氘双等离子体离子源的进展
我国等离子体领域成就和专家
我国等离子体领域成就和专家1——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），有“人造太阳”之称，其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。
2006年9月28日，世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置首轮物理放电实验取得成功，标志着中国站在了世界核聚变研究的前端。
2016年2月，中国EAST物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。
2018年11月12日，从中科院合肥物质科学研究院获悉，EAST实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。
2021年5月28日，全超导托卡马克核聚变实验装置创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。
12月，全超导托卡马克核聚变实验装置度开机运行。
12月30日晚，全超导托卡马克核聚变实验装置实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
2023年4月12日21时，全超导托卡马克核聚变实验装置创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。
专家——吴征威在公共卫生健康领域，他将等离子体技术应用于消毒灭菌，开发出多款康复辅助产品，在解决环境安全、公共卫生、食品保鲜等疑难课题方面取得了显著成绩。
等离子体可以在短时间内杀灭各类细菌、真菌、霉菌等微生物。
利用这一技术，能够高效的形成相对洁净的空间，根据需求快速部署，尤其在自然灾害或重大伤亡事故发生时，此类装备能够在帐篷、车辆、建筑内迅速建立起初级卫生防疫系统。
他主持开发的“便携式等离子体杀菌装置”已形成样机，有望成为一种替代性的物理除菌方法。
此外，他与同事们一起利用等离子体技术对传统的骨科材料进行处理，获得了更安全、生物相容性更好、具有部分自清洁功能的生物医学材料。
离子源及加速器的国内外发展简介
离子源及加速器的国内外发展2.1离子源及其主要类型离子源是加速器的重要部件，它的目的是将样品物质电离成带电地原子离子或分子离子。
其工作原理为：热发射或者场致发射产生电子后在放电室内部被加速，得到能量，然后电子开始撞击气体分子使气体分子发生离解、电离，然后形成等离子体(等离子体离子源)，最后用引出系统在等离子体中引出离子束。
离子源应该具有电离效率高，聚焦性能好，离子初始能量发散小，传输效率高，离子流稳定等特点。
根据不同使用条件以及用途，目前已研制出多种类型的离子源。
使用比较广泛的就有弧放电离子源、PIG离子源、双等离子体离子源和双彭源。
这些离子源都是以气体放电为基础的，因此常被统称为弧源。
高频离子源却是利用稀薄气体进行高频放电来令气体电离，一般都用来生产低电荷态的正离子，有时也生产负离子，用作负离子源来使用。
而新型的重离子源的出现，使得重离子的电荷态得到显著提高，其中比较稳定的有电子回旋共振离子源(ECR)以及电子束离子源(EBIS)。
负离子源性能较好就有转荷型以及溅射型两种在一定条件下，以气体放电作为基础的各类离子源，都可以提供一部分的负离子束流。
图2.1离子源①高频离子源图2.2高频离子源利用稀薄气体中高频放电使气体发生电离，主要产生低电荷的正离子，不过有时候也生产负离子。
在高频电场之中，自由电子与气体中地原子发生（或分子）碰撞，最后发生电离。
从而带电粒子倍增，最后形成无极放电，生产了大量的等离子体。
高频离子源的放电管通常使用派勒克斯玻璃或者石英管来制造。
高频场则可以由管外螺线管线圈来产生，也可以使用套在管外的圆形电极产生。
前者通常称为电感耦合，后者则称之为电容耦合。
高频振荡器的频率通常为10〜10Hz,输出功率则可以达到数百瓦或以上。
从高频离子源中引出离子的方法主要有两种，其一是在放电管顶端插入一根钨丝来作为正极，而在放电管的尾端则安装一个带孔地负电极，并将该孔做成管形，方便从中引出离子流。
加速器原理-第2章
分子态变成原子态称离解。 分于或原子太变成分子离子或原子离子称为 电离。 电离的逆过程，称为复合。复合现象主要是 发生在放电室壁附近，并与壁的材料有关。金 属的复合系数高于绝缘材料，因此有些离子源 的放电室用石英或优质玻璃制成。复合现象对 工作状态影响不大的离子源，放电室仍由金属 制成。
（3）引出系统 引出系统的要求是: 能引出强的束流或具有高的引出效率； 引出的束流具有优良的品质； 具有适当的气阻。（放电室内是低真空，气 压为0.1～10Pa。加速管内则须保持高真空， 气压低于10-3Pa ）
加速器原理
教师：刘晓辉
成都理工大学 核技术与自动化工程学院
第2章 带电粒子源
粒子源（particle source）是产生带电粒子束 的装置。 粒子源与加速器两者是相辅相成的。加速 器的发展对粒子源不断提出新的要求，而粒子 源技术的每个重大突破和发展又促进了加速器 的发展与革新。 粒子源的水平决定加速器的流强、发射度、 粒子种类。
2.离子源的工作原理及主要组成部分 离子源由供气系统、放电室、引出系统及聚焦 电极组成。
（1）供气系统：由管道及阀门组成。将需要 的气体充入放电室，气压一般为10～10-1pa。 充入相关的气体。 氢气——质子，氦气——α粒子 （2）放电室：充入的气体在放电室中电离， 形成等离子体。按形成等离子体的不同方式。 离子源分成不同的种类。但无论哪一种电离方 式，在等离子体形成的过程中都是自由电子起 着主要的作用。来自发射或场致发射的电子以 及空间的自由电子，受到电场加速而具有一定 的动能。它们与气体分子碰撞将导致分子的离 解和电离。
放电原理：从阴极发射出的电子在阴极和对阴 极之间往返的运动同时，又受到轴向磁场的约 束，使电子沿轴线做螺旋运动。从而增加了与 气体分子发生电离碰撞的概率。
聚变能源中的氚化学与氚工艺研究进展及展望
ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｕｃｌｅａｒＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１９９９，Ｃｈｉｎａ
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｏｒｅａｌｉｚｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｆｕｓｉｏｎｏｎｔｈｅｅａｒｔｈｈａｓｂｅｅｎａｄｒｅａｍｏｆｈｕｍａｎｂｅｉｎｇ．Ｏｗｉｎｇ ｔｏｅｘｔｅｎｓｉｖｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｏｆＤａｎｄＴｓｅｅｍｓｔｏｂｅｒｅａｌｉｚｅｄ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｏｒｅａｌｉｚｅａＤＴｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｏｒａｓａｎｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅ，ｌｏｔｓｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｓｓｕｅｓｓｔｉｌｌ ｒｅｍａｉｎｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄ．Ａｍｏｎｇａｌｌ，Ｔｒｅｌａｔｉｎｇｉｓｓｕｅｓａｒｅｑｕｉｔｅｉｍｐｏｒｔａｎｔ，ｂｅｃａｕｓｅＴｉｓｒａｄｉｏａｃ ｔｉｖｅａｎｄｉｔｓｒｅｓｏｕｒｃｅｓａｒｅｑｕｉｔｅｌｉｍｉｔｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｒｉｔｉｕｍ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅＤＴｒｅａｃｔｏｒａｓａｎｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． 犓犲狔狑狅狉犱狊：ｆｕｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙ；ｔｒｉｔｉｕｍｃｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｔｒｉｔｉｕｍ ｐｌａｎｔ；ＤＴｆｕｅｌｃｙｃｌｅ
第４１卷 第１期 ２０１９年２月
核 化 学 与 放 射 化 学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ ａｎｄ Ｒａｄｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ
Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１９
聚赵林杰，肖成建，龙兴贵 ，陈志林，侯京伟，龚 宇， 冉光明，王和义，彭述明
第１期 赵 林 杰 等 ：聚 变 能 源 中 的 氚 化 学 与 氚 工 艺 研 究 进 展 及 展 望
离子迁移谱电离源研究进展
离子迁移谱电离源研究进展秦墨林;郭成海;曹树亚;赵建军;刘卫卫【摘要】The ionization sources are key components for ion mobiblity spetrometers. Ionization sources are very important for detection sensitivity, stability, reliability and detection range of IMS. Characteristics of the ionization sources and their ionization principles are introduced in a general way. Several sorts of ionization sources are reviewed such as radioactive sources, corona discharge sources, photoionization, electrospray ionization sources, plasma ionization sources, nanoscale soft-ionization membrane, et al. The development trends of ionization sources for IMS are discussed.% 电离源是离子迁移谱仪中的关键部件，对样品分子的电离和分离都起着重要的作用。
该文简要介绍了一些离子迁移谱电离源的原理和特点，对放射性电离源、电晕放电电离源、光电离源、电喷雾电离源、等离子体电离源、薄膜型场电离源等不同类型的电离源进行了介绍，并对离子迁移谱电离源的未来发展趋势进行了展望。
【期刊名称】《化学传感器》【年(卷),期】2013(000)002【总页数】8页(P1-8)【关键词】离子迁移谱;电离源;放射源;电晕放电;光电离;电喷雾;等离子体;薄膜场电离【作者】秦墨林;郭成海;曹树亚;赵建军;刘卫卫【作者单位】防化研究院，北京102205;防化研究院，北京102205;防化研究院，北京102205;防化研究院，北京102205;防化研究院，北京102205【正文语种】中文电离源是离子迁移谱仪（IMS）中的重要部件，其作用是将中性样品分子转化为带电的离子。
离子源介绍
离子源介绍2.1 离子源概述离子源是通过中性原子或分子电离，然后将它们引出并形成离子束流的装置。
它是各种类型的离子加速器、质谱仪、离子推进器、离子束加工设备等仪器中不可缺少的关键部件。
离子源一般分为气体型离子源和固体型离子源。
2.1.1 结构与组成一般离子源的结构如图1.1所示，基本工作原理为：热发射或场致发射的电子在放电室里面被加速，被加速的电子撞击气体分子使之离解、电离，形成等离子体，由引出系统从等离子体中引出离子束。
图2.1 离子源的一般结构2.1.2 离解、电离及复合过程解离是指分子在载能电子的作用下离解成原子；电离是指分子或原子在载能电子的作用下电离形成离子。
我们以氢为例给出一个典型的离解和电离方程：1H + e （离解过程）2H2 + e → 21H + e → H++ 2e （电离过程）++ 2e（分子离子）2H2 + e → H22H+ + e → 2H++ 3e （原子离子)第1页复合过程是指离子捕获电子形成中性原子或分子的过程。
离解、电离及复合是一动态过程，当电离过程与复合过程达到动态平衡，放电就达到了平衡，稳定的等离子体就形成了。
2.1.3 等离子体的密度等离子体的密度是离子源的重要参数。
等离子体的密度越高，引出的离子束流就越强，离子源的性能就越好。
提高等离子体密度的方法，一般是在放电室中加一轴向磁场，其主要作用为：a）使电子做螺旋运动，提高电子与原子的碰撞次数，提高电离几率。
b）使离子受到径向的约束力，减少与放电室内壁碰撞而复合的几率。
2.1.4 离子源引出系统和聚焦系统气体放电，电子与原子、分子的碰撞，用离子轰击阴极材料以及表面电离过程都能够产生离子，然后通过引出系统形成离子束。
离子源的引出系统是离子源的重要结构。
聚焦系统用于调节离子束的发射度、能散度和线性度等等，离子束的各项指标都与引出系统和聚焦系统密切相关。
2.2 离子源的种类根据使用条件和用途的不同，离子源的类型有很多。
离子源
应用介绍
应用介绍
ion beam
以近似一致的速度沿几乎同一方向运动的一群离子。
离子源是用以获得离子束的装置。我们知道，在各类离子源中，用得最多的是等离子体离子源，即用电场将 离子从一团等离子体中引出来。这类离子源的主要参数由等离子体的密度、温度和引出系统的质量决定。属于这 类离子源的有:潘宁放电型离子源射频离子源、微波离子源、双等离子体源、富立曼离子源等。另一类使用较多的 离子源是电子碰撞型离子源，主要用于各种质谱仪器中。此外，离子源还有表面电离源、光致电离离子源、液态 金属离子源等类型。
从高频离子源中引出离子可有两种方式。一种是在放电管顶端插入一根钨丝作为正极，在放电管尾端装一带 孔负电极，并把该孔做成管形，从中引出离子流。另一种方式是把正极做成帽形，装在引出电极附近，而放电区 则在它的另一侧。不管采用哪种引出方式，金属电极都要用石英或玻璃包起来，以减少离子在金属表面的复合。
在高频放电区域中加有恒定磁场时，由于共振现象可提高放电区域中的离子浓度。有时，还在引出区域加非 均匀磁场来改善引出。
主要参数
主要参数
①离子束流强 即能够获得的有用离子束的等效电流强度，用电流单位A或mA表示。 ②有用离子百分比 离子源即有用离子束占总离子束的百分比。一般来说，离子源给出的总离子束包括单电荷离子、多电荷离子、 各种分子离子和杂质元素离子等的离子束。 ③能散度 由于离子的热运动和引出地点的不同，使得离子源给出的离子束的能量对要求的单一能量有一定离散，一般 希望能散度尽量小，在高精度的离子束应用中尤其是这样。 ④束的聚焦性能 以离子束的截面和张角表示。聚焦不好的离子束在传输过程中会使离子大量丢失。获得良好聚焦特性的离子 束的最终障碍是束中离子之间的静电排斥力，为了克服这一障碍，应尽早使离子获得较高能量。 ⑤离子源的效率
氢同位素气体质谱分析进展
性测量法用于 含氚样 品的测定 。 非放 射性测定 尔 型离子 源＿１ 种 离子源 具有 线性好 、 敏 【】Ｗ ． Ｙ ｕ ． Ａ— Ｒ— ＭＯ ２ ４ ． ｌ。 。该 灵 ４ Ａ． ｏ ｇ ＮＡ Ｓ ＭＥ ｌ ｌ９ 氢同位素方法 主要为气 相色谱法 、 质谱法和气 度高优 点。 同位 素来说 ， 质量 小 ， 氢 其 相互 质量 ［】Ｔ． Ｍｅ ｈｏ ． ＰＰ ８ ５ Ｋ． ｈｒ ｆ ＧＥ 一１ ７． 相 色谱一 质谱 联用法等 。 Ｃ Ｇ 分析氢 同位 素 由于 差又非 常大 ， 所以 引起 的质量歧 视效应就特 别 【】Ｐ． ｈａｔ ｇ ｅ ． ６ Ｃ ｓａ ｎ ｒＤＰ—ＭＳ １ ｌ ． 一８ 一ｌ ５ 色谱 柱液氮温度 工作 ， 结果对 色谱柱工 作温 度 大。 现代 的氢同位素 质谱计为 了克服上述 质量 【】 磊 ， ７ 石 李金 英 ， 慕俊 娟 ， ． 氘体 系的氘 等 氢一 歧视效应 ， 离子源 的出 口缝与磁分析 器入 口 在 的 ｄ限制缝之 间设 了一 套尼尔 电透镜 系统 。 该 丰度 质谱 分析 技 术研 究 ． ｏ ． １ Ｎｏ ３ Ｖ １３ ． ． ．
体混 合物 中各组 分的 相对浓 度测 定或 同位素 等 双原子 离子 ， 还产生 Ｈ 、 Ｔ 等单 原子 离 Ｄ 、
述。 计实现 质荷ｂ ｍ／ 分ห้องสมุดไป่ตู้ ， Ｌ ｚ 用于 测定氢 、 、 气 氘 氚
系统聚 焦 电压随不 同氢 同位 素类 型变化 而变 ［】 ８ 刘琦 ， 邓中国 ． 高丰度氚 同位 素的质谱分析
【】质谱 学杂志 ，９ ５ Ｖｏ ． ． ３ １ Ｊ． １ ８ ． １ ６ Ｎｏ． ． ５～
２１．
析 技 术 改进 发 展 对 氢 同位 素 交 换 动 力 学 研 和 原子能 院邓 中国合作 用改进Ｚ Ｔ ３ ｌ 采 ｈ —ｌ Ｏ 究 、 同位 素 分 离 研 究 、 核 聚 变 材 料 生 产 氢 轻 使用、 储氢 材 料研 究 乃至 同位素 化 学学 科 发 展 均有 十 分 重要 意 义 。 型质谱计 分析高 丰度 氚同位素 ， 于９ ％高峰 对 ９
二次离子质谱分析课件
SIMS 二次离子质谱仪
❖SIMS类型-直接成像质量分析器
直 接 成 像 质 量 分 析 器 (Direct Imaging Mass Analyzer—DIMA) 也 就 是 成 像 质 谱 计 (Imaging Mass Spectrometer—IMS)，有时也称为离子显微镜(IM)。它是利 用较大的离子束径打到样品表面上，从被轰击区域发射的二 次离子进行质量分离和能量过滤，在保证空间关系不变的情 况下，在荧光屏上以一定的质量分辨本领分别得到各种成分 离子在一定能量范围内的分布图像。
SIMS 二次离子质谱仪
❖二次离子质谱仪-质谱分析器
➢ 二次离子分析系统早期采用磁质谱分析器，但仪器复杂、 成本高。
➢ 表面分析的静态SIMS中，几乎都采用四极滤质器，它没 有磁场、结构简单、操作方便、成本低。
➢ 飞行时间质谱计分析速度快、流通率高，可以测量高质量 数的离子，而逐渐受到人们的重视。
SIMS 引言
早在本世纪30年代，Arnot等人就研究了二次离 子发射现象。1949年，Herzog和Viekbock首先把 二次离子发射与质谱分析结合起来。六十年代，先 后发展了离子探针和直接成像质量分析器。七十年 代又提出和发展了静态二次离子质谱仪。这些二次 离子质谱仪的性能不断改进，使之成为一种重要的、 有特色的表面分析手段。
SIMS 分析方法
❖深度剖面分析
B注入硅中的SIMS深度剖面分析
SIMS 分析方法
❖面分布分析
利 用 SIM 或 IMS 可 以 获 取材料表面面分布的信息， 随着计算机技术的广泛应用 及电子技术的不断发展， SIMS 的 空 间分 辨率 可达 亚 微米量级 。
SIMS像
SIMS 分析方法
水中氕、氘、氚同位素的分离技术研究现状
!第!"卷第#期核!化!学!与!放!射!化!学$%&'!"(%'# !#)#!年!月*%+,-.&!%/!(+0&1.,!.-2!3.24%0516478,9:;,<#)#!水中氕 氘 氚同位素的分离技术研究现状施章宏 赵庆凯 陈长安"中国工程物理研究院材料研究所%四川江油!"#?@)D摘要 氢的同位素氕#E$&氘#F$和氚#G$在医疗&核能&国防等领域都有着广泛的应用%特别是在碳达峰&碳中和的'双碳(背景下%采用氘氚核聚变能被认为是我国的重要能源战略)故实现氢同位素的有效分离具有极其重要意义%然而自然界中氘和氚的相对丰度却极低%国内外学者相继开展了广泛的科学研究)本文首先对水中氢同位素分离的技术原理进行了概述!然后%从工程化应用角度%重点综述了电解法&精馏法和化学交换法!从实验室研发角度%重点综述了膜分离法和多孔材料吸附法)最后%对几种典型技术的分离因子和能耗进行了对比分析%并展望了未来水中氢同位素分离技术的发展趋势%以期为水中氢同位素的高效分离提供指导)关键词 同位素分离!氕!氘!氚中图分类号 H I@?!!文献标志码 :!!文章编号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收稿日期 #)#=>)!>?!!修订日期"#)#=>?)>)@!!基金项目 国家磁约束聚变能发展研究专项##)##A B C)=?D)))?$!!"通信联系人 陈长安!!氢有=种同位素"氕#E $&氘#F %重氢$和氚#G %超重氢$%其中氚具有放射性)氢的同位素在医疗&核能&国防等领域都有着极其广泛的应用)例如"在医药研究上%利用氘减缓代谢的原理%氘代药物能提高药物疗效及作用时间+,!在核裂变能的重水核反应堆中%用重水作为慢化剂和冷却剂+#,!在被认为人类终极能源的聚变堆中%主要依靠氘&氚核聚变反应产生能量+=,!在国防领域中%氘&氚是构成核武器---氢弹的重要材料+!,)此外%在学术研究方面%氘和氚还是追踪氢元素参与某些物理化学过程的示踪元素)然而%自然界中氢的同位素F 和G 相对丰度却极低%F 相对丰度约为)')?I"[%而G 相对丰度低于)'))?[)E &F &G 因具有相同的电子结构%其化学和物理性质差别甚微%很难通过常规的物理或化学手段进行分离)目前研究较多的一般为气体氢分子形态的同位素#E #&F #&G #&E F &E G 和F G $分离%已开展了丰富的研究并取得了显著的成果)近年来%面对核能的快速发展产生的含氚废水及福岛事故产生的含氚废水的处理问题%人们将目光转向了水中氢同位素#E #P&E F P &F #P &E G P &F G P 及G #P $的分离研究)因含氚废水中的氚主要以氧化氚#E G P $形式存在%E G P 的危害是气态元素氚E G 的#'I 万倍+I ,)而福岛核事故自#)?=年起已累积产生了活度浓度约为)"\]*^的含氚废水?=)多万吨+",无法有效处理%引起了国际社会的高度关注%其最终去向已成为全世界讨论的热点问题)如何经济有效地对水中氢的同位素进行分离%对于核能的可持续发展&聚变堆燃料循环以及氚处理工艺有着非常重要的意义)目前%已发展了多种水中氢同位素的分离技术%如图所示%按照分离原理的不同大体可分为五类"#?$利用饱和蒸汽压的差异%如精馏法#_F $&膜蒸馏法等!##$利用动力学性质的差异%如热扩散法&膜渗透法等!#=$利用热力学性质的差异%如双温交换法#`4,2&1,>L +&/421$&气相催化交换法#$U S C $&液相催化交换法#^U S C $等!#!$利用化学反应动力学的差异%如电解法#_C $&联合电解催化交换法#S C S C $等!#I $利用吸收光谱上的差异%如激光法等)其中%各分离方法发展的时间轴如图#所示)图!水中氢同位素分离的主要原理及方法B 4O <?!U ,4-04;&17.-26185%27%/V .81,592,%O 1-47%8%;171;.,.84%-图#!水中氢同位素分离方法发展的时间线B 4O <#!G 461&4-1%/V .81,592,%O 1-47%8%;171;.,.84%-6185%27"J 核化学与放射化学!!第!"卷<!工程化技术电解法&精馏法和化学交换法出现的较早#图#$%经过持续的发展%目前技术成熟度较高%已成为工业上广泛采用的主要工程应用技术)<=<!电解法电解法是利用电解槽将电能转化为化学能%水分子在直流电的作用下阳极发生氧化反应生成氢气%阴极发生还原反应生成氧气)水分子分解生成氢气的过程中%同位素在电极上析出速率不同%产生显著的同位素效应)对于氢>氚同位素体系%随电解技术类型的不同%分离因子在#!?I范围内+#?>#=,)如表?所示"水的电解按电解温度的不同可以分为低温电解和中高温电解技术!按照传导离子的不同%可分为碱性#P E a$电解&质子#E b$传导电解和氧离子#P#a$传导电解技术)值得注意的是%与低温电解技术相比%中高温电解效率可以接近))[)表!几种典型的电解技术G.X&1?!G9;40.&/1.8+,17%/1&108,%&9747;,%017717电解技术电解质电解原理迁移离子电解温度电解效率现状低温电解碱性#P E a$电解#:_C$液体P E a#)!J)c I@[!J)[已商用固体聚合物电解#L U C$固体#聚合物电解质膜$P E a#)!#))c实验室阶段E b#)!#))c"I[!J#[即将商用中高温电解固体氧化物电解#L P C S$固体#陶瓷氧化物$E b I))!?)))c接近?))[实验室阶段P#a I))!?)))c接近?))[样机阶段P#a D I)!@))c实验室阶段DJ第#期!!施章宏等"水中氕&氘&氚同位素的分离技术研究现状!!自?@=#年科学家W,19+J,发现氘之后%就首先用电解法分离氘)在#)世纪中叶%水溶液电解就已成为挪威&加拿大和苏联的第一种工业化方法获得重水的技术)首先%人们对碱性电解分离氢同位素进行了较多的研究%发现与E F P体系相比%碱性电解更适合E G P体系+#!,)但处理高浓度的氚时存在碱水溶液的自辐射分解%引起周期性维护计划频率较高%导致更换电解质会产生较多的二次放射性废物)此外%碱性溶液还会对管路系统产生较强的腐蚀作用%如今已逐渐被L U C电解技术替代)L U C电解需要用质子交换膜作电解质%最常用的是(./4%-型+#I>#",的全氟磺酸盐膜)与传统的碱性电解相比%具有体积小&电流密度与电解效率高&使用寿命长&系统工艺简单等优点%已被广泛用于水电解制氢领域%生产能力可以从^*5到!))6=*5)在氢的同位素分离方面%孟建波+#D,研究了L U C电解技术对E*F同位素的分离性能%发现在!)c&@)6:*06#条件下%M,3+*(./4%-& D*U X:O&M,3+*(./4%-&?D*G4(4=&M,3+*(./4%-& D*(4和S*(./4%-&?#*U8>G4P#T C:电极的E*F 分离因子分别为!'!@&='!J&='?!和!'I=)温雪莲等+#J,研制了L U C固体电解质氚水浓集装置%对约\]*^的含氚水进行了电解浓集实验%得到了='D倍的浓度富集系数)该装置经过一年的运行%性能稳定%为含氚废水的处理提供了新途径)因氚具有放射性%在处理高浓度含氚废水时%质子交换膜的稳定性也引起了学者的关注)M V.4等+#@,发现在高达I))R`9电子束的辐射剂量下%膜仍保持机械强度%但如果剂量超过)))R`9%则离子电导率会降低)随后%学者对(./4%-??D和(./4%-???)膜的抗辐射性也进行了研究+=)>=?,%发现在比活度约为='D d?)=\]*R O氚化水的情况下%膜的状态会发生相应的变化)为了将氚浓缩到较高的值#约?)=\]*R O$%建议使用带有U2>:&合金膜的双极电池+=#,)要进一步浓缩到更高的值#)I\]*R O$%M7%X1等+==,建议使用带有硬氧化物陶瓷电解质的电解装置)电解法的优点在于能获得高的分离因子%是目前国内外正在应用的水中氘&氚有效分离的辅助方法之一)但无论哪种电解技术%其能源成本都极高#电解为氢气的能耗约!!I'IR_5*6=$%使用电解作为大量含氚水脱氚的单独工艺在经济上并不可行%如今该技术广泛用作基于氢与水的化学同位素交换%即S C S C工艺的一部分%主要用于较高浓度含氚废水的进一步浓缩处理)<=>!精馏法精馏法也是最早实现重水分离的方法%是利用不同含氢同位素水分子的饱和蒸汽压差异&较轻的同位素分子更易挥发的特性#表#$)在?@==年研究电解法分离氢同位素的同时%用精馏分离氢同位素的实验也在同步开展%并验证了技术的可行性)随后\4O1&1471-+=!,利用量子统计理论%提出了$.;%+,U,177+,1M7%8%;1C//108#$U M C$理论"由于不同氢同位素分子挥发性的不同%引起冷凝#液体$相和气态相的同位素组成不同)这是所有蒸馏分离技术的基础%并通过混合液体分馏的瑞利方程进行建模+=I,)经过多年的发展%该工艺已用于重水工业生产与升级+=",%是目前最广泛的分离方法之一)表#!氢同位素氧化物的沸点和蒸气压对比G.X&1#!S%6;.,47%-%/X%4&4-O;%4-8.-2Z.;%,;,177+,1%/592,%O1-47%8%;1%K4217!!水精馏浓集氚的实验研究在#)世纪D)年代至J)年代已深入开展+=D,%该工艺具有处理量大&装置结构简单&易操作&不需催化剂等优点)中国工程物理研究院核物理与化学研究所基于精馏工艺建立了一套小试规模的含氚轻水处理验证装置%该装置的处理量为R O*5+=J,%能够在全回流条件下实现氚水大于?))倍的贫化+=@,%中国工程物理研究院材料研究所基于多年氢同位素分离技术积累%建立了!)R O*5的水精馏预浓集装置%作为中试平台用于含氚废水处理的评估验证)填料是精馏工艺中影响分离效果的核心因JJ核化学与放射化学!!第!"卷素%它提供了气液两相接触传质和传热的表面%与塔内件一起决定了填料塔的性能)目前%国内外均广泛采用磷青铜填料+!),%中国工程物理研究院核物理与化学研究所+=J %!?,&中国工程物理研究院材料研究所+!#>!=,等针对磷青铜&不锈钢等精馏填料进一步开展了深入研究%考察了不同规格&形式和处理工艺的填料分离效率%发现不锈钢填料经优化后性能媲美磷青铜%能大幅降低填料成本)精馏的主要优点是工艺过程中没有水分子与氢分子间的催化交换&无氢爆燃危险%装置的结构简单&坚固%没有腐蚀问题%是获得重氧和低氘水的主要方法+!!>!I ,)未来通过耦合热泵&废热能源%可以显著降低整体能耗%有望用于大量&低浓度含氚废水的处理)<=?!化学交换法化学交换法是指利用化学平衡的原理对氢同位素进行浓缩%当同一元素的两种化合物在一定条件下相接触时%同位素在不同的化学组分间的分配不同而达到分离目的)化学交换法分离水中氢同位素可分为两大类"一类是以E #L 为载体参与的双温交换法!另一类是以氢气为介质%贵金属作催化剂%实现气态氢与液态水的催化交换法%且按水的工作状态及交换条件的不同%可进一步分为$U S C &^U S C %其中^U S C 可以和电解法组成S C S C 工艺)<=?=<!`4,2&1,>L +&/421#`L $工艺!双温交换法被称为`4,2&1,>L +&/421双温硫化氢交换法%依赖于水#E #P *E F P $和硫化氢#E #L *E F L $之间随温度变化其氢同位素交换反应速率的差异)如图=+!",所示%其主要由保持在=#c 的冷循环和=)c 的热循环组成)在冷循环中%硫化氢气体中的F 优先转移到液态水中%而在热循环中%水中的F 优先转移到硫化氢气体中)其分离因子为'J !#'=%能源成本较高)`14X 和L ;1Z .0R 发明了这个`L 工艺+!D ,%`L 在这里代表`4,2&1,>L +&/421%`4,2&1,是该公司的名称%该公司设计了美国第一个双温交换法的分离工厂+!J >!@,)双温交换法的特点是可以只改变一种同位素的浓度%同位素交换的热力学&动力学以及由氚引起的放射性废物等问题均可以被最小化)`L 工艺的优势是仅需要几个阶段即可生产大量重水+!J ,%是目前全世界生产重水最主要的工业方法)例如%加拿大`L 工艺生产重水的能力可达?"))吨*年%主要提供给S :(F W 反应堆)美国两座I ))吨*年的重水生产厂和印度))吨*年的重水生产厂均采用`L 工艺+I ),)早期`L 工艺的厂房建设非常大%三座塔高@)6%直径@6+!J ,)后来用于气体交换的硫化氢被氨或氨基甲烷代替%减少了电力需求%使工厂规模更小%并避免了硫化氢工艺典型的腐蚀问题)此外%其优点是不需要用电解池来进行相转化%克服了电解工艺过程耗能大的缺点%但要求化学交换反应在高低温的分离因子之差必须尽可能大%才具有应用价值)图=!双温交换法生产重水的简单反应过程+!",B 4O <=!`L ;,%0177/%,851;,%2+084%-%/51.Z 9V.81,+!",<=?=>!$U S C 工艺!$U S C 的原理是实现氚的相转换%即将E G P #或F G P $加热汽化后在交换柱内与高纯E ##或F #$进行同位素交换反应%进入气相中的氚再通过下一步的低温精馏技术#S F $浓集分离)$U S C 含氚重水除氚工艺中%首先将含氚重水进行汽化%在催化交换塔中%汽化的含氚重水分子与通入的纯氘进行气>汽并流催化交换%在催化剂的作用下%发生同位素传质交换反应%将重水中的氕和氚转移到氘气中)?@D #年法国在`,1-%X &1核研究中心^.+1^.-O 1Z 4-研究所建立了世界上第一套气相催化交换的重水脱氚装置%该装置处理含氚重水的能力为J '!R O*5+I ?,%使反应堆重水中氚的比活度降低至?'DS 4*R O #?S 4e ='D d ?))\]$)?@J J 年加拿大安大略水电公司#P -8.,4%E 92,%$在参照法国`,1-%X &1脱氚工艺流程的基础上%对技术稍加改进%在达林顿#F .,&4-O 8%-$建造了一座迄今为止世界上最大的重水脱氚装置)该脱氚装置的规模约为法国的#)倍%塔高=)6%处理含氚重水的能力为=I )R O*5%年平均处理含氚重水能力为#)))吨+I #,)$U S C 流程中采用的是亲水催化剂%需要多级串联运行%@J 第#期!!施章宏等"水中氕&氘&氚同位素的分离技术研究现状每一级反应都需要在高温##))c$进行%能耗高)另外%对于每一级交换%蒸汽与E##或F#$是同向并流%交换效率相对较低"含氚重水需要反复汽化和冷凝%工艺流程&设备非常复杂)该方法虽然成熟%已工业化生产%但技术路线落后%已被^U S C 工艺取代)<=?=?!^U S C工艺!由于$U S C工艺中使用的亲水型催化剂的载体具有亲水性%若在液态水环境下%水会将催化剂的活性组分覆盖%从而使催化剂失活)^U S C是随着疏水型催化剂的发明出现的%该催化剂能够使交换反应在液体中或者在极潮湿的环境中进行%液态水和氢气直接进行氢同位素间催化交换%不需反复汽化和冷凝%简化了蒸汽相催化交换的过程)该工艺采用逆流交换反应的模式%即含氚重水从^U S C塔的顶部进入催化交换塔%纯氘从催化交换塔的底部进入催化交换塔%在催化反应床内进行气>液两相间的氢同位素催化交换反应%使含氚重水中的氚由液相转移到气相氘中%即F G P转化成F G)加拿大S5.&R34Z1,实验室开发出疏水催化剂%有效解决催化剂液态水覆盖导致中毒的问题后%该工艺以其操作条件温和&能耗低等优点而迅速取代了$U S C工艺) @J I年%加拿大S5.&R34Z1,实验室首先建立了基于^U S C bS F流程的含氚重水提氚验证试验装置+I=,)@@)年%加拿大原子能有限公司#:C S^$建立了^U S C重水脱氚的中试装置%该装置对含氚重水的处理能力可达#IR O*5%能够去除J)[的氚和@)[的质子+I!,)随后欧洲S:(F W类型的重水反应堆均建立了I))8*.的重水脱氚装置%均采用^U S C工艺+I I,)在加拿大的帮助下%韩国于#))"年在月城#_%&7%-O$建成了处理能力))R O*5&除氚因子=I的重水除氚系统%每年能够去除D T S4氚%能有效减少场区约"@'?[的氚排放+I",)^U S C脱氚工艺的特点是需要采用疏水催化剂%目前%主要以多孔聚四氟乙烯为载体的载铂催化剂或以聚四氟乙烯疏水化处理的活性炭为载体的镀铂催化剂#U8*S*U G B C型催化剂$为主)这种类型的疏水催化剂广泛用于液态水和氢同位素单质气体间的同位素交换和氢的催化氧化+=?%I D,)罗马尼亚+I J,&印度+I@,和中国+")>"?,也在开发制造疏水催化剂的技术)俄罗斯和日本则选择苯乙烯>二乙烯基苯共聚物#L F\S$为疏水载体%将活性金属#U8$直接沉积在其上+"#>"=,)<=?=@!S C S C工艺!S C S C流程其实是^U S C 流程的扩展%电解在S C S C工艺中的重要作用是提供相转化功能%完成^U S C催化塔下部的回流倒相任务)同时%由于电解过程中重组分将在电解液中浓缩%所以电解还能增加S C S C进一步预浓缩氘或氚的能力)与气相催化交换$U S C和^U S C工艺相比%S C S C对含氚气体具有浓缩功能%能大幅减少输送到S F的含氚气体量%有效减轻S F的负担%降低后端能耗)因此%联合电解催化交换法的应用越来越受到重视%其被国际热核聚变实验堆#M G C3$选为水去氚化的重要技术路线+"!,)加拿大+I!,&美国+"I,&日本+"",电站&俄罗斯+"D,以及我国均建立了不同规模的S C S C装置)其中%德国卡尔斯鲁厄氚实验室#G^f$发展并建立了名为G3C(G:的聚变能源含氚水处理系统%采用了S C S Cb S F的级联工艺+"J,%其中S C S C装置中的^U S C柱高J6%电解池产氢能力为#'#6=*5)G^f于#)??年利用S C S C装置对欧洲联合环状反应堆#*C G$产生的?J)^含氚水进行了处理%获得了减容=)倍的结果+"@,)日本福岛核事故后%日本东京电力公司也曾考虑把S C S C作为其大量核废水除氚设施建设的技术路线+=J,)国内S C S C相关工艺发展较晚%主要有中国工程物理研究院和中国原子能科学研究院相关装置的报道)其中%中国工程物理研究院在'十五(期间建立了一套基于S C S C和色谱工艺级联的含氚重水处理演示系统)之后%中国工程物理研究院核物理与化学研究所建立了一套S C S C 含氚水处理系统%采用了L U C膜电解池%大大降低了系统的氚滞留量%将氚水的浓集倍数提高到=#倍以上)吴栋等+D),针对内陆核电&国际热核聚变实验堆和福岛核电站=种含氚废水#轻水$体系开展了基于联合电解催化交换工艺的深度净化除氚的技术研究%给出了具体的工艺设计示例%并提出了在含氚水进料量较大的情况下%宜采用模块化的设计方案)S C S C工艺也需要用高成本贵金属铂疏水催化剂!能量强度较大%费用较高+D?,)另外%其规模还受电解池电解能力的制约)因此%该工艺目前仅适用于少量氚水的脱氚#处理能力为每小时数十升$+D#,)>!实验室技术>=<!膜分离法膜分离技术分为膜渗透蒸发和膜蒸馏两种工)@核化学与放射化学!!第!"卷艺+D =>D I ,)这两种分离方法均发生液体到蒸汽的相变%两种方法的关键区别在于膜的作用)渗透蒸发时%膜是亲水性的%驱动力来自进料液和渗透蒸汽之间的化学势差!膜蒸馏时%膜仅作为汽>液的界面%是疏水性的%驱动力源于组分之间的蒸汽压差+D ",)>=<=<!渗透蒸发!渗透蒸发可以分离沸点相近的混合物%这些混合物很难通过蒸馏分离)水同位素分离非常适合这种膜工艺)如图!所示%将进料的液体混合物加热%同时在另一侧调节蒸汽压差)如实验室中可通过真空泵调节%工业生产中可采用冷却渗透蒸汽的办法+D D ,%实现进料液被膜吸附并扩散通过膜%在另一侧蒸发+D J ,)美国橡树岭国家实验室的\5.Z 1等+D @,用L :U P >=!和^G :分子筛作为膜材料%开展了氚水的渗透蒸发分离实验%其实验装置示于图I )结果表明%用不同的f >^G :膜样品观察到E G P *E #P 分离因子和理想选择性均有显著提高)有趣的是%f >^G :膜会优先选择性地渗透E #P %导致滞留物中的E G P 浓度高于渗透物)\5.Z 1等+D @,还发现使用^G :膜%f >^G :中的总蒸汽渗透率比L :U P >=!高一个数量级#))))!#))))06=*#06#.7.06E O $$)可以想象%与目前最先进的S C S C 工艺相比%通过高渗透^G :膜和氚化水的分子筛分离%多级级联后将能经济有效地从大量低浓度含氚废水中分离氚化水+J ),%有着诱人的应用前景)图!!渗透蒸发示意图+D D ,B 4O <!!F 4.O ,.6%/851;1,Z .;%,.84%-;,%0177+D D,>=<=>!膜蒸馏!膜蒸馏最适合于进料成分主要是水的情况%如水的同位素分离)该过程由加热进料液体和渗透物之间的蒸汽压差驱动)必须使用疏水膜作为汽>液界面)疏水表面防止液体溶液进入孔%这被称为孔润湿)该膜为水和渗透侧之间的接触提供了大的表面积%并充当进图I !用于分离氚化水的膜渗透蒸发系统示意图+D @,B 4O <I !L 0516.840%/851;1,Z .;%,.84%-797816/%,85171;.,.84%-%/8,484.812V .81,+D @,料和逆流相之间的物理屏障)已进行水同位素分离测试的膜蒸馏装置包括直接接触膜蒸馏#F S T F $+J ?>J #,&气隙膜蒸馏#:`T F $+J =>J !,&真空增强膜蒸馏#$C T F $+J !,和压力驱动气隙膜蒸馏#U F >:`T F $+J I ,#图"+J ",$)其中%在比较改进的膜蒸馏工艺时%:`T F 被用作比较基准+J!,)氧化石墨烯#`P $膜是主要用于水中氢同位素膜蒸馏的材料%#)?I 年%L 1Z 4O -9等+J D ,首次利用制作的`P 薄膜完成了氢同位素水蒸气的分离实验)实验表明`P 薄膜对水中F *E 和G *E 的分离因子约为'#和?'"%表现出极强的分子筛分性能%远远优于传统微孔高分子膜的分离能力)#)#)年%T %5.66.24等+JJ ,利用类似的压力驱动过滤装置研究了`P 纳米片的大小和氧化程度对同位素分离效率的影响%发现不同操作条件下的同位素传质行为具有较大差别)针对以上`P 膜分离的一些定性的研究%文明等+D !,通过在`P 膜表面引入含氟二氧化硅纳米颗粒层%实现了对`P 膜的超疏水改性)结果表明%膜的超疏水涂层可以有效地阻止液态水渗透到膜中%从而在膜中提供纯蒸汽过程)同时%与纯`P 和商用聚合物膜相比%合成膜在膜蒸馏中具有优越的同位素选择性)分离因子均值为'?I ?%连续测试长达@)5%复合膜的性能稳定%不影响膜的选择性和通量)在机理研究上%S 54-O +J ",采用不同厚度和还原程度的`P 膜%证明了`P 与邻近水分子和氧官能团的氢键强度不同%导致不同氢同位素的水分子扩散速率#分子扩散$不同%选择性吸附和解?@第#期!!施章宏等"水中氕&氘&氚同位素的分离技术研究现状图"!四种主要的膜蒸馏工艺+J",B4O<"!T16X,.-124784&&.84%-;,%01770%-/4O+,.84%-7+J",吸#吸附效应$不同)实验结果还表明%增加`P厚度可以增加吸附位点数量%能改善F*E的分离性能)S54-O+J",还对膜技术的能耗和分离因子与其它分离技术进行了对比%可以看出用膜技术进行水中氢同位素的分离时%具有较低的能耗和较高的分离因子%在未来工程应用中具有显著的竞争优势)>=>!吸附法近年来%利用无机和有机多孔材料进行选择性吸附+J@>@#,被认为是最有前途的低成本分离方法)分子筛作为最常用的多孔吸附材料%在早期E G P选择性吸附实验研究中%取得了一定的研究成果%得到了初步的吸附>解吸机理)(.7471等+J,最早开展了分子筛多孔材料吸附E G P的研究工作%但结果并不理想%未能发现有明显的选择性)f46等+@=,首先从实验上证明了多孔材料对E G P分子具有一定的优先选择性%并用多种无机和有机的分子筛多孔材料对I"S4*6^E G P 进行了去氚研究)在镁分子筛&镍分子筛&铁分子筛&铝分子筛&多孔氧化铝&多孔硅胶&沸石&海藻&壳聚糖等中%筛选出镁分子筛的效果最佳%可去除D'"[的E G P)这一结果为多孔材料处理含氚废水提振了信心)f46等+@=,为了解释多孔材料对E G P分子的选择性吸附%提出了四种初步的吸附>解吸机理"氢离子交换机理&金属离子配位机理&与碱基的氢键机理&与孔隙中水簇的二次氢键机理)接着%新型介孔二氧化硅#T S T>!?$材料被发现%G.O+054等+@!,注意到T S T>!?与其它分子筛相比%孔径分布更窄&比表面积更大#大于)))6#*O$%将更有利于E G P分子的吸附)经实验后获得多孔材料对E G P去除效果的排序" T S T>!?#^G:#I:$#低二氧化硅TP3$G: #!:$#高二氧化硅TP3)测得T S T>!?对E G P的分离因子为?'#"%对比需要加热的废水精馏除氚的工艺#平均分离因子约?')=!?')I$%应用前景极大)近期文献+@I,报道了一种可以利用温度调节孔道尺寸的多孔配位聚合物#U S U7$结构%在不同尺寸的孔道中水分子同位素的扩散速率不同%从而实现了室温下对水分子中氢同位素的有效分离)如图D所示%低温下扩散通道小于水分子的动力学直径%孔笼的通道关闭%水分子无法扩散!高温下通过热振动孔笼的通道被打开%水分子进#@核化学与放射化学!!第!"卷。
质子束ECR源研制
质子束ECR源研制近年来，强流ECR(Electron Cyclotron Resonance)离子源因其体积小、寿命长、束流强度高、光学特性好、性能稳定等优点，逐渐受到人们的青睐。
本文计划研制一台强流质子束ECR源，该质子源将作为氘离子源的原型，为正在研制的6.0×1012n/s强流中子发生器提供强流氘离子束，以期能够达到设计要求产生足够强度的中子束流，进一步拓宽中子发生器的实验研究范围。
本文首先对ECR离子源的基本原理、主要结构和相关性能参数进行了较为详细地介绍。
在此基础之上，重点研究了微波传输系统和引出系统的相关性质。
在微波传输系统的研究过程中，根据阻抗匹配理论，并借助CST模拟软件，得到了三段双脊波导的优化设计模型，同时根据相关文献给出了微波窗的设计模型。
在引出系统的研究过程中，借助SIMION模拟软件，得到了引出系统各电极参数对引出束流特性的影响规律，在此基础之上，给出了三电极引出系统的初步设计方案。
关键词：电子回旋共振；阻抗匹配；引出系统；束流发射度第一章绪论离子源是用来产生离子束的装置，它被广泛地应用于原子物理、核物理、粒子物理、等离子体物理以及固体表面物理等领域。
然而，传统的离子源（双等离子体离子源、潘宁离子源等）工作寿命短、不耐腐蚀、束流强度不高等缺点，给现代科学研究带来了一系列问题。
人们迫切需要一种性能更加优良的离子源。
ECR离子源因其无极、耐腐蚀、寿命长、束流强度大、气耗量小、性能稳定等优点，越来越受到人们的关注。
1.1 ECR离子源的发展与现状早在上世纪60年代末，法国的Geller 等人就已开始了一对磁镜ECR离子源的实验研究[1]。
自ECR离子源诞生以来，它的发展主要经历了3个阶段：单磁镜的单电荷态阶段；min-B磁场结构的高电荷态阶段；短脉冲高电荷态阶段[2]。
然而早期的ECR离子源电功率消耗极大，这限制了它的应用及发展。
为了解决这一问题，同时出现了两种方法，一种是比利时Louvain-la-Neuve、美国MSU 以及西德Julich和Karlsruhe等研究中心使用的超导技术；另一种是法国Grenoble、美国Berkeley和Oak Ridge等研究中心使用的永磁技术[3]。
离子源及其运行方法[发明专利]
![离子源及其运行方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/1819306f3a3567ec102de2bd960590c69ec3d8d6.png)
[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公开说明书[11]公开号CN 1353443A [43]公开日2002年6月12日[21]申请号01138429.8[21]申请号01138429.8[22]申请日2001.11.09[30]优先权[32]2000.11.09 [33]JP [31]342057/00[32]2001.03.09 [33]JP [31]66623/01[32]2001.08.30 [33]JP [31]261486/01[71]申请人日新电机株式会社地址日本京都府[72]发明人宫本直树 [74]专利代理机构中国专利代理(香港)有限公司代理人罗朋 叶恺东[51]Int.CI 7H01J 27/08H01J 37/08C23C 14/48权利要求书 4 页 说明书 18 页 附图 11 页[54]发明名称离子源及其运行方法[57]摘要在离子源中,背反射器10与等离子体产生器2和与灯丝6之间均为电绝缘。
背反射器10与反向反射器之间为电连接。
此外,直流偏置电源32是与灯丝电源24和与电弧电源26相独立的电源。
直流偏置电源32用于在反向反射器8和背反射器10与等离子体产生器之间施加偏压V B ,并且以二个反射器8和10作为负电位。
01138429.8权 利 要 求 书第1/4页1.离子源包括：向其中引入气体的用作正电位的等离子体生成器； 用于发射电子的灯丝，该灯丝被安置于所述等离子体生成器的一个侧壁并且与所述等离子体产生器之间为电绝缘；用于反射电子的反向反射器，该反射器被面朝所述灯丝地安置于所述等离子体产生器的另一侧壁并且与所述等离子体产生器之间为电绝缘；用于反射电子的背反射器，该反射器被面朝所述反向反射器地安置于所述等离子体产生器中并且位于所述灯丝与所述等离子体产生器的一个侧壁之间，所述背反射器与所述等离子体产生器和所述灯丝之间为电绝缘；用于在所述等离子体产生器中产生沿着连接所述灯丝与所述反向反射器之间轴的磁场的磁场发生器；用于加热所述灯丝以便发射电子的灯丝电源；用于在所述灯丝与所述等离子体产生器之间施加直流电弧电压的直流电弧电源，该电源以所述灯丝一侧作为负电位，该电源用于在所述灯丝与所述等离子体产生器之间产生电弧放电；以及用于在所述反向反射器和所述背反射器中的至少一个反射器与所述等离子体产生器之间施加直流偏压的直流偏置电源，该电源以所述反射器一侧作为负电位，所述偏置电源与所述灯丝电源和与所述电弧电源之间为电绝缘。
考夫曼离子源等离子体模拟与结构改进
1. 引言在科学领域，考夫曼离子源等离子体模拟与结构改进是一个备受关注的研究领域。
这一主题涉及到离子源的模拟、等离子体的研究以及结构改进的方法和技术。
本文将从模拟与研究的角度，深入探讨这一主题，为读者带来更深入的理解。
2. 考夫曼离子源的模拟让我们深入了解考夫曼离子源的模拟。
考夫曼离子源是一种常用的离子源，用于产生高纯度的离子束，广泛应用于材料研究、半导体加工等领域。
模拟考夫曼离子源的工作过程可以帮助我们更好地理解其运行原理，并为其结构改进提供参考。
在进行模拟时，我们需要考虑离子源的工作环境、离子束的特性、离子源内部的物理过程等因素。
通过建立数学模型，我们可以模拟离子源内部的电场分布、离子输运过程等。
我们还需要考虑离子源的材料选择、结构设计等因素对模拟结果的影响。
在模拟过程中，我们可以借助计算机辅助工具，如有限元分析软件，来进行数值计算和模拟仿真，以获得更准确的模拟结果。
3. 等离子体模拟接下来，让我们转向对等离子体的模拟研究。
等离子体是物质的第四态，广泛存在于自然界和人工环境中。
在太阳、恒星等天体中，等离子体扮演着重要的角色；在聚变能研究、等离子体医学应用等领域，等离子体也具有重要的应用价值。
对等离子体的模拟研究具有重要意义。
在进行等离子体模拟时，我们需要考虑等离子体的物理特性、热力学性质、运动规律等因素。
通过建立磁流体力学模型、粒子模拟模型等，我们可以模拟等离子体在外场作用下的行为和性质。
我们还需考虑等离子体的不稳定性、湍流输运等复杂现象对模拟结果的影响。
在模拟过程中，我们可以借助高性能计算评台，进行大规模并行计算，以获得更精确的模拟结果。
4. 结构改进的方法与技术在考夫曼离子源等离子体模拟的基础上，我们可以进一步探讨结构改进的方法与技术。
结构改进旨在提高离子源的性能和稳定性，从而满足不同应用场景的需求。
常见的结构改进方法包括优化设计、新材料的应用、工艺改进等。
优化设计是一种常用的结构改进方法，通过对离子源的结构参数进行优化，可以提高其性能和效率。
pendf名词解释
pendf名词解释
PENDF（Pulsed Energetic Neutral Deuterium Particles），即脉冲能量中性氘粒子，是一种在磁约束等离子体设备中使用的粒子。
通常情况下，这种粒子源是由高电压脉冲离子源产生的。
脉冲粒子源发射的离子在高电压加速下，通过中性化装置中性化后，形成高能量的中性粒子束，以产生高能中性Beam，对聚变等离子体进行燃料补充和诊断等功能。
素有“探测器眼睛”之称的PENDF能够帮助科研人员更加真实地观察到聚变等离子体的运动情况，从而为等离子体物理和聚变能研究提供重要的实验数据。
对于PENDF中的氘粒子，其相对电子质量很大，因此在再次电离后形成的离子能束不会被磁场捕获，可以直接逃离等离子体，这就为参数诊断与控制提供了可能。
同时，PENDF还具有方向性好、束流尺寸可控、射入深度大和探测范围广等特点，使其在实际应用中具有极高的价值。
通过研究PENDF的生成和运动特性，人们可以进一步地了解等离子体的各种性质，为聚变能源的最终实现铺平了道路。
同时，该技术也可以直接应用于等离子体加工等领域，提供粒子源和离子源等重要技术。