论文题目：强流高电荷态鸡尾酒式离子束的制备与研究
摘要：强中子环境对结构材料所带来的影响是未来先进核能系统发展面临的挑战。利用重离子多束辐照技术模拟研究材料离位损伤与氢氦协同效应是重要的前沿研究方向。国内外许多科研机构都研发了多离子束注入装置从而更加真实地模拟核能系统中材料的辐照损伤过程。然而,多个装置的多束辐照技术都存在一定的问题,例如造价高、束流能量、流强的限制导致研发时间过长;切束时间过长导致不能最大程度还原协同效应。针对国内外多束辐照装置存在的问题,基于核材料协同效应研究的需求,开展了新型混合束（鸡尾酒束）辐照技术研究实验,实现了混合离子束的传输、加速和精准调控,为多束辐照的研究提供了新的思路和研究手段。基于中国科学院近代物理研究所低能强流重离子直线加速器平台（LEAF）“ECR+LEBT+RFQ”加速器结构,成功地制备了由几种离子组成的具有单一能量的混合离子束——非协同鸡尾酒束。同时,为了实现鸡尾酒束的精准调控研发了多系统同步触发技术、RFQ相位切换技术、鸡尾酒束的边沿调制技术以及鸡尾酒束的诊断技术。基于上述技术成功实现了单一能量下百微安的“~4He+＆58Ni15+”以及“~4He+＆16O4+”鸡尾酒束的传输和加速,并使用不同的技术对其成分、配比进行了诊断和调配。结果表明,所研制的鸡尾酒束具有束流强度高、切换时间短、腔体离子损失率低、离子比例可调等特点。基于LEAF装置所制备的使“~4He2+＆~1H2+”鸡尾酒束对SIMP钢进行了辐照实验。结果表明,与单束辐照相比,使用鸡尾酒束辐照的核材料具有更加明显的表面效应、肿胀效应以及硬化效应。根据核材料辐照实验的要求,在原有LEAF装置的基础上研制了调变离子能量的调能器系统。通过束流动力学模拟确定了腔体物理参数,通过电磁模拟确定了腔体内部结构,完成了腔体的加工、组装、冷模测试等离线测试实验。测试结果表明,腔体的主要指标与理论符合。同时利用100eμA的18O5+束流进行了调能系统的载束实验,成功地将原本0.5Me V/u的单一束流能量调制为0.3～0.7Me V/u的连续可调能量。利用“ECR+LEBT+RFQ+调能器”的配制组合传输和加速了能量可变的“协同型鸡尾酒束”。根据核材料辐照实验的需求,利用“非协同鸡尾酒束”的调制方法与调能器系统结合,采用高频同步技术和能量切换技术成功地将0.5Me V/u的“He+＆Ni15+”和“He+＆Fe14+”调制为“0.65Me V/u He+＆0.5Me V/u Ni15+”以及“0.6Me V/u He+＆0.58Me V/u Fe14+”,并通过诊断系统对束流的成分、能量、配比进行了测量和分析。与传统多束线辐照技术相比,研制的协同型鸡尾酒束除了具备非协同型鸡尾酒束的所有特点,还具备离子能量可调变的特点,满足了离子在材料中的沉积深度可调控的需求。
关键词：离子辐照;低能强流重离子束线;协同效应;鸡尾酒束;IH-DTL
学科专业：核能科学与工程
摘要
abstract
第1章 引言
1.1 研究背景
1.1.1 服役核能材料面临的挑战
1.1.2 研究重离子辐照核能材料的意义
1.1.3 国内外重离子辐照装置的发展现状
1.2 论文主要研究内容
第2章 低能量强流高电荷态重离子直线加速器装置(LEAF)
2.1 LEAF装置总览
2.2 LEAF装置高电荷态离子源
2.2.1 ECR离子源原理简介
2.2.2 LEAF装置运行离子源
2.3 LEBT各传输元件
2.3.1 二极磁铁(Dipole Magnet)
2.3.2 聚焦磁铁(Focusing Magnet)
2.3.3 多谐波聚束器(Multi Harmonic Buncher)
2.3.4 束流诊断室(Beam Diagnostic Chamber)
2.4 RFQ的传输与加速
2.5 IH型DTL的传输与加速
2.5.1 DTL的横向束流动力学
2.5.2 LEAF-DTL介绍
2.6 高注量核材料辐照仪
第3章 非协同型强流鸡尾酒束的制备
3.1 鸡尾酒离子束的概念
3.1.1 鸡尾酒束的基本分类
3.1.2 鸡尾酒束的基本制备方案
3.1.3 鸡尾酒束制备的关键问题
3.2 非协同型鸡尾酒束制备的关键技术
3.2.1 基于定时系统的多元件同步触发技术
3.2.2 RFQ相位切换技术
3.2.3 鸡尾酒束的边沿调制技术
3.2.4 鸡尾酒束的诊断技术
3.3 非协同型鸡尾酒束的产生
3.3.1 “分时型”鸡尾酒束的制备
3.3.2 “同时型”鸡尾酒束的制备
3.4 非协同型鸡尾酒束的应用分析
3.5 讨论与小结
3.5.1 讨论
3.5.2 小结
第4章 LEAF装置调能器的研制
4.1 调能系统的束流动力学模拟设计
4.1.1 束流的能量加速至0.7Me V/u
4.1.2 束流的能量减速至0.3Me V/u
4.2 IH-DTL的设计与测试
4.2.1 IH-DTL的电磁设计
4.2.2 IH-DTL的离线冷测
4.2.3 IH-DTL的射频调节
4.3 RB1的设计与测试
4.4 调能系统的载束测试
4.5 小结
第5章 协同型强流鸡尾酒束的制备
5.1 离子的协同效应对核能材料研究的影响
5.2 协同型鸡尾酒束制备的关键技术
5.2.1 高频系统的时钟同步
5.2.2 能量调制系统的同步能量切换与调制
5.2.3 协同型鸡尾酒束的束流诊断分析
5.3 协同型鸡尾酒束离子的产生
5.3.1 “协同分时型”鸡尾酒束的制备
5.3.2 “协同同时型”鸡尾酒束的制备
5.4 讨论与小结
5.4.1 讨论
5.4.2 小结
第6章 总结与展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
致谢