真空弧离子源等离子体膨胀及多种离子引出物理机制研究

真空弧离子源等离子体膨胀与多种离子引出是中子发生器急需研究的关键物理问题，它们与中子管的结构设计紧密相连。本课题把两者作为一个有机整体进行研究，重点考察两者的物理机制及相互影响。我们将以数值模拟为主，实验为辅的研究方式，深入研究等离子体膨胀、离子引出全过程的物理机制。计划编写三维并行计算程序来模拟相关物理问题，并对个别计算结果进行初步实验验证。真空弧放电经膨胀会形成高密度梯度等离子体，采用并行计算、逐层网格加密技术、可变权重粒子、粒子合并以及多时标法等一系列手段来破解高密度梯度给粒子模拟带来的计算困难。本课题拟揭示的物理机制包括等离子体膨胀过程中密度演化、电位梯度分布、离子空间电荷分离时空尺度，多种离子引出的发射面位置、形状及其变化，束流强度及其影响因素，以及栅网对等离子体膨胀和离子引出的影响等。本课题的研究对于长寿命、高可靠性、小型化中子发生器的设计具有重要指导意义。

本课题是以能产生氢离子的中子发生器真空弧离子源为应用背景开展的研究，等离子体膨胀与多种离子引出是其中关键的物理问题。我们以数值模拟为主，实验为辅的研究方式开展研究。经过三年的努力，我们圆满完成了各项研究工作，具体如下:（1）编写了用于真空弧离子源等离子体膨胀和引出的三维粒子模拟（PIC）程序，该程序能计算至少6种不同的离子；针对真空弧等离子体的特性，采用适合并行计算的红黑超松弛迭代算法和逐层网格加密技术，保证了大等离子体密度计算的精确度；（2）分别计算了等离子体在无引出场情况下的自由膨胀过程和有引出电场情况下的约束膨胀过程，并计算了不同注入电流下的等离子体膨胀和引出；（3）分别计算了不同等离子体密度下、不同引出电压以及有无栅网情况下的多种的离子引出；（4）对靶端次级电子回流规律进行了研究，对两种引出结构进行了电子回流的计算；（5）改造现有实验平台，用闪烁体进行真空弧离子源高压引出的束截面测量，并与数值模拟结果进行了比较。上述研究工作取得如下结果：（1）给出了等离子体膨胀过程中密度演化、电位梯度分布。等离子体膨胀速度为1.9 cm/us，与文献的实验结果相当。计算结果显示在无栅网情况下，有无引出场对等离子体膨胀过程和发射面位置影响很大。（2）给出了不同等离子体密度、不同引出电压下的束流结构和发射面位置、形状，栅网对发射面和束流的影响同样给出；3）揭示了常规和空心束两种结构的电子回流的区别，给出了各自的电子聚焦焦点位置；（4）用YAG闪烁体清晰地获得了不同电压下从真空离子源引出的离子束截面，与数值模拟结果基本吻合。这些研究结果有助于深入理解中子发生器的等离子体和束流行为，并对发生器的设计优化有重要指导意义。

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