强流脉冲离子束与靶作用域值的研究

结合Monte Carlo 方法和热力学方法，建立了脉冲离子束能量模型以及靶材相变温度模型. 利用该模型可以确定产生喷发等离子体的域值，得到强流脉冲离子束与靶材作用过程中靶材 温度的变化规律以及形成喷发等离子体的初始温度. 关键词： 强流脉冲离子束 靶 域值 数值研究     

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     

强流脉冲离子束烧蚀等离子体向背景气体中喷发的数值研究

强流脉冲离子束辐照靶材产生烧蚀等离子体向背景气体中传播与向真空中传播不同，包括喷发等离子体与背景气体的相互作用.本文建立了该过程的二维气体动力学模型，计算了等离子体向压强范围从10^-6大气压到大气压背景气体中传播时的情况.结果表明，背景气体压强不同时，等离子体传播的现象也不相同.向真空中可以自由膨胀，向大气压中膨胀受限；当背景气压在千分之一大气压左右时，等离子体在背景气体中形成“雪犁”状，羽状等离子体出现快速和慢速传播分离现象.     

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对不锈钢耐腐蚀性能的影响

 利用强流脉冲离子束（HIPIB）对316L不锈钢进行了表面辐照处理,研究了HIPIB辐照对其在0.5mol/L H2SO4溶液中电化学腐蚀性能的影响。极化曲线测量结果表明,HIPIB辐照能够显著提高316L的抗腐蚀性能,自腐蚀电流对辐照次数的依赖性与自腐蚀电位相比明显较强。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电子探针（EPMA）分析辐照后试样表面形貌、表面层相结构和元素分布的变化。结果表明：HIPIB辐照使试样表面光滑化,表面层产生择优取向,且发生了杂质元素的选择性烧蚀,是316L不锈钢耐电化学腐蚀性能得以提高的主要原因。     

强流脉冲离子束辐照对不锈钢耐腐蚀性能的影响

利用强流脉冲离子束（HIPIB）对316L不锈钢进行了表面辐照处理,研究了HIPIB辐照对其在0.5mol/L H2SO4溶液中电化学腐蚀性能的影响。极化曲线测量结果表明,HIPIB辐照能够显著提高316L的抗腐蚀性能,自腐蚀电流对辐照次数的依赖性与自腐蚀电位相比明显较强。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电子探针（EPMA）分析辐照后试样表面形貌、表面层相结构和元素分布的变化。结果表明：HIPIB辐照使试样表面光滑化,表面层产生择优取向,且发生了杂质元素的选择性烧蚀,是316L不锈钢耐电化学腐蚀性能得以提高的主要原因。     

强流脉冲离子束能量密度分布的红外诊断

强流脉冲离子束在靶上的能量密度分布是其研究和应用的一个重要参数。为了解决现有束流能量密度诊断方法的不足,利用红外成像仪测量靶背面的温度分布,从而建立了强流脉冲离子束能量密度分布的红外诊断方法。对能量密度1J/cm2量级、脉冲宽度为102 ns量级的束流,该方法测量误差好于5%,空间分辨率可达到1~2mm,具有操作简便、成本低的优点,是强脉冲能量沉积分布的一种高效迅速的诊断方法。     

强流脉冲离子束能量密度分布的红外诊断

强流脉冲离子束在靶上的能量密度分布是其研究和应用的一个重要参数。为了解决现有束流能量密度诊断方法的不足,利用红外成像仪测量靶背面的温度分布,从而建立了强流脉冲离子束能量密度分布的红外诊断方法。对能量密度1 J/cm2量级、脉冲宽度为102 ns量级的束流,该方法测量误差好于5%,空间分辨率可达到1~2 mm,具有操作简便、成本低的优点,是强脉冲能量沉积分布的一种高效迅速的诊断方法。     

由等离子体引出强流离子束的光学数值模拟

本文叙述了中性束注入器中的强流离子源引出系统离子束光学性质的数值模拟方法,并给出了典型计算结果。计算结果表明:用这种方法能反映强流离子源引出系统最本质的束光学性质,可供选取和研究强流离子束光学系统之用。     

Development of exploding wire ion source for intense pulsed heavy ion beam accelerator

A Novel exploding wire type ion source device is proposed as a metallic ion source of intense pulsed heavy ion beam (PHIB) accelerator. In the device, multiple shot operations are realized without breaking the vacuum. The basic characteristics of the device are evaluated experimentally with an aluminum wire of diameter 0.2 mm and length 25 mm. A capacitor bank of capacitance 3 μF and a charging voltage of 30 kV was used, and the wire was successfully exploded by a discharge current of 15 kA with a rise time of 5.3 μs. Plasma flux of ion current density around 70 A/cm² was obtained at 150 mm downstream from the device. The drift velocity of ions evaluated by a time-of-flight method was 2.7×10⁴ m/ s, which corresponds to the kinetic energy of 100 eV for aluminum ions. From the measurement of the ion current density distribution, the ion flow is found to be concentrated toward the direction where the ion acceleration gap is placed. From the experiment, the device is found to be acceptable for applying the PHIB accelerator.     

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.     

Numerical study on the thermo-stress of ZrO2 thermal and barrier coatings by high-intensity pulsed ion beam irradiation

This paper studies numerically the thermo-mechanical effects of ZrO2 thermal barrier coatings (TBCs) irradiated by a high-intensity pulsed ion beam in consideration of the surface structure.Taking the deposited energy of ion beams in TBCs as the source term in the thermal conduction equation,the distribution of temperature in TBCs was simulated.Then,based on the distribution,the evolution of thermal stress was calculated by the finite element method.The results show that tensile radial stress formed at the valley of TBC surfaces after irradiation by HIPIB.Therefore,if cracks happen,they must be at valleys instead of peaks.As for the stress waves,no matter whether through peak or valley position,tensile and compressive stresses are present alternately inside TBCs along the depth direction,and the strength of stress decreases with time.     

脉冲离子束作用下靶面次级电子的抑制

论述了离子束作用下固体表面次级电子产生的机制,介绍了特种真空器件中次级电子抑制的各种方法及其优缺点,提出了脉冲离子束作用下靶面次级电子抑制的自偏势法和曲面靶法等设计思路,并在实验上进行了初步验证。实验结果表明,自偏势电压大于80 V后,次级电子得到很好的抑制。在相同束流情况下,曲面靶较平面靶的次级电子产额少。利用实验结果进行估算得到了近似的次级电子产额约为0.67,比文献中的结果(0.58)偏大。对实验中自偏势法抑制反峰电子电流的效果进行了分析和讨论,结果表明:自偏势法不但能够有效抑制离子打靶产生的次级电子,还能抑制由功率源不稳定带来的入射反峰电子流。     

脉冲离子束作用下靶面次级电子的抑制

论述了离子束作用下固体表面次级电子产生的机制,介绍了特种真空器件中次级电子抑制的各种方法及其优缺点,提出了脉冲离子束作用下靶面次级电子抑制的自偏势法和曲面靶法等设计思路,并在实验上进行了初步验证。实验结果表明,自偏势电压大于80 V后,次级电子得到很好的抑制。在相同束流情况下,曲面靶较平面靶的次级电子产额少。利用实验结果进行估算得到了近似的次级电子产额约为0.67,比文献中的结果(0.58)偏大。对实验中自偏势法抑制反峰电子电流的效果进行了分析和讨论,结果表明：自偏势法不但能够有效抑制离子打靶产生的次级电子,还能抑制由功率源不稳定带来的入射反峰电子流。