强脉冲离子束横截面分布的测量

强脉冲离子束在靶上的横截面能量密度分布和束流焦点位置是束流分析和辐照效应研究中重要的技术参数.利用红外成像诊断技术,可以以较高的空间分辨率和能量密度分辨率对束流的横截面分布进行测量,并可以实现对束流焦点的测量和束流传输特性的分析.通过该实验,可以使学生掌握强脉冲加速器诊断的基本技能,加深对加速器原理及脉冲束流分布和传输特性的认识.     

烧蚀对强脉冲离子束在高分子材料中能量沉积的影响

高能量密度纳秒量级强脉冲离子束辐照材料表面的烧蚀产物和束流的相互作用,可能对束流在靶中的能量沉积产生影响,进而影响烧蚀情况下的束流分析和相关应用的优化.本文采用红外成像方法对横截面能量密度1.5—1.8 J/cm~2的强脉冲离子束在304不锈钢和高分子材料上的能量沉积进行了测量分析.结果表明在高分子材料上,在超过一定能量密度后,束流引发材料表面烧蚀产物的屏蔽效应使得大部分束流能量不能沉积在靶上.采用有限元方法对束流引发的温度场分布进行了计算,验证了高分子材料的低热导率以及低分解温度使其在脉冲辐照早期即开始热解,烧蚀产物对后续束流能量的进一步沉积产生屏蔽.此类效应在金属上存在的可能性和对束流诊断等应用的影响,亦进行了讨论.     

强脉冲离子束辐照薄金属靶的热力学过程研究

在回顾和总结现有强脉冲离子束诊断技术和能量沉积模型的基础上, 结合红外成像诊断分析, 基于能量平衡, 提出了强脉冲离子束在固体靶中功率密度分布模型, 并采用蒙特卡罗方法对其进行计算. 以该功率密度模型作为源项, 使用有限元分析方法模拟强脉冲离子束入射100 μm不锈钢靶后内部温度场在毫秒时间范围内的分布和演化. 结果显示, 在微秒时间范围内, 热场以存在于近表面区域数倍于离子射程范围内的冲击热场为主要特征; 而在毫秒时间范围内, 靶的前后表面(纵向)已达到温度平衡, 且靶后表面温度场和入射前表面的离子束横截面能量密度具有空间分布的相似性. 这证明了, 在采用具有毫秒响应速度的红外拍摄系统的情况下, 背面红外诊断技术可以实现以较高的精度对强脉冲离子束横截面的能量分布进行诊断和分析.     

强流脉冲离子束辐照双层靶能量沉积的数值模拟

利用拟合实验测得的TEMP Ⅱ型加速器磁绝缘二极管电压波形及其焦点附近束流密度曲线,建立了Gauss分布模型.采用Monte Carlo方法研究了强流脉冲离子束与铝材镀有不同厚度金膜的双层靶(金膜与铝材合称为双层靶)之间的相互作用,模拟了能量沉积的演化过程和随不同金膜厚度的变化情况.对脉冲离子束强化薄膜粘结性进行了探讨. 关键词： 强流脉冲离子束 双层靶 能量沉积 Monte Carlo方法     

强流脉冲离子束辐照混合双层靶的Monte Carlo模拟

采用Monte Carlo方法模拟强流脉冲离子束与铝基钛膜双层靶的相互作用.强流脉冲离子束与双层靶材相互作用过程中,随着离子的注入,高能离子束引起涂层原子与基体材料原子之间相互渗透和混合,同时离子能量沉积到靶材内一定深度,并呈规律性的空间分布.这种能量分布影响靶内两种材料的熔化或气化过程,并导致界面物质结合强度发生变化.利用建立的束流模型,计算束流在靶材内的能量沉积和分布状况及界面处级联碰撞对双层靶界面混合区的影响,得出强流脉冲离子束混合双层靶时级联碰撞不起主要作用的结论,离子流密度在100A·cm^-2~150A·cm^-2时对离子束混合最为有利.     

强流脉冲离子束辐照靶材烧蚀效应二维数值研究

对强流脉冲离子束(IPIB)辐照Ti靶的烧蚀效应进行了二维数值研究.得到了表面烧蚀物质随脉冲时间的变化关系.得出TEMP Ⅱ 型加速器产生的脉冲束流辐照靶材时引起的汽、液化均是从表面开始、并且汽化过程中表面物质被层层烧蚀的结论.同时，得到中心区的平均烧蚀速度为10m/s 数量级，它远小于产生的烧蚀等离子体的喷发速度.得到脉冲期间靶材内部不同位置烧蚀斑痕形状的时间演化过程，以及束流中含有的离子种类分额不同时IPIB辐照过程产生的不同效果. 关键词： 强流脉冲离子束 靶 烧蚀过程 二维数值模拟     

Al2O3:Cr荧光屏Fen+束流面分布诊断

为满足加速器束流诊断的特殊要求，对束流面分布诊断方法进行了研究，建立了一套基于荧光屏的离子束流面分布测量装置。采用Fen+(n=5~12)离子束流对测量装置进行了实验检验，结果表明，在几十至上百nA量级束流强度Fen+离子束的轰击下，面分布图像产生了饱和现象。进一步的实验结果表明，饱和现象是由荧光屏发光的光强过强造成的，采用特别研制的具有光强衰减和滤波功能的成像光路可以解决光强饱和的问题。在低束流条件下，面分布图像的灰度值与束流强度呈近似的线性关系，对这种线性关系产生的原因进行了具体的分析。     

70MHz连续波质子束脉冲化装置

为了进行强流回旋加速器关键技术研究,中国原子能科学研究院建立了一个强流回旋加速器综合试验装置.中国原子能研究院将在这个回旋加速器综合试验装置上建立强流脉冲化实验装置,目标是实现几十至百keV量级的强流束的脉冲化.具体是将70MHz连续波负氢束脉冲化为重复频率1-8MHz,脉冲宽度约为10ns的脉冲质子柬.脉冲化装置将主要包括束流切割器和聚束器两大系统.聚束器采用频率为70.487MHz的双间隙单漂移栅网结构,可以将直流束压缩到±30.的回旋加速器高频接受相宽之内.束流切割器将采用频率为2.2MHz的正弦波,切割后的脉冲宽度将小于8ns,最后得到的脉冲束的重复频率为4.4MHz.     

70MHz连续波质子束脉冲化装置

为了进行强流回旋加速器关键技术研究, 中国原子能科学研究院建立了一个强流回旋加速器综合试验装置. 中国原子能研究院将在这个回旋加速器综合试验装置上建立强流脉冲化实验装置, 目标是实现几十至百keV量级的强流束的脉冲化. 具体是将70MHz连续波负氢束脉冲化为重复频率1—8MHz, 脉冲宽度约为10ns的脉冲质子束. 脉冲化装置将主要包括束流切割器和聚束器两大系统. 聚束器采用频率为70.487MHz的双间隙单漂移栅网结构, 可以将直流束压缩到±30°的回旋加速器高频接受相宽之内. 束流切割器将采用频率为2.2MHz的正弦波, 切割后的脉冲宽度将小于8ns, 最后得到的脉冲束的重复频率为4.4MHz.     

强流脉冲离子束辐照对电弧离子镀TiNbN硬质薄膜摩擦磨损性能的影响

 利用分离靶电弧离子镀工艺在高速钢基体上制备TiNbN多元硬质薄膜,利用TEMP-6型强流脉冲离子束（HIPIB）设备,采用含C/H离子、加速电压300 kV、脉冲宽度70 ns、束流密度60 A/cm2的强流脉冲离子束对所制备的薄膜进行辐照处理,研究辐照前后膜层的摩擦磨损性能的变化。实验结果表明：HIPIB辐照以后,薄膜的表面熔化,摩擦系数降低,晶粒细化,膜层的硬度由HK3444提高到HK3820,膜基结合力由59 N提高到65 N。在测试载荷300 N和600 N条件下,薄膜的摩擦磨损性能均有较大改善。     

强流脉冲离子束辐照靶及其喷发的数值研究

利用拟合实测的TEMP Ⅱ型加速器磁绝缘二极管(MID)电压波形及其焦点附近束流密度曲线，建立了Gaussian分布模型，据此计算了与靶作用的离子的能量及数量，采用Monte Carlo(MC)方法计算了沉积在靶内的能量.并以此作为热源，与流体动力学(HD)模型相结合，对不同的靶状态采用相应的状态方程，模拟计算了靶内压力演化情况; 同时对烧蚀产生的等离子体采用理想气体状态方程, 结合HD方程组, 模拟计算了喷发过程中压力的空间演化过程. 关键词： 强流脉冲离子束 Gaussian模型 HD方程 数值研究     

Two-dimensional numerical research on effects of titanium target bombarded by TEMPⅡ accelerator

Two-dimensional numerical research has been carried out on the ablation effects of titanium target irradiated by intense pulsed ion beam (IPIB) generated by TEMP II accelerator. Temporal and spatial evolution of the ablation process of the target during a pulse time has been simulated. We have come to the conclusion that the melting and evaporating process begin from the surface and the target is ablated layer by layer when the target is irradiated by the IPIB. Meanwhile, we also obtained the result that the average ablation velocity in target central region is about 10\,m/s, which is far less than the ejection velocity of the plume plasma formed by irradiation. Different effects have been compared to the different ratio of the ions and different energy density of IPIB while the target is irradiated by pulsed beams.     

射频离子源束流特性分析

介绍了为HL-2A 装置设计的引出束功率为1MW 的射频离子源研制情况。目前,在测试平台上,该离子源已经成功引出了束能量和束电流分别为35keV 和12.4A、束质子比为79%、脉宽为100ms 的氢离子束,达到了其设计束功率的44%。用红外热成像的方法测量了离子束能量密度分布。结果表明,在距离引出系统地电极 1.3m 处,束密度分布遵循高斯分布。引出束的最佳导流系数为1.689×10^–6A•V^-3/2 左右,随射频功率改变有较小的变化。根据这些实验结果,采取了相关改进措施来改善离子源的引出束性能。     

Molecular beam diagnostics by means of fast superconducting bolometer and pulsed infrared laser

The laser-bolometric infrared spectroscopy is an efficient method for measuring the internal energy distributions of molecular beams. Additional informations about the kinetic energy distribution of molecules in a selected internal state can be obtained from time resolved experiments. A fast superconducting bolometer and a pulsed infrared CO₂ laser have been used for testing the use of this technique as a universal tool for molecular beam diagnostics. Experimental results are presented and analyzed for pure SF₆ and helium seeded with 5% SF₆ beams. The efficiency of fast superconducting bolometers, used for molecular beam time-of-flight measurements, is discussed. A comparison is made between time resolved laser-bolometric technique and alternative molecular beam diagnostic methods.     

强流辐照钛合金表面特征的原子力显微研究

利用原子力显微术的轻敲模式(TM-AFM),并采用形貌与相位同时成像技术对强流脉冲离子束(IPIB)辐照前后试样表面进行了系统标征,得到了试样表面的高度像及相位像的衬度.分析结果表明:在高流强密度、多次脉冲条件下,IPIB辐照可使试样表面变得光滑化,从相位像中可以定性分析出辐照后表面硬度也得到一定程度的提高.     

Numerical Simulation on Expansion Process of Ablation Plasma Induced by Intense Pulsed Ion Beam

We present a one-dimensional time-dependent numerical model for the expansion process of ablation plasma induced by intense pulsed ion beam （IPIB）. The evolutions of density, velocity, temperature, and pressure of the ablation plasma of the aluminium target are obtained. The numerical results are well in agreement with the relative experimental data. It is shown that the expansion process of ablation plasma induced by IPIB includes strongly nonlinear effects and that shock waves appear during the propagation of the ablation plasma.     

TEA CO2激光器输出平顶模按厄米-高斯模的展开

TEA CO2激光器输出光束的能量密度分布一般为平顶型分布.为了给研究和分析TEA CO2激光器输出光束提供一种新的处理方法,采用FGB理论,对实验测量的一台TEA CO2激光器输出的实际平顶型光斑的能量密度分布按厄米-高斯函数进行了展开.根据展开结果,对TEA CO2激光器输出光束的空间分布特性进行了分析与讨论.初步证实了TEA CO2激光器输出光束的能量密度分布可以按厄米-高斯函数展开.     

高能激光束在线测量系统的光强衰减设计

 针对环形光刀取样式高能激光束在线测量系统应用中光电探测器线性饱和功率密度低而被测高能激光功率密度高的特点,采用对取样激光扩束和介质膜衰减片级联衰减的方式,实现了数千倍的线性光强衰减。介绍了环形光刀扫描取样及其扩束衰减原理,并对介质膜衰减片在激光入射角 0°~15° 和功率密度1~1 000 W/cm²条件下的透过率特性进行了分析,用实验验证了该光强衰减设计的有效性。