引言 1
第一章 离子在电磁场中的运动 5
1.1 恒定电磁场 5
1.2 离子的运动方程和轨迹方程 10
1.3 离子束和它的空间电荷场 17
1.3.1 离子之间的电磁相互作用 空间电荷场 18
1.3.2 轴对称离子束、带形离子束和椭圆截面离子束 21
1.4 轴对称场 23
1.4.1 轴对称电场 23
1.4.2 轴对称磁场 26
1.5 平面分布场 33
1.5.1 一般的平面分布场 33
1.5.2 对称的平面分布场 34
1.6 多极场 36
1.6.1 具有中央对称平面的磁场分解为多极场 37
1.6.2 磁四极透镜的多极场 41
1.6.3 偏转磁铁的多极场 44
参考文献 49
第二章 空间电荷效应 50
2.1 描述离子束的参量 50
2.2 比例关系 54
2.3 横向空间电荷效应 强流离子束的发散 57
2.3.1 轴对称离子束的发散 57
2.3.2 带形离子束的发散 62
2.4 纵向空间电荷效应 66
2.5 离子发射的3/2次方定律 69
2.5.1 平面二极管公式 70
2.5.2 球面二极管公式 72
2.5.3 讨论 73
2.6 Pierce加速电极系统 75
2.6.1 带形离子束的Pierce加速电极系统 75
2.6.2 圆柱形离子束的Pierce加速电极系统 80
2.6.3 圆锥形离子束的Pierce加速电极系统 86
2.7 强流离子束通过电极孔 88
2.8 离子源的引出系统 90
2.8.1 单隙引出系统 91
2.8.2 双隙引出系统 91
2.9 轴向均匀磁场中的强流离子束 99
2.10 离子的热运动 107
2.10.1 离子的热运动速度分布 107
2.10.2 离子热运动对离子发射的影响 109
2.10.3 离子热运动对离子束聚焦的影响 114
2.10.4 平衡的圆柱形离子束中的离子密度分布 115
2.11 强流离子束的空间电荷中和 117
参考文献 123
第三章 电磁场和离子轨迹的计算 128
3.1 电场的计算(1) 128
3.1.1 轴对称电场的差分公式 129
3.1.2 平面分布电场的差分公式 133
3.1.3 边界条件的处理 135
3.1.4 超松弛迭代法 136
3.1.5 直接法 138
3.1.6 电位和电场强度的插值 140
3.2 离子轨迹的计算(1) 141
3.2.1 离子运动方程的解法 142
3.2.2 空间电荷密度的计算 145
3.2.3 发射面形状与位置的确定 148
3.2.4 考虑离子热运动时离子轨迹的计算 149
3.2.5 离子束的包络线及其它 151
3.3 电场的计算(2) 153
3.3.1 根据离子束横截面上束流密度分布计算横向空间电荷场 153
3.3.2 根据近似的空间电荷密度分布进行电场计算 157
3.4 离子轨迹的计算(2) 160
3.5.1 计算磁场的微分方程法 164
3.5 磁场的计算 164
3.5.2 计算磁场的积分方程法 168
参考文献 169
第四章 离子束运动的相空间理论 172
4.1 Liouville定理 172
4.2 离子束的发射度和离子光学系统的接受度 176
4.3 离子在相空间的分布 180
4.3.1 椭圆的解析几何学 180
4.3.2 Капчинский-Владнмирсий分布、超椭球内均匀分布和Gauss分布 183
4.3.3 离子温度与发射度的关系 187
4.4 强流离子束的包络方程 189
4.4.1 线性力与非线性力 189
4.4.2 Капчинский-Владнмирсий程 194
4.4.3 轴对称情况下的傍轴包络方程 196
4.4.4 方均根形式的包络方程 197
4.4.5 包络方程的解法Капчинский-Владнмирсий方程的幂级数解 200
4.5.1 离子运动方程的矩阵形式 202
4.5 矩阵理论 202
4.5.2 常用的离子光学元素的一阶传输矩阵 205
4.5.3 矩阵理论在强流离子光学中的应用 211
4.6 离子束发射度图形在运动过程中的变化 腰-腰传输公式 213
4.6.1 发射度图形的矩阵表示 213
4.6.2 几个例子 216
4.6.3 腰-腰传输公式 219
4.7 周期场聚焦 221
4.7.1 周期场聚焦的矩阵理论 221
4.7.2 几种周期场聚焦系统的一阶传输矩阵 224
4.7.3 空间电荷效应对周期场聚焦的影响 227
4.8 传输系统的极限束流 230
参考文献 235
第五章 非线性问题 238
5.1 带形离子束的非线性空间电荷效应 239
5.2 轴对称离子束的非线性空间电荷效应 245
5.3 椭圆截面离子束的非线性空间电荷效应 249
5.4 非线性空间电荷效应的矩阵理论 251
5.5 离子束的散射 256
参考文献 257
第六章 强流离子源引出系统的进一步研究 258
6.1 一维等离子体-离子鞘方程 258
6.2 离子源的引出系统中离子轨迹的计算 266
6.3 单隙和双隙引出系统的进一步研究 271
6.4 强流离子源引出系统设计中的一些问题 275
参考文献 282
第七章 空间电荷中和的强流离子束 286
7.1 自中和离子束 286
7.2 自中和离子束中的电位分布 287
7.3 自中和正离子束的发散 294
7.4 空间电荷透镜 297
7.5 由正离子和负离子或电子组成的合成束 302
参考文献 308
附录A 椭圆截面离子束的空间电荷场 310
附录B 离子在具有中央对称平面的磁场中的运动 315
附录C 几种离子组成的离子束的折合束流 319
附录D 两个无限长的同轴圆柱面之间的离子发射 320
附录E 包含函数g(x)=(λ/π)1/2exp(-λx2)的积分 322
附录F 计算电磁场时采用的网格 323
附录G 二阶常微分方程的数值解法 328
附录H 利用随机选取方法确定离子轨迹计算的初始条件 331
附录I 离子束的方均根发射度 333
附录J 流体力学方法 335
附录K 优选法在强流离子光学系统设计中的应用 345
附录L 等离子体模拟 348
附录M 脉冲强流离子束 351
附录N 数表 354