空心阴极效应对潘宁负氢离子源影响机理研究

Negative hydrogen ion sources are favoured by the field of Particle Accelerator, due to the outstanding characters of negative hydrogen ion (H-). Negative hydrogen Penning ion source (NP) is a kind of primary way to generate H-, but the fierce erosion on the cathode is limiting the traditional NP’s working life which uses self-heated cathode working in arc-discharge condition. In order to overcome this innate defect, we are going to bring the Hollow Cathode Effect (HCE) in NP, so that the lifetime of NP could be improved and the yield of H- could be improved too. This project will combine experiment, numerical simulation and theory to make sure the HCE happen in NP, discuss what will happen when the HCE occurs in strong magnetic field and arc-discharge, and how can we lead this phenomenon appeared. Amounts of work will be done at some significant matters, such as the detail physics principle of the HCE when it happens, what role the HCE played in the NP, the relativity between HCE and parameters of HCE, improve the knowledge of NP. As a result on structures, we would gain an outstanding HCE-NP on its property. The study of this exploring task can make a very meanful work on every kind of penning ion source, it can prove whether HCE happened in strong magnetic and arc-discharge would promote NP's life, if the result is positive ,this study can provide a new way to improve Penning ion sources’ working life.

由于负氢离子各种优异的特性，负氢离子源正受到粒子加速器行业的青睐。潘宁型负氢离子源是产生负氢离子的主要途径之一，而阴极的强烈烧蚀却限制了传统的自热式阴极弧放电潘宁源的使用寿命与H-离子产率，本项目将向负氢潘宁源内引入空心阴极效应，以此来提升离子源的寿命、提升H-离子的产率。课题将采用实验、模拟、理论相结合的方法进行研究工作，在离子源中实现空心阴极效应，研究空心阴极效应中发生的主要物理过程，结合离子源的放电特性研究空心阴极效应与离子源放电各参数之间的耦合关系，提升离子源性能，丰富对潘宁负氢源的理论认识。课题的研究将证明在强磁场、弧放电情况下空心阴极效应提升离子源寿命的可行性，为当前各类潘宁型离子源的延寿做出有意义的探索性工作，一旦取得较好的研究成果，将会为提升潘宁源的寿命提供一条新的解决方案。

负氢潘宁离子源是一种紧凑型离子源，它被广泛应用在各种加速器中。离子源通常在大功率直流放电时工作，以提供高的负氢离子产额。在这种情况下，由于激烈的离子碰撞，阴极将发生强烈的离子溅射和蒸发。然后阴极溅射材料将沉积在离子源放电室的内壁上。这些附着物可能引起放电室结构的微小变化，影响离子束提取的稳定性。此外，这些附着物还可能意外破裂和剥落，导致电场分布的突然变化甚至短路，大大降低离子源的工作寿命。为了延长离子源的寿命，本项目在自然科学基金的资助下研究了离子源阴极结构与放电参数的相关性。本工作通过对空心阴极理论的深入研究提出了电子捕获方式的补充理论，阐明了空心阴极效应发生所需气压的另一最小值。研究了阴极发射状态与等离子体参数之间的耦合关系，获得了离子轰击与阴极发射能力之间的数值关系。研究了磁场作用下的阴极电子发射能力，并将其拓展到热场致发射阴极，提出了新的理论。设计了强磁下空心阴极的结构，使其能够克服磁场对阴极发射能力的限制。依据理论结果设计了一个强磁场下的空心阴极潘宁离子源，发现其非常特殊的运行特性并进行了理论解释。该结构能够有效提升阴极的发射性能，并降低离子在阴极上的轰击与烧蚀。