d e rh o wt oe n s u r et h e s a f e t ya n ds t a b i l i z a t i o no fp o w e rs u p p l i e sw h i l ed e v e l o p i n gd n bs y s t e m t h ep o w e r s u p p l ys y s t e mc o n s i s t so fn i n ep o w e rs u p p l i e s ，i n c l u d i n gs n u b b e rb i a s ，a r c ，s u p p r e s s o r , d e f l e c t i o nm a g n e t ，a c c e l e r a t o ra n df o u rf i l a m e n t s t h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co f p o w e rs u p p l ys y s t e mi ss t u d i e d ，a n do n em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do n d i s t r i b u t e dc o n t r o lf r a m e w o r ki sd e s i g n e d t h em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e ms u p e r v i s e s a l ls u b s y s t e m sa n da s s u r e st h a tp o w e rs u p p l i e sw o r kr e g u l a r l y o nt h ep r i n c i p l eo f d n be x p e r i m e n t ，t i m i n gc o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e df o rt h ep u r p o s eo fr e m o t e s e r i n ga n ds u p e r v i s i o nb ya d o p t i n gam o d eo fp ci nc o m b i n a t i o n 、 ，i t l lp i cs c ma n d d e p e n d i n go nt e c h n o l o g yo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n i no r d e rt oa c c e s sa n dm a n a g e e x p e r i m e n t a ld a t a , d n be x p e r i m e n t a l d a t a m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d o n b r o w e r s e r v e rm o d ei si m p l e m e n t e d a tl a s t ，t h ep r o p o s i t i o no ff u r t h e rr e s e a r c hi sp u t f o r w a r d t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mr u n sr e l i a b l ya n d s t a b l y ，m e e t st h er e q u i r e m e n t so fd n bs y s t e m o nh t 7d n be x p e r i m e n t ，g o o d r e s u l t sa leo b t a i n e d i tw i l lo f f e ra ne x c e l l e n tb a s e m e n tf o ra d v a n c e d p h y s i c a l e x p e r i m e n ti ne a s t k e y w o r d s h t 0 7 ，d i a g n o s t i cn e u t r a lb e a m ，b e a ms o u r c e ，p o w e rs u p p l i e s m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m 第一束引官 1 1 能源问题与核聚变的研究 第一章引言 能源是人类文明得以维持和发展的基础n3 。地球上可以提供的能源是有限的， 除了可以重复从产生的水力，生物能，风能，潮汐与海浪等资源外，一切化石燃 料资源如石油，煤炭，天然气和其他可燃气体都只能越用越少，有的甚至枯竭， 因此对于人类而言，要解决的一个最基本和极其重要的课题就是能源问题。显然， 对于今后经济的可持续发展，能源问题是重中之重。科学家们认识到，要解决人 类的能源问题，必须大规模使用太阳能和开发核能。核能分为两种：一种是由重 原子核裂变而释放的能量；另一种是由轻核聚变为重核释放的能量。核裂变能目 前已成为人类能源的一个组成部分，但核裂变燃料是有限的，同时也存在放射性 污染的问题。核聚变能具有以下几个突出优点：单位质量的氘核聚变时能够释放 出巨大的能量：地球上氘的储量极为丰富；放射性环境污染不严重，热核反应的 产物基本没有放射性，即使氚有一定的放射性，它也仅是反应的中间产物，比较 容易处理。反应中放出的中子适当处理后对环境没有严重的污染问题。因此核聚 变的研究引起了科学界的极大兴趣，受到了世界各国的广泛重视。 核聚变研究是当代自然科学中一项具有重大意义的前沿研究领域。它的目标 是要在地球上创造像太阳内部那样的极端高温条件，释放巨大的核聚变能量，目 前使用最多的核聚变反应是氘( d ) 、氚( t ) 反应。聚变能要作为稳定的、能广 泛使用的能源，核聚变反应必须是稳态可控的。因此，受控热核聚变一旦实现， 将为人类提供经济、丰富、无环境污染的理想能源。 1 2h t - 7 和e a s t 装置 受控热核反应的研究带动了等离子体物理的研究，首先是磁约束聚变的研 究，它使低密度高温等离于体的研究进入了新阶段。过去，等离子体物理主要是 在气体放电和空间物理研究中应用较多，现在，它已成为掌握磁约束聚变的必不 可少的手段。说到底，几十年的磁约束聚变研究，实际上是关于在具体装置中产 d n b 电源及监控系统的研究 生、加热和约束高温等离于体的研究，是关于温度从几十万度到几亿度，粒子密 度1 0 1 2 - - 1 0 1 6 c i i i 。3 的等离子体的磁流体稳定性、辐射、粒子和能量的输运特性、与 物质材料的相互作用和控制以及如何长期维持等离子体等问题的研究。这些研究 的最终目的是建立磁约束聚变反应堆，它使聚变反应释放的功率大于为加热和约 束等离子体所消耗的功率，并能长时间地运行下去。几十年来，国际上磁约束聚 变能开发研究的历史表明，起决定作用的因素是实验研究，而它们是在大型装置 中进行的。为了探索能够较好地约束住等离子体的磁场位形，曾经提出了各种各 样的方案，建成了种类繁多的各种聚变实验装置。这些装置都有各自的优点，也 有各自的缺点。目前托卡马克装置在各类装置中独占鳌头，受到最广泛的重视， 取得了十分重大的进展。另外，仿星器也在继续发展；磁镜系列的装置也有几种 不同类型，其中串列磁镜较受重视；箍缩类装置中的环形反向场箍缩装置也有较 大进展，受到更多人的重视。除了这些，还有各种类型的紧凑装置如球马克装置 等也在继续探索之中。 中国科学院等离子体物理研究所的h t - 7 实验平台是国内第一个超导托卡马 克核聚变实验装置，其主要研究目标是：研究并获得准稳态高温等离子体，并检 验和发展与其相关的工程技术，为未来稳态先进托卡马克聚变堆提供工程技术和 物理基础。h t 一7 是一个庞大的实验系统，它包括h t 一7 超导托卡马克装置本体， 大型超高真空系统，大型计算机控制和数据采集处理系统，大型高功率脉冲电源 及其回路系统，兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统，以及数十种复杂的诊 断测量系统。h t 一7 超导托卡马克装置经过不断的改造和完善，成功地进行了十 几轮实验，并取得若干具有国际影响的科研成果。2 0 0 5 年h t 一7 冬季实验长脉冲 运行突破历史记录，放电时间达到3 0 2 秒，等离子体电流5 0 k a 。h t 一7 超导托卡 马克是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。 e a s t ( e x p e r i m e n t a l a d v a n c e d s u p e r c o n d u c t i n g t o k o m a k ) 全超导非圆截面托卡 马克核聚变实验装置由于采用了先进的非圆截面和全超导技术，且具有主动冷却 结构，它能产生稳态的，具有先进运行模式的等离子体，等离子体稳定运行的时 间会更长，这将使我国的核聚变研究跃上一个新台阶。该装置于2 0 0 6 年9 月首 轮物理放电实验中获得电流超过2 0 0 k a 、时间近3 秒的高温等离子体放电，这使 e a s t 成为世界上第一个建成并正式投入运行的全超导非圆截面核聚变实验装 2 第一章引育 簧，标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平世界，将使我国在人类丌发 核聚变能的过程中做出重要贡献。 1 3 中性束在受控核聚变研究中的的地位和作用 “中性束”一般指的是高能中性氘( 氢或氚) 原子束心1 。目前中小型实验装 置上大多采用中性氢原子柬。中性粒子不受约束磁场的影响，可以方便而直接地 注入等离子体中。在受控核聚变研究中，高能中性束常用于辅助加热等离子体和 非感应驱动等离子体电流，此外中性束还用于诊断等离子体的相关参数。 1 、非感应电流驱动 传统的托卡马克等离子体电流是由变压器产生的环向电压感应出来的。这就 决定了目前的托卡马克等离子体都是脉冲式运行的。由于受变压器伏秒数( 容量) 的限制，托卡马克等离子体电流脉冲都是短暂的，显然，从核聚变研究的最终目 标建立核聚变电站的角度来说，托卡马克的这种脉冲运行方式是不利的，最终建 成核聚变反应堆的托卡马克应该是能够稳定运行的。因此探索能够代替变压器产 生感应电流的其它等离体电流驱动方法使日益受到重视。 中性粒子束大多数沿切线方向注入到托卡马克等离子体中。它们跟背景等离 子体发生碰撞后，变成带正电的离子束，沿环形方向运动，形成离子流。电子具 有跟随离子一起运动的趋势，从而抵消离子流，其结果造成等离子体的整体旋转， 但并不产生净的电流。如果有两组电离态不同的离子，尽管它们携带的电流相等， 即净离子流为零，但它跟电子的碰撞频率是不等的，从而可以产生净电流。向托 卡马克中注入中性粒子束便可以创造这样的条件。 2 、辅助加热 核聚变研究的重要任务之一就是设法把等离子体加热到l o k e v 以上。这是实 现聚变点火必不可少的基本条件之一。主要的加热手段包括欧姆加热，高能中性 粒子束注入加热，大功率射频波加热，绝热压缩加热以及0 i 粒子加热等。通过各 种辅助加热方法，等离子体温度不断升高。当温度足够高时便会发生聚变反应产 生相当多的口粒子。这些粒子被磁场约束在等离子体中，从而可达到加热等离子 体、补偿能量损失的目的。 所有托卡马克的等离子体最初都由环向电流提供欧姆加热，但欧姆加热的效 d n bi u 源及监控系统的研究 率随电子温度的提高而迅速下降。尽管托卡马克是约束非常好的一类装嚣，其加 热电子的极限温度约为2 k e y ，仍离氘氚自持燃烧所需温度很远。对此国际聚变 界的一致看法是需要二次加热( 又称辅助加热) 。二次加热的总功率和功率密度 都比欧姆加热大很多，其最主要的方法是中性束注入和波加热。中性束注入是建 立在强流离子源技术基础上的，中性束加热的过程是相当复杂的。由于托卡马克 中有强磁场，带电粒子不能自由地横越磁力线进入装置中心区，要将高能离子束 注入到等离子体中去是不现实的，因此必须将事先加速到很高能量的离子束变成 高能量的中性粒子束然后再注入到等离子体中去。高能中性粒子束进入到等离子 体中之后，通过跟背景等离子体碰撞变成高能离子而被捕获，再经过库仑碰撞的 热化过程，从而达到等离子体整体加热的目的。目前大型核聚变实验装置都已采 用多个中性束注入系统，同时向等离子体注入。 3 、粒子诊断 进入等离子体的中性粒子与等离子体离子、电子和杂质离子的作用有多种非 弹性碰撞过程，包括激发、碰撞和辐射去激发、电离、电荷交换和被激发原子的 l o r e n t z 场电离3 。高温等离子体粒子诊断方法包括两方面的内容1 ：一是通过测 量和分析等离子体发射的各种粒子，推断等离子体参数；二是从外界发射或注入 某种粒子流作为探针，根据它们和等离子体相互作用所引起的探针束的变化，推 断等离子体的某些参数。其中粒子束探针是十分有用的诊断工具，它可以时、空 分辨地测定等离子体的某些参数，例如等离子体离子密度、z 。厅以及空间电位和 磁场分布等。 目前各种带电的和不带电的粒子束作探针，根据它们和等离子体的相互作用 进行诊断的方法，正日益受到重视，并且己获得一些好的结果。由于中性粒子不 受电磁场作用，中性束注入等离子体后将直接和等离子体中的粒子相互作用，其 结果入射粒子或者因散射而偏离了原来的方向，或者因电离而被电磁场所偏转， 因此沿原方向飞行的粒子束数量就要减少。根据测量粒子束的衰减，就可以推断 等离子体的一些参量。中性束粒子束还常和其它诊断方法相结合，以获得更多的 等离子体数据。一种就是利用电荷交换中性粒子能谱测定离子温度。由于电荷交 换过程中两个原子能量几乎都不发生变化，所以这个中性粒子束虽然具有较高能 量，但并不影响高温离子通过电荷交换生成的中性原子的能谱，从而使电荷交换 4 第一章引言 中性粒子数量增加。此时如果中性粒子能谱仪沿一定的方向转动，测量中性束上 不同点处产生的逃逸中性原子能谱，就可以获得离子温度分布的数据。另一种可 以和中性粒子束相结合的诊断途径就是光谱分析。由于中性粒子在穿过等离子体 的途径中可能受到激发而发出特征谱线，它就会带出等离子体局部地区的参量信 息。 1 4d n b 实验简介 在托卡马克等离子体中，对杂质的研究一直是一个十分重要的课题。一方面 是因为杂质对等离子体的危害极大，另一方面通过对杂质辐射光谱进行分析又 可以得出许多等离子体参数。对于完全剥离的杂质离子的测量，一般采用中性束 注入，通过高电离态杂质离子与中性粒子电荷交换复合辐射，测量出离子密度、温 度和旋转速度等等离子体重要参数，对这方面的研究近年来越来越为人们所重视 陆1 。根据我所和美国德克萨斯大学聚变研究中心的合作计划，对方提供了d n b ( d i a g n o s t i cn e u t r a lb e a m 诊断中性束) 装置一套给我所，由我所恢复该套装 置的运行并投入到我所的h t - 7 及以后的e a s t 实验中，共同研究实验结果。 该套装置涉及到离子源、真空、低温、电源、计算机测量与控制、数据采集 与处理、光谱测量与分析等诸多学科，是一套复杂的的物理诊断系统。其原理是 将阴极灯丝加热，达到发射温度时通入工作气体( h ：或d 2 ) 并接通阳极电压，在 参数匹配合理的情况下，放电室内将产生弧流。当引出系统施加加速极电压和抑 制极电压时，在加速电场的作用下，正离子穿过引出电极孔并以会聚的方向形成 高能离子束进入中性化室，并与气体靶进行电荷交换形成高能中性束注入到高温 等离子体中，未被中性化的离子将被偏转磁场偏转到离子吞噬器上。该套装置主 要由三部分组成：束源系统、电源系统、谱仪测量系统，包括会切磁场型离子源、 四电极引出系统、中性化室、偏转磁场、功率测量靶、离子吞食器、飘移管道、 主真空室、低温吸附泵、辅助真空系统、9 套电源系统、电源监控系统、高压充 电监控系统、真空监控系统、数据采集系统等。 d n b 是h t 一7 托卡马克实验上的一种诊断工具，它接收总控的统一指令，在 合适的时间以合适的位置向等离子体注入用于诊断的中性束流。其工作流程如 下： d n b 电源及监控系统的研究 第一步，检查电源系统和束源系统的状态，包括电源是否准备就绪，真空环 境是否达到可操作气压等，如果状态都满足实验要求，则转入第二步：否则 检查并排除各子系统的故障： 第二步，进入放电前的准备状态：起弧、调节进气量、高压锻炼等； 第三步，预设实验参数并等待总控发出的充电指令：如果收到该信号，则向 电容器组充电；否则继续等待总控指令： 第四步，电容器组充电到预设参数后，自动停止充电，由总控触发放电指令。 整个系统在d n b 时序控制( 包括其余各路电源的投入和关断，气阀和真空隔 离板阀的打开和关闭，数据采集的触发，以及谱仪的启动等) 下，有规则的 进行操作引出中性束流。在放电全过程中，数据采集系统实时连续采集数据， 监控系统全程实时监测； 第五步，放电结束停止出束。如果实验正常，则需等待约5 分钟让真空满足 实验要求后，进行下一次引出中性束操作。否则排查故障。 1 5 论文研究的目的和意义 在d n b 装置中，电源起着非常重要的作用。电源系统能否产生符合离子源 电参数，并且具有良好的调节性能和保护功能，是离子源可靠运行，乃至产生诊 断中性束的关键。为了实现d n b 装置的成功运行，投入h t - 7 实验与电荷交换 复合光谱结合诊断等离子体的相关参数，必须有一套稳定可靠的电源系统和便捷 完善的电源监控系统。 论文依托d n b 装置，研究d n b 电源系统的结构，并在此基础之上探讨并 实现其监控系统，时序控制系统，另外还基于对实验数据的共享和分析，构建 d n b 实验数据管理系统，这些工作解决了科研工作中的急需与难题，对于d n b 装置的运行放电和投入h t - 7 实验均具有重要意义。同时也为将来d n b 装置改 造升级后投入e a s t 实验奠定了良好的基础。 1 6 论文的结构与创新 论文围绕d n b 电源及监控系统分六个章节进行论述。 第一章：引言部分，介绍了中性束在受控核聚变研究中的地位与作用并对 6 第一章引育 d n b 实验作了简要说明。 第二章：对中性束形成机理作了叙述：包括离子的生成、离子束的引出、 离子束的中性化，以及对放电电源的设计要求。 第三章：简要介绍了国外d n b 装黄的组成及实验情况，主要阐述了我所d n b 装置的结构与组成，特别是d n b 系统的9 套电源( 加速极电源，抑制极电源，弧 电源，4 路灯丝电源，缓冲偏置电源，偏转磁铁电源) 及加速极电源和抑制极电源 所采用的四极管与真空三极管。 第四章：主要对d n b 电源监控系统的设计思想、整体架构和实现方法进行了 详细阐述，并对其实现的功能进行了分析和说明。 第五章：主要论述了d n b 系统的时序控制系统。分别从系统的设计、结构、 和运用的技术等角度进行阐述。 第六章：总结与展望。简要概括了论文的工作，并对下一步的研究进行了 展望。 论文在研究和分析了d n b 九路电源的结构和特点的基础上，根据整个系统 运行、控制和保护的要求，从整体和细节两个方面较全面的建立了基于分布式结 构的电源监控系统。基于组态软件和p l c 的监控系统实现了对现场设备的可靠 控制和有效保护，整个系统可靠性高、抗干扰能力好、易于扩展，同时兼具实时 多任务的特点。针对d n b 研制的时序控制系统，体现了柔性设计思想，其设计 主要从系统运行和扩展升级两个方面来考虑。另外，搭建的数据共享平台，采用 当前较流行的数据访问管理模式，较好的满足了实验人员对实验数据的需求。针 对实验过程中出现的干扰情况，采取简单而有力的措施充分保障了电源系统和监 控系统的稳定运行。这些都是论文的特色和创新之处。 d n bi 乜源及监控系统的研究 2 1 离子的产生 第二章d n b 的设计理论 当原子中的电子从外界获得能量时，可以从低能级跃迁到高能级，当这种能 量达到一定数值时，原子中的外层电子就可逃脱原子核的束缚，变成自由电子， 这时原子被电离成自由电子和正离子。 2 1 1 有效截面与平均自由程长度 为了表征给定粒子与其它粒子相互作用的基本过程，人们利用有效截面吒 ( c m 2 ) 这个量( 脚标x 表示过程的截面) e lo 如果一束密度为i i 。( c m _ 3 ) 、截面为s ( c m 2 ) 和速度v 的电子束通过原子密度为，z 。( c m - 3 ) 的气体，则单位时间内在厚为 比的层中，与气体原子相互作用的电子数目等于 s d z 孕：鸭门肌s d z ( 2 1 ) 出 1。“ 式出q 是以( c 加2 ) 单位的系数，在一般情况下它和相互作用粒子的相对速度有 关。利用等式v d t = d z 从( 2 1 ) 式便得到 玎。= 玎。oe x p ( - n 。盯，z ) ( 2 2 ) 式中以。为进入气体时的电子束浓度。在乘积n a o ，z 值很小的情况下( 一次碰撞条 件) ，由( 2 2 ) 得到一个电子通过路程2 所完成的作用次数为 盟玎。仃，z ( 2 3 ) h e o 有时利用碰撞几率只来代替有效截面，只和仃，由下面的等式相联系 n o ，= p o 只 ( 2 4 ) 式中p 。= 孕p 为换算气压。平均自由程长度由下面的关系式来确定： 8 第二帝d n b 的设计理论 五。：l ：上 ( 2 5 ) 1 p o 只n o 。 由研究双成分气体的动力学理论得出，一种成分粒子与另一种成分粒子碰撞的平 均自由程等于 无户磊r t 丽南 6 ) 翮2 ( + 吃) 。( v i + v 2 ) 2 式中1 和吒为粒子半径；v 。和v ：为粒子的平均速度。在单成分气体( b = v ：，1 = r 2 ) 中，平均自由程为 五= 砺1 荔4 2 刀7 2 ” ( 2 7 ) 另外，电离过程的碰撞几率，也可以用1 托气压、零摄氏度下总电离截面墨 来表示。电子与原子碰撞电离截面是同电子的能量密切相关的。当电子能量从小 到大改变时，一般碰撞电离截面是先上升然后下降，具有一定的分布，而且不同 的气体原子，这种分布是不同的。当电子能量很大时，电力截面反而减小，这样 电离的原子束会减少，这便是带电粒子的量子效应在影响。 2 1 2 离子的产生机理 使电子逃脱原子核的束缚，成为自由电子所需要的最低能量，称为电离能。 原子被电离的方法很多，主要有以下几种： ( 1 ) 电子碰撞电离 利用电子( 热发射电子、二次电子、自由电子或电子束) 与气体或蒸气的原子、 分子或原子簇碰撞形成等离子体； ( 2 ) 热表面电离 电离电位较低的元素的原子碰上加热的具有逸出功大的金属表面时，停留一 段时间后，其中的一部分将以离子、另一部分以中性粒子再离丌表面。热金属的 逸出功愈大。则愈有利于正表面电离； ( 3 ) 表面碰撞电离 由外部入射载能离子束、电子束或激光束轰击固体表面，可以喷溅出离子： ( 4 ) 场致发射电离 9 d n bi 乜源及妊控系统的研究 当金属表面处于场强约为1 0 7 v c m 的静电场中，剩余气体的原子或分子就 在表面处电离；如果场强高达1 0 “v c m ，将发生金属表面元素的自发射。 电子和原子碰撞有许多不同的情形，最基本的是电子( e ) 和原子( a ) 碰撞后， 原子被电离，产生离子a + ，除原来的一个电子外有产生了一个新的自由电子，碰 撞后电子的能量减少了，如( 2 8 ) 式所示。另外一种情况是，原子中的电子首先 从入射电子中吸收能量，从低能级跃迁到高能级，成为受激原子a ，受激原子再 与电子碰撞电离产生离子a + ，如( 2 9 ) 式所示。当然电子除了可以与原子一次碰 撞电离外，还可以与原子发生逐级碰撞电离，就是受激原子( 或离子) 再与电子发 生非弹性碰撞而跃迁到更高能级或更高的电荷态。这样经过z 次电离碰撞，每次 只击出一个电子， 最后获得带z 个电荷的离子，产生这个过程的必要条件是： 电子能量必须足够大并且从中性原子第一次被电离直到消亡，离子在电离区内的 存在时间要大于z 次电离碰撞所需的时间，如( 2 1 0 ) 式所示。 a + e = a + + e + e 一 ( 2 8 ) a + e = a + e a + e = a + + e + e 一( 2 9 ) a + e = a 2 + + e + e + + e ( 2 1 0 ) 实际上，在离子产生的过程中也伴随着离子的损失与消亡，这主要体现在以 下三个基本过程中。 ( 1 ) 电荷交换 当离子与离子或原子碰撞时，除了前面所述激发电离外，还可能在它们之间 进行电荷交换。在这个过程中，往往是高电荷态的离子得到电子而导致带电量减 少，电荷态降低：而低电荷态离子失去电子，使低电荷态离子带电量增加，电荷 态提高；对中性原予，则使其电离称为离子。电荷交换也有一定的几率般用电 荷交换截面来表示。电荷交换截面取决于离子所带电荷数，所交换的电荷数以及 元素的电离能。一般，相同元素的离子和中性原子之间的电荷交换截面要远大于 相应的不同元素之间的电荷交换截面。往往是多电荷态离子捕获一个电子的电荷 交换截面最大。这也是多电荷态离子源中多电荷态离子主要的损失机制。电荷交 换截面与离子所带电荷数约成正比关系，即电荷态越高，通过电荷交换而损失的 几率越大。 当然离子电荷交换损失率不只是同电荷交换截面成正比，而且也同中性原子 1 0 第二二章d n b 的设计理论 的速度、密度成正比，而电子碰撞电离形成离子的产生率也不只是同电离截面成 j 下比，更重要的是同热电子的速度和密度成正比。所以电子碰撞电离形成离子的 产生率肯定会高于或至少等于电荷交换导致的损失率。 ( 2 ) 复合 复合是电离的逆过程。电离是原子中的电子从外界吸收能量而逃离原子核的 束缚，而复合是离子捕获电子，使电子重新回到原子的壳层之中。电离有阈过程， 入射粒子或电子能量必须高于某一个值，即电离能。复合则必须满足相反的条件， 由复合组成的粒子( 原子或离子) 必须摆脱剩余的能量，否则定会很快离解。复合 过程中剩余能量一般都是转换成粒子的动能，或以光子的形式辐射出来。复合过 程主要靠正、负离子之间或离子与电子之间的碰撞而发生，如( 2 1 1 ) 式所示。复 合和电离一样，是有一定的几率，同样也是用电离截面来表示。 a + + b - = a + be + a + = a + h v( 2 1 1 ) ( 3 ) 扩散损失 等离子体中总是存在着带电粒子的密度梯度，由于热运动必然会发生由密度 梯度引起的带电粒子的输运过程，这个过程即为扩散。由于等离子体密度梯度的 存在，带电粒子总是会从密度高的地方向密度低的地方扩散。一般来说，放电室 的等离子体中，电子的平均速度远远大于离子的平均速度。这样，在扩散的初期， 会有更多的电子跑向放电室壁，打到壁上，使壁相对于等离子体处于负电位。在 这个负电位产生的电场中使离子向壁的运动得到加速，使电子向壁的运动减速， 在一定的情况下，到达壁上的电子流和离子流相等，达到动态平街。在放电室壁 表面都附着有大量的中性原子，当离子打到壁上时，这些中性原子即与离子发生 复合，或被散射弹回等离子体中。打到壁上发生复合的几率非常高，而被散射弹 回等离子体中的几率较小。离子与器壁处的原子复合后，即变成中性原子，或使 其电荷态降低。所以约束离子是减小扩散损失最有效的方法。 2 2 离子束的引出 在等离子体离子源中，一方面在气体媒质电离度最大的情况下，找到形成具 有必需离子浓度等离于体的适当方法，这主要依赖于离子源的结构；另一方面， 要在离子束流和逸出原子束流比值最大的条件下，产生具有给定能量束，这不仅 d n bi u 源及监拄系统的研究 依赖于离子源的结构，而且还依赖于特殊电极系统( 用来引出离子并形成有必需 离子光学特性和能量的离子束) 的正确选择和实现。形成离子束最简单的方法是 在放电室和与之隔离的电极之间施加一定的高压，这样在放电室和电极之间就形 成了一定的电场。在该电场的作用下，离子从处在高电位的放电室向处于低电位 的电极运动，形成离子束。所以从离子源中引出的离子束的特性和强度不但与施 加的高压、周围的电场分布、电极形状等有关，更重要的是与放电室内等离子体 的特性密切相关。引出系统是决定引出束性能的关键部件，对它的基本要求是n 1 ： ( 1 ) 要能形成聚焦性能良好的束，而且在源参数出现不稳定( 如等离子体密度有 变化) 时，束性能的变化要尽量地小； ( 2 ) 要在指定的引出能量下达到最佳聚焦状态，并在一定发射度( 或散角) 内能获 得最大的束流。通常，系统在最佳聚焦时要有尽可能大的折合导流系数； ( 3 ) 要有尽量大的气阻来维持源与引出后空间之间的气压差，以提高气体利用 率； ( 4 ) 应将电极上的截流和二次电子流，以及在引出空间内产生的各种次级粒子流 减到最小，以提高系统的电效率和延长电极的寿命： ( 5 ) 工艺上应保证引出系统在工作条件( 如受轰、发热等) 下不变形，还应有良好 的对中精度及耐高压和耐轰击的性能，并带有必要的冷却措施，结构要便于 加工和安装； ( 6 ) 引出电源要足够稳定，尽可能不引入新的能散，在大功率离子源中还应提供 在击穿时能使电极免受损坏的保护措施。 2 2 1 离子束的引出方法 等离子体的一个最基本的特性，就是在等离子体区内能保持其准电中性 ( 门= e ) 。这是因为，一旦等离子体内出现很小的正负电荷的不平衡，就会产生 极大的电场，使得正负电荷迅速运动而重新分布，以保持其准电中性。等离子休 内部只有在很小的尺度范围内才容许偏离这种准电中性，这个距离尺度称为德拜 屏蔽长度乃： 1 2 第二章d n b 的设计理论 乃= ( 警卜s ，。2 时c 训 亿 其中玎。是等离子体密度( 厘米- 3 ) ，瓦是电子温度( 电子伏) 。等离子体的另一 个重要性质是，当等离子体处于容器内，或向等离子体伸入一个金属电极时，等 离子体将在容器壁或电极周围形成一个极薄的屏蔽“鞘层”，而使其内部保持电 中性，不受外界的干扰。这种鞘层的厚度大约为几个德拜长度的量级。 由于放电等离子体中电子的平均速度远大于离子的平均速度，所以当一个绝 缘壁和等离子体接触时，开始有比较多的电子流打到这个绝缘壁上，使它充上负 电荷，因而绝缘壁相对于等离于体就处于负电位，这个场减速电子而加速离子。 绝缘壁一直充电到某一负电位缈，在这个电位9 产生的电场作用下，达到壁上的 电子流和离子流相等，即 厚= 等e x p ( 一爿 亿 这种电子和离子以相同速度同时运动的过程称为双极性扩散。这个电位够为： 垆k _ k p r , m 去( 鲁) 眨 称为绝缘壁的浮悬电位。在这种情况下，等离子体边界面s 。就离开壁s ：个数 量级为德拜屏蔽长度的距离。在一般的离子源条件下，这个距离是十分之几毫 米。如果在壁s ：上有直径大于2 a 的孔，则等离子体就由离子源向外渗透。当电 极s 。( 吸极) 有足够大的负电位和适当的形状时，就可以把等离子体边界面近似 地恢复到引出孔平面，这样等离子体边界面就成为发射直线离子束的源，流强为 ，+ = l s o 。 第二种引出方法是把把电极s 。向离子源放电室移动，并在其上加以足够的负 电位，就能够形成凹形等离子体表面，这个凹形表面处于离子源的内部并成为离 子的发射体，它发射的离子通过电极s ：上的孔。在这种情况下，被聚焦的离子束 穿过一个通道( 用来减小由离子源流向真空区域的气流) ，而发射面s 可以远大于 通道的截面s 。= 万2 。因此，就可以提高电离度比较低的离子源的气体利用率。 用第三种引出离子的方法时，等离子体由离子源出来渗透到真空中很远，并 d n bf 也源及监控系统的研究 且在进入透镜的聚焦场区域之前形成扩张的表面，这个表面本身就是粒子的源。 在平板系统中，加速电极附近的电场为 e ：5 6 0 0 ，乒s 必u ( 2 15 ) 式中，为质子束的电流；s 为束截面；u 。为电位差。由这个表示式可见，由于 等离子体发射表面s 的增加，能明显地降低电场e 。在不增大离子源引出孔截面 氐的情况下，即在不提高气体耗率的情况下，增大了发射表面。因此，就提高 了离子束成形系统的电击穿强度。 2 2 2 发射面的调节 在塞尔夫的模型中假设： ( 1 ) 放电在无限大平板间进行，令对称面z = 0 的电位九= 0 ； ( 2 ) 电子密度分布满足玻耳兹曼方程 驴v x p ( ) 弦 ( 3 ) 单位时间单位体积内离子的产生率 一吼剀 眨 其中y = 0 对应均匀初始电子束产生的电离，此时g 芘埘，与z 无关；y = 1 对 应热等离子体的电子产生的电离，此时g 芘珊。，v 即为每个热电子的平均电离 碰撞频率；7 = 2 对应通过激发态原子再碰撞产生的电离，t l 埘go c 刀； ( 4 ) 离子由产生地点飘移到壁的途中不经任何碰撞，不考虑空间的复合等消亡过 程； ( 5 ) 壁处的边界条件是，定向离子流等于无规电子流，忽略壁的电子发射和反射 此时，空间的电位分布满足泊松方程： 坐：一旦：一! 鱼! 二! ! !( 2 1 8 ) 一= 一一= 一：o i z 1 j d z 2 s os o 1 4 第二二帝d n b 的设计理论 枞丙，= f d n i = r = r 赤群丽 所以 窘= 一副层r 蒜浠- n , e x p 圳 亿埘 此方程称为等离子体一鞘层方程。 严格地讲，等离子体区与鞘层区只有在口= 0 ( 口是表征等离子体中心处空间 电荷不平衡度的量) 时才存在唯一确定的“边界”( 7 。，) 即“经典鞘层边界”。但 是，在分析问题时为了使物理图象高晰起见，常把某点定义为两者的边界，并认 为离子由此边界发出，称这个边界为“离子发射面”。经常取7 7 = 7 7 。= o 8 5 4 的经 典鞘层边界作为离子发射面所在地。 离子发射面处的场强由等离子体一鞘层方程确定，它不受外场的影响。根据 对塞尔夫计算算结果的分析，它近似正比于门。t 。可以形象地将离子发射面没 想为一个有弹性的薄膜，等离子体从其一侧对薄膜施加向外的“压力”，此压力 随门。瓦而增加；在另一侧，薄膜则受外电场对它施加的向内的“压力，此压 力取决于引出流密度( 正比于力。瓦) 、引出电压、电极形状和发射面的位置。因 为等离子体电极口对引出场有很大的屏蔽作用，所以只需稍稍调节发射面的形状 ( 曲率) 和位置就能显著改变发射面附近引出场的场强。发射面总是自动地调节到 某个平衡位置，在这个位置上外部引出场的场强等于由等离子体一鞘层方程解得 到的该处的场强，此时发射面两侧的“压力相等，发射面不再移动。从上面的 分析可知，当，g ，l ) 一定时，发射面随引出电压瞻的变化如图2 1 所示。只 有在脆= 绝( 或者说尸= i 刀坨达最佳值尸) 时，以与冶达到最佳匹配，发射 面才处于最佳位置( 曲率) ；此时离子光学系统达到最佳聚焦( 对应发射流几乎全 部通过引出孔，或者一般要求引出束散角最小等) 。 当f a v a 时，发射面“过凹9 99 呈过聚焦状态：反之，瞻 隐时，呈欠 聚焦，甚至发散状态。在这个过程中，发射面发射的流密度几乎不变，随着发射 面大小的微小变动，总的发射电流有小量的改变；但是，出射加速极孔道的引出 离子流却随聚焦状态的不同而急剧变化，常在最佳匹配时达最大值，如果保持 d n bi 乜源及监控系统的研究 瞻不变，改变等离子体的密度( 即发射流密度) ，则发射面也将有类似的调节过 程。应该指出，主要是导流系数和电极几何决定发射面及其附近的等位面的曲率， 发射面只是自洽地处于由空间电荷和引出场决定的某个等位面而己。所以，在一 盯 定电极几何形状下，影响束性能的最本质的因素是导流系数p = ，坐，呀坨，发 v 聊f 射面的调节只是这种影响的一种表现形式。 v a v a 幸 2 3 离子束的中性转换 图2 1 离子发射面随参数的调节 使快离子束俘获或失去电子变成快中性粒子的过程称为离子的中性转换。实 现中性转换的基本方法是：使离子穿过一定形态的物质靶( 称电荷转移靶) ，经快 离子与靶粒子的电荷转移碰撞，部分快离子变成快中性粒子。 在高能离子束的中性化过程中，气体靶厚度是影响中性化效率的一个重要因 素，不同的气体靶厚通常对应着不同的中性化效率。通常中性化室的气体靶靶厚 定义成下式： 7 c - r 以g 出 ( 2 2 0 ) 其中刀。为中性化室内的靶气体密度，上为沿初始束方向靶的长度。此外在正离 子和负离子情况下，气体靶厚度对中性化效率的影响也是不同的，下面对单原子 粒子束与气体靶的相互作用进行分析。 就氢高能离子束而言，如果初始束能量不太高，与气体靶碰撞生成h + 、h 、 h 的截面都很可观，同时在靶中出现的快粒子将包括正、负、零三种状态。电 荷态为j 的束流相对成分f = ( ，= 1 , 0 ，一1 ) 随靶厚万的变化可用下列微分方程组表 1 6 第二章d n b 的设计理论 不： 且有： i d e o - - - - 0 1 0 f 1 一p 们+ 口0 - 1 ) r + 仃圳f 。 孕：一c r i o + 叶l 她+ o o l f o + o j j f 。 ( 2 2 1 ) _ d f 一, ：盯e + 盯叫r p 川+ 仃圳) f 。 r + e + e l = 1 ( 2 2 2 ) 的值决定于在电荷转移碰撞中生成电荷态快粒子及其在碰撞中消亡两过程 的总效果。若当靶厚增加到一定值以后，出现生成与消亡两过程的动态平衡，c 将不再随刀的变化而变化，这种靶定义为平衡靶。对平衡靶有： d p o ：堕：亟：o ( 2 2 3 ) 另外，定义f = l i m c 仁) 为平衡比，其值与初始束电荷态无关，只决定于截面 比。一般情况下可由方程组( 2 2 1 ) 解出束流相对成分与靶厚的关系为： f ，0 ) 2f + 尸( j j ) 、e x p - ( a g k 】+ n o ) e x p 【- ( 口+ g 访】 ( 2 2 4 ) u = 0 , 1 ，- 1 ；j = 0 , 1 ，-