中性粒子標定源中聚焦系統的研究

付宏濤, 萬 林, 袁志凌, 汪 超, 羅小兵, 臧臨閣

(1. 四川大學原子核科學技術研究所 輻射物理及技術教育部重點實驗室, 成都 610065;2. 核工業西南物理研究院, 成都 610041)

1 引 言

在核聚變的研究中,加熱和約束等離子體,使其產生有效的核聚變反應,實現商用聚變反應堆是我們的目標.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量聚變等離子體離子能譜和質譜的重要工具,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].

核工業西南物理研究院設計了用于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定源對其進行系統標定工作. 因此,針對該分析器的參數要求,我們展開了中性粒子標定源的設計工作,其中聚焦系統是中性粒子標定源的重要組成部分,因為它決定著束流的傳輸效率,可以調節束流的焦點位置和焦斑大小.在本工作中,采用CST軟件研究了束流在中性粒子標定源中的傳輸隨聚焦系統各部件間的距離、電壓的變化情況;利用離子源測試裝置對束流剖面進行了初步的測定,并將實驗結果與模擬數據進行了對比分析.

2 中性粒子標定源中聚焦系統的組成

中性粒子標定源主要由離子源、聚焦系統、中性化室等組成,其結構框圖如圖1所示.聚焦系統由三部分組成,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 中性粒子標定源框圖Fig.1 Flow diagram of the neutral particle calibration source

單透鏡由3個等徑等間距的圓筒電極組成,電極的內徑30 mm,間距5 mm,其中,中間電極的長度為10 mm,兩端電極的長度均為30 mm. 單透鏡被廣泛地應用于離子源的初聚系統中[2],因為這種單透鏡與空氣中單獨存在的光學透鏡相似,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,同時又不影響和這一透鏡相銜接的前后相鄰透鏡的特性.

我們設計的加速管為等梯度加速管,一共分為6節,每節長度32 mm,內徑30 mm,可以承受80 kV的電壓.這種加速管在離子光學上是由入口和出口兩個膜片透鏡加上中間一段等電勢梯度區組成的一個透鏡系統,可以作為一個厚透鏡來分析它的聚焦特性.在聚焦系統中,加速管可以當作具有一定特性的離子光學元件,成為聚焦系統中的一個重要組成部分,將它和初聚系統的成象性質聯合起來研究,就可以得到聚焦系統的匹配情況[2-4].

電四極透鏡是一種具有面對稱場分布的離子光學系統,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實現離子束的線聚焦,雙電四極透鏡可以實現離子束的點聚焦[5-8]. 本文設計的是雙電四極透鏡,透鏡長度20 mm,間距10 mm,內徑30 mm,每兩個電極之間的間隙15°. 通過改變電四極透鏡上的電壓來對束流焦點的大小及位置進行調節.

3 模擬與測試分析

3.1 中性粒子標定源的聚焦模擬

三維電磁仿真軟件CST是由總部位于德國達姆斯塔特市的全球最大的電磁場仿真軟件公司CST出品的,是面向3D電磁、電路設計者的一款全面、精確的專業仿真軟件. 軟件覆蓋整個電磁頻段,包含粒子工作室等八個子軟件,并且集成在同一個用戶界面內,能夠提供完整的部件級和系統級的仿真[9].

本文利用CST對中性粒子標定源的聚焦系統進行了建模,針對不同的極板間距、極板電壓進行了仿真,通過分析確定不同參數的改變對束流傳輸的影響. 圖2是中性粒子標定源的仿真模型,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 在聚焦系統中,對單透鏡的要求首先就是滿足和加速管的匹配,即單透鏡的象點與加速管要求的物點重合. 由模擬發現,在取引出電壓Ui=1.5 kV時,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,焦點會向B靠近,焦斑也在逐漸減小,當電壓U增大到2 kV時,束流會聚焦在單透鏡出口處,此時焦斑的直徑為2 mm.關于在加速管各種電壓比下要求的物點位置,我們利用厄耳凱因的物點與象點的關系式[2]進行了計算,由計算可得,加速管所要求的物點需要在距離加速管入口15～80 mm范圍內移動.因此,間距d需要在單透鏡的象點和加速管要求的物點的移動范圍內選取,即間距d在80～215 mm范圍內選取.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中的傳輸情況(如圖3所示),并考慮設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的改變對束流傳輸的影響 加速管的成象性質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;當電壓Uc改變時會影響加速管的聚焦特性,此時為了使束流得到良好的傳輸,就需要對聚焦電壓U和加速電壓Uc做相應的調節.例如在取引出電壓Ui=1.5 kV、電壓U=1.4 kV時,通過調節電壓Uc發現,當電壓Uc=24 kV時,束流會在距離加速管出口400 mm處形成8.8 mm的焦斑,隨著電壓Uc的增大,焦點會向加速管出口靠近,焦斑也會逐漸減小;當電壓Uc增大到40 kV時,束流會聚焦在加速管出口處,此時焦斑大小為3.2 mm. 再繼續增大電壓Uc,束流將會聚焦在加速管內,為了使束流得到良好的傳輸,需要相應的提高入射離子的能量,即增大電壓Ui.

在研究聚焦電壓U的改變對束流傳輸的影響時,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時的仿真結果,從圖中可以看出電壓U的改變對束流傳輸的影響很明顯.經過大量仿真發現,當電壓U=0.9 kV時,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,焦點向加速管出口靠近,焦斑也逐漸減小,當電壓U增大到1.8 kV時,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的改變對束流傳輸的影響 為了對從加速管中引出的束流進行再次聚焦,我們在加速管與中性化室之間設置了電四極透鏡,通過改變四極透鏡電壓Ud對束流焦點的位置和焦斑大小進行調節,從而使束流可以良好的輸運到中性化室.考慮到加速管出射束流的焦點位置及設備之間的連接等因素,當取電四極透鏡與加速管出口的距離為400 mm時,由模擬發現能夠滿足在大多數的加速電壓下對束流具有良好的聚焦.

在仿真四極透鏡電壓Ud的改變對束流傳輸的影響時,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,觀察束流傳輸的變化情況(如圖5所示).由模擬發現,當電壓Ud低于1.2 kV時,束流的聚焦效果不太明顯;當Ud=1.2 kV時,束流在距離電四極透鏡500 mm處形成6.2 mm的焦斑;當電壓Ud增大到2 kV時,束流能夠在距離透鏡420 mm處形成2 mm的焦斑;再繼續增大電壓Ud,焦點繼續向透鏡靠近,但是焦斑會逐漸增大,當電壓Ud增大到5 kV時,束流能夠在距離透鏡70 mm處形成9.2 mm的焦斑.此外,當電壓Ui、U、Uc變化時,通過電壓Ud的調節,束流的焦點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的關系 為了將模擬數據與實驗結果進行對比,我們對單透鏡中束流直徑R隨聚焦電壓U的變化進行了模擬.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附近取值),單透鏡兩端電極的電壓均為零,通過調節電壓U來觀察束斑的變化情況. 為了準確地獲得束斑的大小,在距離單透鏡80 mm處設置了探測面.

圖6是引出電壓Ui=3 kV時束斑直徑R隨聚焦電壓U的變化關系. 從圖中可以看出,隨著電壓U的不斷增大,測得的束斑大小是先減小后增大;這說明開始時電壓U較小,束流處于弱聚焦狀態,隨著電壓U的不斷增大,束流逐漸達到最佳聚焦狀態,此后再增大電壓U,束流就會產生過聚焦而變成發散狀態.

圖6 束徑R與電壓U的關系Fig.6 Beam diameter R versus the voltage U

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

3.2 單透鏡聚焦測試

為了驗證模擬數據的可靠性,在離子源測試裝置上對引出束流的剖面進行了測定,離子源測試裝置主要由離子源、單透鏡、偏轉磁鐵等組成,如圖7所示. 實驗利用了超薄塑料閃爍體吸收高能粒子或射線后能夠發光的特性對單透鏡的聚焦情況進行了測試,采用的塑料閃爍體是邊長為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.

在實驗過程中,取引出電壓Ui=3 kV,通過將聚焦電壓U在2.8～3.5 kV范圍內調節來觀察束流的聚焦情況,并利用相機記錄了束斑的形狀. 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中的模擬數據進行對比,發現實驗結果與模擬數據吻合較好,表明模擬計算是可靠的.

4 結 論

研究設計了用于中性粒子標定源的聚焦系統.采用CST軟件構建了聚焦系統的仿真模型,模擬了束流在聚焦系統中的傳輸情況,仿真結果表明:通過對引出電壓Ui、聚焦電壓U、加速電壓Uc和四極透鏡電壓Ud的調節,可以使束流焦點在距離電四極透鏡較大的范圍內調節,且最小能夠得到直徑為2 mm的焦斑,能夠滿足中性粒子標定工作的要求(5 mm). 利用離子源測試裝置對束流剖面進行了初步測定,實驗結果驗證了模擬計算的數據是正確可靠的.