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第一章绪论1

1.1 离子源的主要用途和对它的要求1

1.2 离子源的技术指标和主要研究的问题1

1.3 离子源发展简述6

第二章气体放电的基础知识8

2.1 热电子发射和钨阴极8

2.2 场致电子发射16

2.3 次级电子发射16

2.3.1 电子轰击引起的次级电子发射16

2.3.2 重粒子轰击下的电子发射18

2.4 光电子发射18

2.5 表面电离19

2.6 弹性碰撞和非弹性碰撞22

2.6.1 弹性碰撞22

2.6.2 非弹性碰撞24

2.7 弹性碰撞的截面24

2.8 电离截面27

2.9 带电粒子的复合28

2.10 迁移率28

2.11 扩散系数31

2.12 减速场中带电粒子的分布32

2.13 双极性扩散33

2.14 磁场对气体中带电粒子定向运动的影响34

2.15.1 热阴极弧放电的形态和特征36

2.15 热阴极弧离子源的物理基础36

2.15.2.1 双对流电流39

2.15.2 阴极双鞘层的稳态理论39

2.15.2.2 阴极双鞘层41

2.15.3 阴极双鞘层中的振荡和噪声43

2.15.4 原初电子束的散射45

2.15.5 束-等离子体相互作用47

2.15.6 正柱等离子体50

2.15.6.1 等离子体内径向电位分布和平衡方程51

2.16.6.2 离子形成方程53

2.15.6.3 打到管壁的离子流53

2.15.6.5 功率平衡方程54

2.15.6.4 等离子体中电子的定向运动54

2.15.7 阳极区域56

2.15.8 最低气压56

参考文献57

第三章离子源的引出系统59

3.1 对离子源引出系统的要求59

3.2 若干简单运动及关系59

3.2.1 离子在均匀静电场内的加速59

3.2.2 带电粒子在均匀磁场内的运动61

3.2.3 交叉电磁场内的摆线运动61

3.2.4 不均匀磁场内带电粒子的反射63

3.2.5 布奇定理64

3.2.6 刘潍定理65

3.2.7 膜孔透镜66

3.2.8 静电透镜的象差68

3.3 束在自身空间电荷作用下的发散70

3.3.1 圆载面束的发散70

3.3.2 条状束的发散73

3.3.3 非层流圆形束的发散75

3.4 有固体发射面的引出系统76

3.4.1 “发射限制流”与“空间电荷限制流”76

3.4.2 理想二极管的空间电荷限制流77

3.4.2.1 平面二极管77

3.4.2.3 球面二极管80

3.4.2.2 柱面二极管80

3.4.2.4 一些普遍的关系81

3.4.3 多种离子成分的空间电荷限制流82

3.4.4 皮尔斯直线流引出系统83

3.4.5 高导流系数的电子枪85

3.4.6 初始热速度的影响86

3.4.6.1 点源的电流密度分布86

3.4.6.3 最大允许聚焦的电流密度87

3.5 发射度与亮度87

3.5.1 发射度87

3.5.2 亮度90

3.5.4 有效发射度91

3.5.3 亮度与发射度的关系91

3.5.5 离子源的发射度和亮度92

3.6 等离子体离子源引出系统的基本原理93

3.6.1 等离子体-鞘层方程和离子源的“发射能力”93

3.6.2 离子源引出系统的“引出能力”98

3.6.3 发射面的调节99

3.6.4 离子源与电子枪的比较100

3.7 引出系统的几何结构100

3.7.1 典型类型和结构100

3.7.2 低密度管道式引出系统102

3.7.3.1 双电极系统的模型分析106

3.7.3 中等密度下孔栏式引出系统106

3.7.3.2 圆孔加速-减速引出系统108

3.7.3.3 缝形引出系统110

3.7.3.4 四电极圆孔系统112

3.7.4 高密度时扩张杯式引出系统112

3.7.4.1 扩散等离子体的物理性质113

3.7.4.2 双等离子体离子源的引出系统114

3.7.5 大面积多孔引出系统117

3.7.5.1 利用孔的相对位移获得会聚束117

3.7.5.2 关于电极的热负荷120

3.8.3.1 物理模型发展概述121

3.8.3 数值模拟121

3.8.2 近似模型分析法121

3.8.1 实验研究121

3.8 引出系统的研究方法121

3.8.3.2 数值模拟的物理问题122

3.8.3.3 数学处理124

3.8.3.4 一些研究结果126

3.9 若干其它问题127

3.9.1 横向磁场对引出的影响127

3.9.2 引出系统的若干工艺问题128

参考文献129

4.1 离子源的类别133

第四章各类离子源133

4.2 准均匀磁场中的热阴极弧放电离子源135

4.3 热阴极潘宁离子源141

4.4 双等离子体离子源145

4.4.1 一般原理145

4.4.2 收缩双鞘层的形成146

4.4.3 主要参数的影响147

4.4.4 等离子体振荡150

4.4.5 金属双等离子体源151

4.5 热阴极磁控管型离子源(“弗里曼”源)151

4.6 大面积电子轰击源(“考夫曼”源)153

4.7.7 阴冷极潘宁放电的基本原理156

4.7 冷阴极潘宁型离子源156

4.7.2 冷阴极潘宁源157

4.8 高频离子源160

4.8.1 典型源及工作原理简介160

4.8.2 高频型重离子源162

4.8.3 高频源引出束流的调制特性164

4.9 重离子源技术165

4.9.1 对重离子源的特殊要求165

4.9.2 重离子源的类型166

4.9.3 气体放电型重离子源的原料168

4.9.4 放电原料的供给方式169

4.9.5 重离子源设计与运行中的若干问题171

参考文献172

第五章多电荷离子源175

5.1 概述175

5.2 产生多电荷离子的基本过程177

5.2.1 若干电离过程的物理量177

5.2.2 电子电离产生多电荷离子178

5.2.2.1 电子单次碰撞产生多电荷离子178

5.2.2.2 逐级电离产生多电荷离子181

5.2.2.3 多次碰撞产生多电荷离子182

5.2.2.4 亚稳态原子或离子电离产生多电荷离子182

5.2.3 多电荷态离子的消亡过程182

5.2.3.1 电荷交换损失182

5.2.3.3 扩散损失183

5.2.3.2 电子复合损失183

5.2.4 电荷态平衡方程185

5.2.5 高能离子剥离产生多电荷离子187

5.3 多电荷离子源的主要研究方向189

5.4 电子束多电荷离子源191

5.4.1 脉冲电子束源(EBIS)191

5.4.2 稳态飞行时间电子束源(TOFEBIS)194

5.5 气体放电型多电荷离子源195

5.5.1 潘宁型多电荷源195

5.5.1.1 概况、类型和典型结构195

5.5.1.2 潘宁源产生多电荷离子的基本原理196

5.5.1.3 主要实验研究结果197

5.5.2 双等离子体多电荷离子源200

5.5.3 其它气体放电型多电荷离子源201

5.6 高电子温度磁镜约束等离子体型离子源202

5.6.1 电子回旋共振型源(微波源)202

5.6.1.1 低能强流微波质子源202

5.6.1.2 电子回旋共振多电荷源(E.C.R.)203

5.6.1.3 热电子层多电荷离子源(HELIOS)205

5.6.2 束-等离子体相互作用源206

5.6.3 聚变研究装置与多电荷离子源208

5.7 高密度高温等离子体源209

5.7.1 激光多电荷离子源209

5.7.3 角向箍缩放电和金属丝爆炸装置213

5.7.2 火花离子源213

参考文献214

第六章离子源的质谱与能谱218

6.1 氢离子源的质谱218

6.1.1 影响氢离子源质谱的物理过程218

6.1.2 确定质谱的粒子平衡方程223

6.1.3 高频源的质谱226

6.1.4 双等离子体源的质谱226

6.1.6 热阴极潘宁源的质谱227

6.1.6 冷阴极潘宁源的质谱228

6.2 离子源的能谱229

6.2.1 产生能散的物理原因229

6.2.2 高频源的能谱230

6.2.3 其它离子源的能谱232

参考文献233

第七章离子束传褕中的空间电荷的中和235

7.1 离子束空间电荷的自中和235

7.2 离子束空间电荷的强迫中和238

7.2.1 横向注入电子239

7.2.2 纵向注入电子242

7.2.3 强迫中和束的中和程度245

7.3 空间电荷的动力学失中和246

7.3.1 动力学失中和的机制246

7.3.2 动力学失中和的实验研究249

7.4.1 多束系统的色散方程251

7.4 中和束中集体过程对中和度的影响251

7.4.2 自中和束中电子静电振荡的影响253

7.4.3 强迫中和束中电子静电振荡的影响254

7.4.4 高频振荡电场引起束离子能量的离散255

参考文献255

第八章负离子源257

8.1 绪论257

8.1.1 原子的电子亲合势257

8.1.2 负离子源的分类和发展概述257

8.2 负离子的产生过程259

8.3.1 电子碰撞形成负离子260

8.3 空间产生负离子260

8.3.2 离子(或原子)电荷转换碰撞形成负离子263

8.4 粒子碰撞固体表面产生负离子267

8.4.1 金属表面的若干性质267

8.4.1.1 金属表面的状况267

8.4.1.2 金属表面的逸出功268

8.4.1.3 铯的若干物理性质269

8.4.1.4 铯在钨或钼表面上的吸附270

8.4.2 表面溅射271

8.4.2.1 基本原理271

8.4.2.2 主要实验结果273

8.4.2.3 溅射粒子的分布274

8.4.3.1 基本原理275

8.4.3 粒子在表面的反射275

8.4.3.2 反射与各参数间的关系277

8.4.3.3 反射粒子的分布278

8.4.4 粒子与表面相互作用产生离子278

8.4.4.1 二次离子发射的一般原理278

8.4.4.2 粒子与表面相互作用产生H-280

8.4.4.3 表面溅射产生其它负离子281

8.4.5 表面负电离282

8.5 负离子的衰亡283

8.5.1 负离子的衰亡过程283

8.5.2 负氢离子的衰亡截面284

8.6.1.1 偏心引出双等离子体源286

8.6.1.2 三等离子体型离子源286

8.6.1 双等离子体型负离子源286

8.6 从等离子体直接引出的负离子源286

8.6.2 潘宁型负离子源287

8.6.3 表面-等离子体负氢离子源288

8.6.3.1 磁控管型负氢离子源288

8.6.3.2 潘宁型表面-等离子体负氢离子源293

8.6.3.3 多磁极会切场负离子源293

8.6.3.4 中孔放电双等离子体负氢离子源295

8.6.4 激光及其它等离子体负离子源296

8.7 电荷交换型负离子源297

8.7.1 交换靶297

8.7.2.1 高频负离子源298

8.7.2 电荷交换型负氢离子源298

8.7.2.2 电荷交换型负氢离子源299

8.7.3 负氦离子源300

8.7.4 电荷交换法产生其它重负离子301

8.8 溅射型负离子源302

8.8.1 通用负离子源(UNIS)302

8.8.2 潘宁型溅射负离子源305

8.8.2.1 径向引出潘宁型溅射负离子源(SPIG)305

8.8.2.2 直接出射潘宁型溅射负离子源(ANIS)305

8.9 “高压离解型”负离子源308

8.10 表面电离负离子源308

参考文献309

第九章离子源引出束测量技术313

9.1 引言313

9.2 离子流的测量314

9.2.1 截束电测法314

9.2.2 热测法316

9.2.3 磁感应法测脉冲束流318

9.3 束密度分布及束截面的测量322

9.4 束发射度的测量327

9.4.1 发射度测量方法的物理意义327

9.4.2 测量装置的工作原理和系统误差332

9.4.3.3 电(磁)扫描法334

9.4.3.2 “胡椒罐”投影法334

9.4.3 各种发射度测量装置334

9.4.3.1 机械扫描法334

9.4.3.4 用多丝靶测量336

9.4.3.5 用测量束截面的方法测发射度337

9.5 离子束能谱的测量338

9.5.1 圆筒形静电分析器339

9.5.2 电阻止场能谱分析仪345

9.6 离子原质谱(或荷电谱)的测量348

9.6.1 均匀场磁分析器的基本原理348

9.6.2 交叉场质谱仪353

参考文献356

10.1 受控核聚变研究对中性束的要求358

第十章受控核聚变研究用大功率中性束注入器358

10.2 中性束注入器原理361

10.3 典型小性束注入器结构简介364

10.4 大功率中性束源的发展367

参考文献367

第十一章大功率(大面积)离子源369

11.1 双潘宁放电离子源369

11.1.1 概况及基本原理369

11.1.2 空心阴极372

11.1.3 等离子体均匀性的改进373

11.1.4 用热预离解法提高质子比377

11.1.6 典型结果378

11.1.5 多孔引出系统的工艺378

11.2 环式等离子体离子源381

11.3 无磁场多灯丝离子源384

11.3.1 概况及基本原理384

11.3.2 灯丝386

11.3.3 电离效率389

11.3.4 多缝引出系统工艺389

11.3.5 典型结果390

11.4 多磁极会切场离子源390

11.4.1 概况及典型结构390

11.4.2 多磁极会切场394

11.5 霍尔加速器398

11.4.3 典型结果398

11.6 冷凝聚团分子离子源402

11.7 短脉冲强流离子源404

11.7.1 反射三极管的原理404

11.7.2 磁隔离二极管原理405

参考文献406

第十二章大功率离子源的供电控制保护技术410

12.1 引言410

12.2 离子源放电电源及其控制保护411

12.2.1 离子源对放电电源的要求411

12.2.2 大功率离子源的弧电源413

12.2.3 大功率离子源的灯丝电源418

12.3.1 离子源对加速电源的要求419

12.3 大功率离子源的加速电源419

12.3.2 大功率离子源的高压电源420

12.3.3 大功率高压电源的调节和保护424

12.3.4 几个特殊的高压问题436

12.4 离子源的控制及电参数测量440

12.4.1 离子原控制测量的一般问题440

12.4.2 计算机控制443

参考文献445

13.1.1 快粒子与原子、分子的碰撞过程447

13.1.1.1 对称共振电荷交换447

13.1 原子碰撞过程447

第十三章离子束的中性转换447

13.1.1.2 偶然共振电荷交换449

13.1.1.3 非共振电荷转移碰撞449

13.1.1.4 分子离子的离解碰撞452

13.1.1.5 快碰撞产物的能态和角分布454

13.1.2 快粒子与电子、离子的电荷转移碰撞455

13.1.2.1 负离子与电子、质子的电荷转移碰撞455

13.1.2.2 快氢原子与电子、离子的电荷转移碰撞456

13.1.3 负离子的光剥离457

13.2.1 气体靶458

13.2.1.1 单原子粒子束与气体靶的相互作用458

13.2 快粒子束与电荷转移靶的相互作用458

13.2.1.2 分子粒子束与气体靶的相互作用462

13.2.2 等离子体靶463

13.2.2.1 完全电离的等离子体靶463

13.2.2.2 部分电离的等离子体靶464

13.2.3 光剥离靶465

13.2.4 束散角、平衡比相中性化效率466

13.3 气体中性化器468

13.3.1 气体室中性化器468

13.3.2 超声速气流中性化器469

13.3.2.1 超声速气流靶的形成470

13.3.2.2 气体超声速流中性化器473

13.3.2.3 金属蒸气超声速流中性化器474

13.3.3 毛细管中性化器478

13.4 等离子体中性化器479

13.4.1 气体放电等离子体靶479

13.4.2 金属等离子体靶480

13.5 负离子的光剥离中性化器481

13.5.1 对激光功率的要求481

13.5.2 采用激光剥离中性化器的中性束系统483

参考文献485

第十四章中性束源用低温泵488

14.1 典型中性束注入器真空系统简介488

14.2 大型聚变装置各部位真空参数的选取方法490

14.3 低温冷凝泵的一般概念及物理基础493

14.4 低温吸附泵及其性能499

14.4.1 分子筛型499

14.4.2 活性炭吸附泵499

14.4.3 气体膜吸氢技术501

14.5 低温冷凝泵的设计与计算501

14.5.1 中性束两侧插板式低温泵501

14.5.2 2开温度低温冷凝泵513

14.6 低温吸附泵的设计515

14.7 低温泵系统的安全问题517

参考文献520

二、若干基本物理常数521

三、常用单位换算表522

四、密度、熔点、沸点、蒸气压、蒸发率和离子源常用原料524

五、第一电离电位、逐级电离电位、电子亲合势和逸出功533

六、分子的离解能542

七、表面对氢原子的复合系数Y值544

八、高斯分布的计算544

九、同心球面间空间电荷限制流状态下电位分布计算用朗缪尔a函数值546

十、同心圆柱面间空间电荷限制流计算用β2函数值547

十一、等离子体-鞘层方程解548

十二、电子的能量、速度、动量、磁刚度、β、r表550

十三、质子或中子的能量、速度、动量、磁刚度、β、r表552

参考文献555