用热表面电离与2.45GHz微波杂合离子源产生数十微安直流Li3+离子束的可行性探究

This topic on the “Investigation on the possibility of micro-ampere scale CW Li3+ ion beam generation with a combination of a heating surface ionization source and a 2.45GHz microwave driven ion source” was proposed to meet the requirement of many high intensity multi-charged particle accelerators for the study on the fundamental research and application research. This topic belongs to international frontier research. The object of this study is to build up a high quality CW Li3+ ion source that has the ability to generate tens-scale micro-ampere beam with a heating surface ionization source combined with 2.45GHz microwave driven ion source. It should have a simpler compact structure, lower cost, and shorter construction period compared with traditional high frequency ECR ion source. In the meantime, investigation will carry out on the front accelerator physics and technology of alkali metal elements such as Lithium plasma generation processes as well as their transportation. This will benefit those low-charged multi-ion accelerators, and will provide a strong fundamental technology support for the future front fast neutron faclity project “Compact Intense Fast NEutron Facility – CIFNEF”. Through this study, we will improve our understanding on the mechanization of high intensity Li3+ beam generation, know more on the new structure of multi-charged ion source and know better on the technique of how to increase low melting point element beam intensity. We hope some characteristic remarks on both practice as well as theory will be made through this study. We also hope our ability of Li3+ like source developing will be classified into the first group around the world.

项目拟开展“热表面电离与2.45GHz微波结合方式来产生数十微安直流Li3+等离子束离子源”的探究，是基于现在很多高电荷态强流加速器的实际需要提出来的基础应用研究，属于国际前沿。项目以研制杂合型2.45GHz微波离子源获得微安量级Li3+离子束为目标，期望研制出一个比高频率ECR离子源的结构更加紧凑、建造周期更短、建造费用低的类似Li3+的中低电荷态的离子源。研究将集中在锂等低温碱金属的供样方式、离子源最佳结构、最佳磁镜比和六级场等方面，探究锂的多电荷态强流离子束产生、传输过程的关键物理与技术问题。这将为未来的“紧凑型强流快中子装置（Compact Intense Fast NEutron Facility - CIFNEF）”的前冲中子源提供先进的实验条件和技术支撑。研究力争在实验和理论两个方面取得标志性的成果，使我国强流类似Li３＋的中低电荷态离子源的整体研究水平进入世界前列。

Li+、Li2+和Li3+离子束被广泛地应用于表面注入改性、中性化概率测量、碰撞电离以及核物理等领域。因此，如何产生各价态的强流锂离子束，一直是离子源领域的研究热点之一。为了提高离子源产生强流锂离子束的能力，研制一台结构紧凑、建造周期短、建造费用低的锂离子源，我们提出了基于表面电离和2.45 GHz 微波放电的复合型离子源方案，并在国家自然科学基金的支持下开展了一系列研究。.1）多功能离子源实验台的研制。为了更加准确、方便的调试包括锂源在内的中低电荷态离子源，研制了一个具备束流强度、离子比、发射度测量功能的离子源实验台，增设了在高压平台与地电位之间的光纤通讯。实验表明，该离子源实验平台对氧、氩离子的传输效率可达80%以上，为锂离子源的研制奠定了坚实的基础。2）锂等离子体机理的研究。为了更加清楚的了解锂等离子体在所设计的磁场中的行为，自主开发了3D静电Particle in Cell 数值模拟程序和基于PIC和时域有限差分的1D3V程序，模拟结果表明在所设计的磁场构型下，电子可以被很好地约束并从微波场中高效地吸收能量。此外，开发了适用于多电荷态离子源的全局模型，定量研究了电子温度、电子密度对中低电荷锂离子产额的影响。3）内/外置锂炉离子源研制。在上述工作的基础上，先后研制了内置锂炉离子源和外置锂炉离子源。通过一系列离子源结构和运行参数优化，实验中成功利用外置锂炉产生了60 μA的Li+离子束。为彻底解决稳定供锂问题，我们提出了内置锂炉的设计方案，并通过实验证实了表面电离和微波放电的结合可以有效提高锂蒸气的电离效率和稳定性，并最终利用该装置成功得到了最高800 μA的Li+离子束。.本项目的开展，证实了2.45 GHz微波离子源在产生强流锂离子束中具有一定潜力，但仍存在很多需要克服的技术难题和物理问题。相关成果对锂等离子体的机理研究、强流锂离子束的产生有一定的参考价值。