中性粒子标定源中聚焦系统的研究

付宏涛, 万 林, 袁志凌, 汪 超, 罗小兵, 臧临阁

(1. 四川大学原子核科学技术研究所 辐射物理及技术教育部重点实验室, 成都 610065;2. 核工业西南物理研究院, 成都 610041)

1 引 言

在核聚变的研究中,加热和约束等离子体,使其产生有效的核聚变反应,实现商用聚变反应堆是我们的目标.因此,研究离子在聚变等离子体中的行为十分重要.中性粒子分析器是测量聚变等离子体离子能谱和质谱的重要工具,它在磁约束聚变和惯性约束聚变研究中扮演着重要角色[1].

核工业西南物理研究院设计了用于HL_2A装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标定源对其进行系统标定工作. 因此,针对该分析器的参数要求,我们展开了中性粒子标定源的设计工作,其中聚焦系统是中性粒子标定源的重要组成部分,因为它决定着束流的传输效率,可以调节束流的焦点位置和焦斑大小.在本工作中,采用CST软件研究了束流在中性粒子标定源中的传输随聚焦系统各部件间的距离、电压的变化情况;利用离子源测试装置对束流剖面进行了初步的测定,并将实验结果与模拟数据进行了对比分析.

2 中性粒子标定源中聚焦系统的组成

中性粒子标定源主要由离子源、聚焦系统、中性化室等组成,其结构框图如图1所示.聚焦系统由三部分组成,分别是单透镜、加速管(具有加速和聚焦作用)和电四极透镜.

图1 中性粒子标定源框图Fig.1 Flow diagram of the neutral particle calibration source

单透镜由3个等径等间距的圆筒电极组成,电极的内径30 mm,间距5 mm,其中,中间电极的长度为10 mm,两端电极的长度均为30 mm. 单透镜被广泛地应用于离子源的初聚系统中[2],因为这种单透镜与空气中单独存在的光学透镜相似,透镜前后媒介的折射率相同,可以通过改变中间电极的电压来改变聚焦特性,同时又不影响和这一透镜相衔接的前后相邻透镜的特性.

我们设计的加速管为等梯度加速管,一共分为6节,每节长度32 mm,内径30 mm,可以承受80 kV的电压.这种加速管在离子光学上是由入口和出口两个膜片透镜加上中间一段等电势梯度区组成的一个透镜系统,可以作为一个厚透镜来分析它的聚焦特性.在聚焦系统中,加速管可以当作具有一定特性的离子光学元件,成为聚焦系统中的一个重要组成部分,将它和初聚系统的成象性质联合起来研究,就可以得到聚焦系统的匹配情况[2-4].

电四极透镜是一种具有面对称场分布的离子光学系统,适用于各种低能(低于1 MeV)粒子的聚焦. 单一的电四极透镜能够实现离子束的线聚焦,双电四极透镜可以实现离子束的点聚焦[5-8]. 本文设计的是双电四极透镜,透镜长度20 mm,间距10 mm,内径30 mm,每两个电极之间的间隙15°. 通过改变电四极透镜上的电压来对束流焦点的大小及位置进行调节.

3 模拟与测试分析

3.1 中性粒子标定源的聚焦模拟

三维电磁仿真软件CST是由总部位于德国达姆斯塔特市的全球最大的电磁场仿真软件公司CST出品的,是面向3D电磁、电路设计者的一款全面、精确的专业仿真软件. 软件覆盖整个电磁频段,包含粒子工作室等八个子软件,并且集成在同一个用户界面内,能够提供完整的部件级和系统级的仿真[9].

本文利用CST对中性粒子标定源的聚焦系统进行了建模,针对不同的极板间距、极板电压进行了仿真,通过分析确定不同参数的改变对束流传输的影响. 图2是中性粒子标定源的仿真模型,A是离子源的引出电极,B是单透镜的中间聚焦电极,C是加速管电极,D是电四极透镜电极;其电压分别为Ui(引出电压)、U(聚焦电压)、Uc(加速电压)和Ud(四极透镜电压),d是单透镜与加速管之间的距离.

图2 中性粒子标定源模型Fig.2 Model of neutral particle calibration source

3.1.1间距d的选取 在聚焦系统中,对单透镜的要求首先就是满足和加速管的匹配,即单透镜的象点与加速管要求的物点重合. 由模拟发现,在取引出电压Ui=1.5 kV时,为了保证束流有较好的聚焦效果,聚焦电压U不能低于1 kV,此时束流在距离单透镜出口200 mm处形成直径为7.2 mm的焦斑;随着电压U的增大,焦点会向B靠近,焦斑也在逐渐减小,当电压U增大到2 kV时,束流会聚焦在单透镜出口处,此时焦斑的直径为2 mm.关于在加速管各种电压比下要求的物点位置,我们利用厄耳凯因的物点与象点的关系式[2]进行了计算,由计算可得,加速管所要求的物点需要在距离加速管入口15～80 mm范围内移动.因此,间距d需要在单透镜的象点和加速管要求的物点的移动范围内选取,即间距d在80～215 mm范围内选取.本文利用CST软件模拟了在不同间距d的情况下束流在聚焦系统中的传输情况(如图3所示),并考虑设备之间的连接等因素确定了间距d=140 mm.

图3 束流传输与距离d的关系:(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电压U、Uc的改变对束流传输的影响 加速管的成象性质是由出射离子能量与入射离子能量的比值所确定的,而出射离子的能量是由加速电压Uc决定的;当电压Uc改变时会影响加速管的聚焦特性,此时为了使束流得到良好的传输,就需要对聚焦电压U和加速电压Uc做相应的调节.例如在取引出电压Ui=1.5 kV、电压U=1.4 kV时,通过调节电压Uc发现,当电压Uc=24 kV时,束流会在距离加速管出口400 mm处形成8.8 mm的焦斑,随着电压Uc的增大,焦点会向加速管出口靠近,焦斑也会逐渐减小;当电压Uc增大到40 kV时,束流会聚焦在加速管出口处,此时焦斑大小为3.2 mm. 再继续增大电压Uc,束流将会聚焦在加速管内,为了使束流得到良好的传输,需要相应的提高入射离子的能量,即增大电压Ui.

在研究聚焦电压U的改变对束流传输的影响时,取间距d=140 mm、引出电压Ui=1.5 kV、加速电压Uc=30 kV、四极透镜电压Ud=0 V,通过改变电压U,观察束流的传输情况.如图4所示,是电压U为1和1.5 kV时的仿真结果,从图中可以看出电压U的改变对束流传输的影响很明显.经过大量仿真发现,当电压U=0.9 kV时,束流在距离加速管出口400 mm处形成9.5 mm的焦斑,随着电压U的增大,焦点向加速管出口靠近,焦斑也逐渐减小,当电压U增大到1.8 kV时,束流在加速管出口处形成3.8 mm的焦斑.

图4 束流传输与电压U的关系: (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

图5 束流传输与电压Ud的关系: (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电压Ud的改变对束流传输的影响 为了对从加速管中引出的束流进行再次聚焦,我们在加速管与中性化室之间设置了电四极透镜,通过改变四极透镜电压Ud对束流焦点的位置和焦斑大小进行调节,从而使束流可以良好的输运到中性化室.考虑到加速管出射束流的焦点位置及设备之间的连接等因素,当取电四极透镜与加速管出口的距离为400 mm时,由模拟发现能够满足在大多数的加速电压下对束流具有良好的聚焦.

在仿真四极透镜电压Ud的改变对束流传输的影响时,取间距d=140 mm、引出电压Ui=1.5 kV、聚焦电压U=1.2 kV和加速电压Uc=30 kV,只改变电压Ud,观察束流传输的变化情况(如图5所示).由模拟发现,当电压Ud低于1.2 kV时,束流的聚焦效果不太明显;当Ud=1.2 kV时,束流在距离电四极透镜500 mm处形成6.2 mm的焦斑;当电压Ud增大到2 kV时,束流能够在距离透镜420 mm处形成2 mm的焦斑;再继续增大电压Ud,焦点继续向透镜靠近,但是焦斑会逐渐增大,当电压Ud增大到5 kV时,束流能够在距离透镜70 mm处形成9.2 mm的焦斑.此外,当电压Ui、U、Uc变化时,通过电压Ud的调节,束流的焦点位置和焦斑大小的变化范围基本不变.

3.1.4束斑直径R与电压U的关系 为了将模拟数据与实验结果进行对比,我们对单透镜中束流直径R随聚焦电压U的变化进行了模拟.在模拟过程中,取引出电压Ui=3 kV,电压U为2.8～3.5 kV(主要在束径变化的拐点附近取值),单透镜两端电极的电压均为零,通过调节电压U来观察束斑的变化情况. 为了准确地获得束斑的大小,在距离单透镜80 mm处设置了探测面.

图6是引出电压Ui=3 kV时束斑直径R随聚焦电压U的变化关系. 从图中可以看出,随着电压U的不断增大,测得的束斑大小是先减小后增大;这说明开始时电压U较小,束流处于弱聚焦状态,随着电压U的不断增大,束流逐渐达到最佳聚焦状态,此后再增大电压U,束流就会产生过聚焦而变成发散状态.

图6 束径R与电压U的关系Fig.6 Beam diameter R versus the voltage U

图7 离子源测试装置示意图Fig.7 Configuration of the ion source test device

3.2 单透镜聚焦测试

为了验证模拟数据的可靠性,在离子源测试装置上对引出束流的剖面进行了测定,离子源测试装置主要由离子源、单透镜、偏转磁铁等组成,如图7所示. 实验利用了超薄塑料闪烁体吸收高能粒子或射线后能够发光的特性对单透镜的聚焦情况进行了测试,采用的塑料闪烁体是边长为30 mm的正方形,厚度为0.025 mm,闪烁体置于距离单透镜80 mm处.

在实验过程中,取引出电压Ui=3 kV,通过将聚焦电压U在2.8～3.5 kV范围内调节来观察束流的聚焦情况,并利用相机记录了束斑的形状. 如图8所示,图8(a)～(c)是电压Ui=3 kV的引出束流分别在2.9、 3.2和3.4 kV聚焦电压下打到塑料闪烁体上的发光情况.

图8 束流的聚焦图像: (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

从图8中可以看出束流具有明显的聚焦. 由图6中的模拟结果可知,电压Ui=3 kV的引出束流在2.9、 3.2和3.4 kV的聚焦电压下分别可以得到R为9.6、 5.2和8.3 mm的束斑.通过将图8中的束斑图像与图6中的模拟数据进行对比,发现实验结果与模拟数据吻合较好,表明模拟计算是可靠的.

4 结 论

研究设计了用于中性粒子标定源的聚焦系统.采用CST软件构建了聚焦系统的仿真模型,模拟了束流在聚焦系统中的传输情况,仿真结果表明:通过对引出电压Ui、聚焦电压U、加速电压Uc和四极透镜电压Ud的调节,可以使束流焦点在距离电四极透镜较大的范围内调节,且最小能够得到直径为2 mm的焦斑,能够满足中性粒子标定工作的要求(5 mm). 利用离子源测试装置对束流剖面进行了初步测定,实验结果验证了模拟计算的数据是正确可靠的.