宽进气道电子回旋共振离子源电磁场和中性粒子计算研究

传统10cm电子回旋共振离子推力器(ECRIT)离子源的进气道进气面积小、压强损失大,无法直接应用于吸气式电推进系统(ABEP)。针对该问题,本文提出了抗流槽和栅格两种宽面积进气道方案,基于多物理场仿真软件COMSOL、直接蒙特卡洛模拟(DSMC)方法,研究了不同进气道离子源内的微波电磁场分布、中性粒子分布,并通过实验验证了方案的可行性。研究结果表明:抗流槽和栅格进气道的最优结构分别为抗流槽中段长度4mm、栅格厚度2mm,最优结构下,两者离子源放电室微波能量均不低于传统离子源;传统离子源和栅格进气道离子源的推进剂供给压强均随流量线性增加,传统离子源所需供给压强约为栅格进气道离子源的3.86倍;当推进剂流量为2cm^(3)/min时,栅格进气道离子源可正常工作,所需的推进剂供给压强为0.14Pa;对比相近工况下传统氮工质10cm ECR离子源,栅格进气道离子源工作性能未见明显衰减。

HL-2A装置上成像型中性粒子分析器的物理设计和初步实验结果

在HL-2A装置上发展了基于硫化锌银闪烁体的成像型中性粒子分析器,对磁约束聚变等离子体中高能量粒子(EP)的分布、能量和螺距角等关键信息,以及EP与磁流体不稳定性之间的相互作用等物理问题进行了研究.在中性束注入路径上逃逸出的具有等离子体中快离子能量和螺距角信息的中性粒子,通过由入射孔和碳微晶体膜片组成的准直系统后转化为离子,在装置边缘磁场中受洛伦兹力偏转而撞击到闪烁体屏上.通过分析发光点的位置和光强度,可以推断出装置中快离子的位置、能量和螺距角等关键信息.在HL-2A装置高能量粒子物理实验中,通过该诊断和理论计算初步证实了长寿模不稳定性是由能量、螺距角和位置分别为E=12.5—32 keV,θ~149.2°(v///v~0.86)和R=170.5—171.5 cm的芯部快离子激发.

自主火星离子与中性粒子分析仪数据压缩算法设计

火星离子与中性粒子分析仪共设计10种在轨探测模式,不同探测模式下数据率不同,多种探测模式下数据量远超出最大下行数据率的限制。为降低数据率,利用仪器内部FPGA有限的资源对压缩处理方法进行了详细设计。通过分析仪器数据特点,火星离子与中性粒子分析仪压缩算法采用合并处理、对数压缩和无损压缩三种压缩算法组合。对于每种探测模式,FPGA程序可根据压缩标志选择相应压缩算法,实现三种压缩算法串行使用,或选择其中一种或两种算法。并且压缩标志可通过注入指令改写,实现在轨时根据需求灵活配置。合并处理压缩比为2或4,对数压缩的压缩比为2,无损压缩效率与样本数据间的相关性有关。在此基础上,利用等离子体定标测试系统完成了地面测试。测试结果表明,各探测模式下科学数据经过压缩后数据率满足任务指标要求。

电场磁场平行型中性粒子分析器剥离单元和分析单元的设计与模拟

介绍了电场磁场平行型中性粒子分析器(E//B NPA)的剥离单元和分析单元的结构设计。剥离单元由剥离室(包括两个差分管和供气波纹管)、真空室(包括一个中性粒子进入孔和一个离子排出孔)和真空抽气系统组成。计算了分析器的剥离效率,用综合效率的形式R×f_(+1)表示,R是透射率,f_(+1)是电荷态为+1的粒子的比例。E//B NPA的分析磁场由永磁铁、磁极和磁轭构成的磁体来实现,永磁铁的材料是NdFeB,磁极和磁轭的材料是低碳钢。磁极采用收口式设计,以聚焦离子的飞行轨迹,并提高磁场的利用率。通过对电磁场中带电粒子飞行轨迹的模拟,观察到H^(+)和D^(+)在探测面上的离子轰击点分为上下两行,并分别按照能量由低至高从左到右排布。所模拟H^(+)和D^(+)的能量范围分别为20~200keV和10~200keV,可以满足HL-2A和HL-2M装置上中性束注入加热等离子体时快离子质谱和能谱的诊断需求。

飞秒激光用作电离源的二次中性粒子质谱技术

采用纳秒激光代替二次离子质谱中的离子束溅射金属样品,用飞秒激光电离溅射产生的中性溅射粒子,利用自行研制的反射式飞行时间质谱分析相应的离子强度分布和速度分布。研究表明,纳秒激光溅射产物中中性粒子占很大比例,飞秒激光后电离技术可以将检测灵敏度提高60倍以上;通过调节飞秒激光与溅射激光之间的延时,可以获得溅射产生的中性粒子分布,此分布符合Maxwell-Boltzmann模型。在定量分析方面,本方法获得了准确的同位素比例。合金的实验结果表明,本技术在用于成分定量分析之前需要提前标定。本方法在同位素分析应用中具有潜在应用价值。

HL-1装置边缘分子过程对中性粒子输运的影响

本文采用新版的一维中性粒子输运程序,在平板几何下模拟了HL-1装置边缘8cm区域的分子过程及中性粒子与壁相互作用对中性粒子输运的影响,得到了电离速率的径向分布、稳态中性氢原子径向分布、壁与边缘等离子体区之间、芯部等离子体与边缘等离子体之间中性氢各种粒子通量、能量通量并与只含原子过程的类似计算进行了比较,结果表明边缘区的分子过程对巾性氢原子输运有显著的影响。有些结果得到实验的证实。

信号调制法测量中性粒子ESD脱附截面

SD截面是电子诱导脱附研究中的用以描述脱附产物的一个重要物理量 ,中性粒子ESD脱附截面的测量一直是ESD截面测量中比较难以解决的问题。本文介绍了利用信号调制法测量了中性粒子ESD脱附截面的原理 ,同时利用该方法测量了 1× 10 -3 Pa下 ,N2 从多晶W表面脱附时N2 的中性脱附产物的ESD截面 ,并对实验方法及测量结果进行了分析讨论。

二次离子质谱仪中二次中性粒子空间分布研究

为提高二次离子质谱仪(secondary ion mass spectrometer,SIMS)的灵敏度,引入了飞秒激光电离一次离子轰击溅射产生的二次中性粒子。实验以纯银、纯铜为目标样品,利用自主研制的飞行时间质谱仪分析二次后电离的离子,研究二次中性粒子的后电离效率和空间分布。结果表明:飞秒激光电离技术可将仪器的灵敏度提高70倍以上;飞秒激光电离出的107 Ag+和109 Ag+的同位素丰度比值误差为0.8%;二次中性粒子的空间分布符合Maxwell-Boltzmann模型。该结果可为在设计方法上提高SIMS仪器灵敏度提供依据。

中性粒子对强流脉冲离子二极管工作过程的影响

研究了强流脉冲离子二极管中阳极等离子体中的冷中性粒子与束离子的电荷交换条件以及电荷交换作用对空间电荷限制电流密度的影响 ,电荷交换作用产生的热中性粒子快速充满二极管间隙 ,并被电离 。

任意自旋中性粒子在旋转磁场中Bloch方程的严格解

求解了任意自旋中性粒子在旋转磁场下的Bloch方程,通过与用旋转坐标系方法得到自旋为1/2粒子的解进行比较,得到一致的结果.

多道中性粒子能谱仪软件开发

介绍了为自行研制的多道中性粒子能谱仪开发软件的过程和该软件的特点，并重点介绍了在ＨＬ－１Ｍ装置物理实验中利用该软件获得的结果。

离子探针分析与中性粒子束

本文介绍了在国产LT-1离子探针上作的有关中性粒子束的实验工作。描述了中性粒子束密度的测量方法。利用中性粒子束分析导体、半导体和绝缘体,并和负离子分析绝缘体的情况进行对比。总的来看,中性粒子束分析绝缘体的灵敏度很低,在一次离子束中有中性粒子存在时,对质量分辨和微区分析都非常不利。这就说明一次离子束应该加装一个离子束的纯化装置,把包括中性粒子在内的所有杂质粒子都过滤掉,这对离子探针的分析将是很重要的。

Tokamak中中性粒子注入的Monte-Carlo模拟

应用Monte Carlo方法 ,模拟了Tokamak装置中的中性粒子的输运过程 ,模型考虑了中性粒子在等离子体中的电荷交换、电子碰撞电离、离子碰撞电离等离化过程 .以HT 7Tokamak为例 ,计算了在注入超声速中性氢粒子时所产生的氢原子密度空间分布 .模拟结果表明 :随着注入中性粒子束初始能量的增加 ,中性粒子束在等离子体中的渗透距离相应增大 ;而中性粒子在Tokamak中的密度随着注入通量的增加也相应增加 .模拟计算所得的氢原子密度空间分布与经典估计方法的结果在Tokamak中等离子体的边界处较一致 .

HL-2A多道中性粒子分析器的数据处理和试运行的初步结果

根据多道中性粒子分析器的测量原理和HL-2A的特点,编写了基于Matlab的数据处理程序。该程序利用矩阵运算和下标定位技术,提高了代码执行的速度;使用了图形界面,使数据处理更加灵活直观。利用该程序对2009年的结果进行了处理,初步得到了离子温度的时间和空间分布。

溅射中性粒子的质谱研究

一些导体、半导体和绝缘体样品用辉光放电型溅射中性粒子谱仪作了质谱分析。溅射中性粒子流中,原子碎片占多数时,信号离子流能正确反映样品组分的含量;若分子碎片较多时,由于电离时伴有分解过程,定量分析较为困难。

中性粒子标定源中聚焦系统的研究

设计了用于中性粒子标定源的聚焦系统.利用三维电磁仿真软件CST对束流在中性粒子标定源中的输运情况进行了模拟,研究了单透镜与加速管之间的距离、聚焦电压和加速电压的改变对束流轨迹的影响.在离子源测试装置上利用塑料闪烁体对束流剖面进行了初步测定,测试结果与模拟计算相符合.文中得到的数据对中性粒子分析器的标定具有重要参考价值.

紧凑针孔中性粒子分析器标定系统的设计和研制

介绍了紧凑针孔中性粒子分析器(CP-NPA)标定系统,包括一套高能量、小流强的中性粒子束线源和一个配套旋转平台。束线源由高频离子源、电单透镜、速度选择器、加速管、电四极透镜和中性化室组成。高频离子源已经完成研制,并顺利建立起等离子体。单透镜已经完成仿真、制造和测试。实验中引出电压为1.0kV时,调整单透镜聚焦电压最高可以引出36.4μA束流。速度选择器、加速管、聚焦电四极透镜和中性化室也已完成概念/工程设计。

HT-6M上电荷交换中性粒子能谱测量

用10道电荷文换中性粒子分析器测量了HT-6M装置的中性粒子能谱,给出了测量和数据处理方法以及在欧姆加热,高能中性粒子束(NBD)和离子回旋共振辅助加热(ICRH)条件下的能谱和离子温度,并对结果进行了分析讨论。

中性粒子的控制

朱棣文教授祖籍江苏省太仓市 ,生长在美国 ,现任美国斯坦福大学物理系教授 .因发现“激光制冷与原子捕陷”原理 ,获 1 997年诺贝尔物理奖 .由于北京交通大学理学院的李剑君老师从事科技史人物传记与物理部分的研究 ,并与陈子丰撰写了《厚积薄发———朱棣文的科学风采》一书 ,有幸与朱棣文教授建立了联系 .在 2 0 0 2年 ,朱棣文教授亲自将他的诺贝尔演讲稿等资料交给李剑君 ,并授权使用这些资料 .《中性粒子的控制》为朱棣文教授诺贝尔颁奖仪式上所作演讲的文本 .正如作者所言 ,是回顾作者和作者的同事们是怎样开辟研究道路的演讲 .文章从激光冷却、原子捕陷以及相关发现在其它学科的应用 ,阐明了现代科学发现的研究发展脉络 .证明一个现代科学的重大发现 ,是由众多不同专长的科学家互相交流、合作的结果 .本文的重点是围绕作者研究工作的过程展开 ,并阐述了这一重大成果的应用前景 ,从严格意义上说 ,本文不属于学术论文 ,但其研究问题的方法具有普遍意义值得我们借鉴 .在李剑君的组织下 ,在北京交通大学理学院佘守宪教授的指导与帮助下 ,已将这篇演讲稿的英文文本由范玲等人译成中文 ,以特稿的形式发表 .由于篇幅的限制 ,在不影响读者理解的情况下 ,编辑删除了文中的一些插图和全部参考文献 ,并在小标?

HT-7超导托卡马克中性粒子分析谱仪真空系统估算

中性粒子分析(NPA)是一种测量托卡马克中离子温度的方法。对目前HT-7上使用的中性粒子分析谱仪做出了较为详细的结构说明,重点说明并计算了剥离室内外的真空分布,并通过和实际测量对比,验证了系统结构的合理性,为今后新谱仪的设计提供了参考。