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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