付宏濤, 萬 林, 袁志凌, 汪 超, 羅小兵, 臧臨閣

(1. 四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所 輻射物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610065;2. 核工業(yè)西南物理研究院, 成都 610041)

1 引 言

在核聚變的研究中,加熱和約束等離子體,使其產(chǎn)生有效的核聚變反應(yīng),實(shí)現(xiàn)商用聚變反應(yīng)堆是我們的目標(biāo).因此,研究離子在聚變等離子體中的行為十分重要.中性粒子分析器是測(cè)量聚變等離子體離子能譜和質(zhì)譜的重要工具,它在磁約束聚變和慣性約束聚變研究中扮演著重要角色[1].

核工業(yè)西南物理研究院設(shè)計(jì)了用于HL_2A裝置上的中性粒子分析器,而中性粒子分析器在使用前需要利用中性粒子標(biāo)定源對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定工作. 因此,針對(duì)該分析器的參數(shù)要求,我們展開了中性粒子標(biāo)定源的設(shè)計(jì)工作,其中聚焦系統(tǒng)是中性粒子標(biāo)定源的重要組成部分,因?yàn)樗鼪Q定著束流的傳輸效率,可以調(diào)節(jié)束流的焦點(diǎn)位置和焦斑大小.在本工作中,采用CST軟件研究了束流在中性粒子標(biāo)定源中的傳輸隨聚焦系統(tǒng)各部件間的距離、電壓的變化情況;利用離子源測(cè)試裝置對(duì)束流剖面進(jìn)行了初步的測(cè)定,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析.

2 中性粒子標(biāo)定源中聚焦系統(tǒng)的組成

中性粒子標(biāo)定源主要由離子源、聚焦系統(tǒng)、中性化室等組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.聚焦系統(tǒng)由三部分組成,分別是單透鏡、加速管(具有加速和聚焦作用)和電四極透鏡.

圖1 中性粒子標(biāo)定源框圖Fig.1 Flow diagram of the neutral particle calibration source

單透鏡由3個(gè)等徑等間距的圓筒電極組成,電極的內(nèi)徑30 mm,間距5 mm,其中,中間電極的長(zhǎng)度為10 mm,兩端電極的長(zhǎng)度均為30 mm. 單透鏡被廣泛地應(yīng)用于離子源的初聚系統(tǒng)中[2],因?yàn)檫@種單透鏡與空氣中單獨(dú)存在的光學(xué)透鏡相似,透鏡前后媒介的折射率相同,可以通過改變中間電極的電壓來改變聚焦特性,同時(shí)又不影響和這一透鏡相銜接的前后相鄰?fù)哥R的特性.

我們?cè)O(shè)計(jì)的加速管為等梯度加速管,一共分為6節(jié),每節(jié)長(zhǎng)度32 mm,內(nèi)徑30 mm,可以承受80 kV的電壓.這種加速管在離子光學(xué)上是由入口和出口兩個(gè)膜片透鏡加上中間一段等電勢(shì)梯度區(qū)組成的一個(gè)透鏡系統(tǒng),可以作為一個(gè)厚透鏡來分析它的聚焦特性.在聚焦系統(tǒng)中,加速管可以當(dāng)作具有一定特性的離子光學(xué)元件,成為聚焦系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,將它和初聚系統(tǒng)的成象性質(zhì)聯(lián)合起來研究,就可以得到聚焦系統(tǒng)的匹配情況[2-4].

電四極透鏡是一種具有面對(duì)稱場(chǎng)分布的離子光學(xué)系統(tǒng),適用于各種低能(低于1 MeV)粒子的聚焦. 單一的電四極透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)離子束的線聚焦,雙電四極透鏡可以實(shí)現(xiàn)離子束的點(diǎn)聚焦[5-8]. 本文設(shè)計(jì)的是雙電四極透鏡,透鏡長(zhǎng)度20 mm,間距10 mm,內(nèi)徑30 mm,每?jī)蓚€(gè)電極之間的間隙15°. 通過改變電四極透鏡上的電壓來對(duì)束流焦點(diǎn)的大小及位置進(jìn)行調(diào)節(jié).

3 模擬與測(cè)試分析

3.1 中性粒子標(biāo)定源的聚焦模擬

三維電磁仿真軟件CST是由總部位于德國(guó)達(dá)姆斯塔特市的全球最大的電磁場(chǎng)仿真軟件公司CST出品的,是面向3D電磁、電路設(shè)計(jì)者的一款全面、精確的專業(yè)仿真軟件. 軟件覆蓋整個(gè)電磁頻段,包含粒子工作室等八個(gè)子軟件,并且集成在同一個(gè)用戶界面內(nèi),能夠提供完整的部件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的仿真[9].

本文利用CST對(duì)中性粒子標(biāo)定源的聚焦系統(tǒng)進(jìn)行了建模,針對(duì)不同的極板間距、極板電壓進(jìn)行了仿真,通過分析確定不同參數(shù)的改變對(duì)束流傳輸?shù)挠绊? 圖2是中性粒子標(biāo)定源的仿真模型,A是離子源的引出電極,B是單透鏡的中間聚焦電極,C是加速管電極,D是電四極透鏡電極;其電壓分別為Ui(引出電壓)、U(聚焦電壓)、Uc(加速電壓)和Ud(四極透鏡電壓),d是單透鏡與加速管之間的距離.

圖2 中性粒子標(biāo)定源模型Fig.2 Model of neutral particle calibration source

3.1.1間距d的選取 在聚焦系統(tǒng)中,對(duì)單透鏡的要求首先就是滿足和加速管的匹配,即單透鏡的象點(diǎn)與加速管要求的物點(diǎn)重合. 由模擬發(fā)現(xiàn),在取引出電壓Ui=1.5 kV時(shí),為了保證束流有較好的聚焦效果,聚焦電壓U不能低于1 kV,此時(shí)束流在距離單透鏡出口200 mm處形成直徑為7.2 mm的焦斑;隨著電壓U的增大,焦點(diǎn)會(huì)向B靠近,焦斑也在逐漸減小,當(dāng)電壓U增大到2 kV時(shí),束流會(huì)聚焦在單透鏡出口處,此時(shí)焦斑的直徑為2 mm.關(guān)于在加速管各種電壓比下要求的物點(diǎn)位置,我們利用厄耳凱因的物點(diǎn)與象點(diǎn)的關(guān)系式[2]進(jìn)行了計(jì)算,由計(jì)算可得,加速管所要求的物點(diǎn)需要在距離加速管入口15～80 mm范圍內(nèi)移動(dòng).因此,間距d需要在單透鏡的象點(diǎn)和加速管要求的物點(diǎn)的移動(dòng)范圍內(nèi)選取,即間距d在80～215 mm范圍內(nèi)選取.本文利用CST軟件模擬了在不同間距d的情況下束流在聚焦系統(tǒng)中的傳輸情況(如圖3所示),并考慮設(shè)備之間的連接等因素確定了間距d=140 mm.

圖3 束流傳輸與距離d的關(guān)系:(a) d=100 mm; (b) d=140 mmFig.3 Beam transmission versus the distance d: (a) d=100 mm; (b) d=140 mm

3.1.2電壓U、Uc的改變對(duì)束流傳輸?shù)挠绊?加速管的成象性質(zhì)是由出射離子能量與入射離子能量的比值所確定的,而出射離子的能量是由加速電壓Uc決定的;當(dāng)電壓Uc改變時(shí)會(huì)影響加速管的聚焦特性,此時(shí)為了使束流得到良好的傳輸,就需要對(duì)聚焦電壓U和加速電壓Uc做相應(yīng)的調(diào)節(jié).例如在取引出電壓Ui=1.5 kV、電壓U=1.4 kV時(shí),通過調(diào)節(jié)電壓Uc發(fā)現(xiàn),當(dāng)電壓Uc=24 kV時(shí),束流會(huì)在距離加速管出口400 mm處形成8.8 mm的焦斑,隨著電壓Uc的增大,焦點(diǎn)會(huì)向加速管出口靠近,焦斑也會(huì)逐漸減小;當(dāng)電壓Uc增大到40 kV時(shí),束流會(huì)聚焦在加速管出口處,此時(shí)焦斑大小為3.2 mm. 再繼續(xù)增大電壓Uc,束流將會(huì)聚焦在加速管內(nèi),為了使束流得到良好的傳輸,需要相應(yīng)的提高入射離子的能量,即增大電壓Ui.

在研究聚焦電壓U的改變對(duì)束流傳輸?shù)挠绊憰r(shí),取間距d=140 mm、引出電壓Ui=1.5 kV、加速電壓Uc=30 kV、四極透鏡電壓Ud=0 V,通過改變電壓U,觀察束流的傳輸情況.如圖4所示,是電壓U為1和1.5 kV時(shí)的仿真結(jié)果,從圖中可以看出電壓U的改變對(duì)束流傳輸?shù)挠绊懞苊黠@.經(jīng)過大量仿真發(fā)現(xiàn),當(dāng)電壓U=0.9 kV時(shí),束流在距離加速管出口400 mm處形成9.5 mm的焦斑,隨著電壓U的增大,焦點(diǎn)向加速管出口靠近,焦斑也逐漸減小,當(dāng)電壓U增大到1.8 kV時(shí),束流在加速管出口處形成3.8 mm的焦斑.

圖4 束流傳輸與電壓U的關(guān)系: (a) U=1 kV; (b) U=1.5 kVFig.4 Beam transmission versus the voltage U: (a) U=1 kV; (b) U=1.5 kV

圖5 束流傳輸與電壓Ud的關(guān)系: (a) Ud=1 kV; (b) Ud=3 kVFig.5 Beam transmission versus the voltage Ud: (a) Ud=1 kV; (b) Ud=3 kV

3.1.3電壓Ud的改變對(duì)束流傳輸?shù)挠绊?為了對(duì)從加速管中引出的束流進(jìn)行再次聚焦,我們?cè)诩铀俟芘c中性化室之間設(shè)置了電四極透鏡,通過改變四極透鏡電壓Ud對(duì)束流焦點(diǎn)的位置和焦斑大小進(jìn)行調(diào)節(jié),從而使束流可以良好的輸運(yùn)到中性化室.考慮到加速管出射束流的焦點(diǎn)位置及設(shè)備之間的連接等因素,當(dāng)取電四極透鏡與加速管出口的距離為400 mm時(shí),由模擬發(fā)現(xiàn)能夠滿足在大多數(shù)的加速電壓下對(duì)束流具有良好的聚焦.

在仿真四極透鏡電壓Ud的改變對(duì)束流傳輸?shù)挠绊憰r(shí),取間距d=140 mm、引出電壓Ui=1.5 kV、聚焦電壓U=1.2 kV和加速電壓Uc=30 kV,只改變電壓Ud,觀察束流傳輸?shù)淖兓闆r(如圖5所示).由模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)電壓Ud低于1.2 kV時(shí),束流的聚焦效果不太明顯;當(dāng)Ud=1.2 kV時(shí),束流在距離電四極透鏡500 mm處形成6.2 mm的焦斑;當(dāng)電壓Ud增大到2 kV時(shí),束流能夠在距離透鏡420 mm處形成2 mm的焦斑;再繼續(xù)增大電壓Ud,焦點(diǎn)繼續(xù)向透鏡靠近,但是焦斑會(huì)逐漸增大,當(dāng)電壓Ud增大到5 kV時(shí),束流能夠在距離透鏡70 mm處形成9.2 mm的焦斑.此外,當(dāng)電壓Ui、U、Uc變化時(shí),通過電壓Ud的調(diào)節(jié),束流的焦點(diǎn)位置和焦斑大小的變化范圍基本不變.

3.1.4束斑直徑R與電壓U的關(guān)系 為了將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,我們對(duì)單透鏡中束流直徑R隨聚焦電壓U的變化進(jìn)行了模擬.在模擬過程中,取引出電壓Ui=3 kV,電壓U為2.8～3.5 kV(主要在束徑變化的拐點(diǎn)附近取值),單透鏡兩端電極的電壓均為零,通過調(diào)節(jié)電壓U來觀察束斑的變化情況. 為了準(zhǔn)確地獲得束斑的大小,在距離單透鏡80 mm處設(shè)置了探測(cè)面.

圖6是引出電壓Ui=3 kV時(shí)束斑直徑R隨聚焦電壓U的變化關(guān)系. 從圖中可以看出,隨著電壓U的不斷增大,測(cè)得的束斑大小是先減小后增大;這說明開始時(shí)電壓U較小,束流處于弱聚焦?fàn)顟B(tài),隨著電壓U的不斷增大,束流逐漸達(dá)到最佳聚焦?fàn)顟B(tài),此后再增大電壓U,束流就會(huì)產(chǎn)生過聚焦而變成發(fā)散狀態(tài).

圖6 束徑R與電壓U的關(guān)系Fig.6 Beam diameter R versus the voltage U

圖7 離子源測(cè)試裝置示意圖Fig.7 Configuration of the ion source test device

3.2 單透鏡聚焦測(cè)試

為了驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)的可靠性,在離子源測(cè)試裝置上對(duì)引出束流的剖面進(jìn)行了測(cè)定,離子源測(cè)試裝置主要由離子源、單透鏡、偏轉(zhuǎn)磁鐵等組成,如圖7所示. 實(shí)驗(yàn)利用了超薄塑料閃爍體吸收高能粒子或射線后能夠發(fā)光的特性對(duì)單透鏡的聚焦情況進(jìn)行了測(cè)試,采用的塑料閃爍體是邊長(zhǎng)為30 mm的正方形,厚度為0.025 mm,閃爍體置于距離單透鏡80 mm處.

在實(shí)驗(yàn)過程中,取引出電壓Ui=3 kV,通過將聚焦電壓U在2.8～3.5 kV范圍內(nèi)調(diào)節(jié)來觀察束流的聚焦情況,并利用相機(jī)記錄了束斑的形狀. 如圖8所示,圖8(a)～(c)是電壓Ui=3 kV的引出束流分別在2.9、 3.2和3.4 kV聚焦電壓下打到塑料閃爍體上的發(fā)光情況.

圖8 束流的聚焦圖像: (a) Ui=3 kV, U=2.9 kV; (b) Ui=3 kV, U=3.2 kV; (c) Ui=3 kV,U=3.4 kVFig.8 Photograph of focusing beam: (a) Ui=3 kV, U=2.9 kV; (b) Ui=3 kV, U=3.2 kV; (c) Ui=3 kV,U=3.4 kV

從圖8中可以看出束流具有明顯的聚焦. 由圖6中的模擬結(jié)果可知,電壓Ui=3 kV的引出束流在2.9、 3.2和3.4 kV的聚焦電壓下分別可以得到R為9.6、 5.2和8.3 mm的束斑.通過將圖8中的束斑圖像與圖6中的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)吻合較好,表明模擬計(jì)算是可靠的.

4 結(jié) 論

研究設(shè)計(jì)了用于中性粒子標(biāo)定源的聚焦系統(tǒng).采用CST軟件構(gòu)建了聚焦系統(tǒng)的仿真模型,模擬了束流在聚焦系統(tǒng)中的傳輸情況,仿真結(jié)果表明:通過對(duì)引出電壓Ui、聚焦電壓U、加速電壓Uc和四極透鏡電壓Ud的調(diào)節(jié),可以使束流焦點(diǎn)在距離電四極透鏡較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),且最小能夠得到直徑為2 mm的焦斑,能夠滿足中性粒子標(biāo)定工作的要求(5 mm). 利用離子源測(cè)試裝置對(duì)束流剖面進(jìn)行了初步測(cè)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)是正確可靠的.