强流离子束流聚焦状态的数值模拟-核聚变与等离子体物理.PDF

第 35 卷 第 3 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.35, No.3 2 0 1 5 年 9 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics Sep. 2015 文章编号：0254−6086(2015)03−0284−05 DOI: 10.16568/j.0254-6086.201503016 强流离子束流聚焦状态的数值模拟 张凤娟，张潮海 (哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨 150001) 摘 要：结合空间电荷透镜的原理图以及离子束流的磁流体运动方程对离子束流聚焦状态进行了理论研究。 采用层流非碰撞模型数值计算了离子束流不同初始半径以及不同入射角的束流出射角、焦距以及最小焦斑半径。 理论分析了能散度、色散像差等因素对束流最小焦斑半径的影响。在离子束流遵循能量和角动量守恒的原则下， 对不同入射角度的离子束流的束流最大半径进行了模拟计算。研究表明，束流入射角度增大，会聚角和最小焦斑 半径减小，焦距增大。束流半径增大，会聚角、焦距和最小焦斑半径都增大。最佳会聚角所在的平滑区域内束流 的发散度以及能散度对最小焦斑半径的影响较大。束流发散度或者能散度的增加，都能导致最小焦斑半径的增大。 入射角度绝对值相同的束流，束流最大半径相同。 关键词：出射角；焦距；最小焦斑半径；束流最大半径 + 中图分类号：TL61 2.11 文献标识码：A 1 引言 动产生的电磁场对聚焦影响数值，模拟出电子运动 近年来，离子束的电子聚焦方式(FIB)在引导离 轨迹[6] 。2012 年胡章虎采用自洽的粒子模拟方法进 [7] 子束流的输运研究工作受到高度重视。空间电荷透 行了低能和高能离子束在等离子体中聚焦效应 ， 镜以其不破坏束流的中和性而被科研人员广泛使 科研结果更加丰富。在考虑束流空间电荷效应、建 用[1] 。离子束流在空间电荷透镜交叉的电磁场中运 立层流无碰撞模型发射度、能散度等因素对束流轨 动受到径向聚焦电场作用从而聚焦。离子束流的聚 迹的影响基础上，对离子束流在轴对称磁镜场中聚 焦性能由透镜的聚焦特性(色散相差、球面差等)和 焦状态进行数值模拟。模拟了轴对称磁镜场中磁场 [2, 3] 强度分布；数值计算了不同初始半径、不同入射角 离子束流的特性(发射度、能散度等)共同决定 。 1985 年，Loschialpo 在马里兰大学束流传输实验基 度的离子束流的会聚角、焦距以及最小焦斑半径； 础上,对流强 mA 级、能量几 keV 即空间电荷效应 研究了离子束流的能散度和发射度对束流最小焦 很强的平流束考虑空间电荷效应和末级透镜像差 斑半径的影响；以及不同入射角度束流的束流最大 产生的非线性作用情况下的束流聚焦效果进行研 半径。 究[4] 。2005 年谢宇彤等人在束流轨迹方程基础上， 建立了非层流无碰撞模型考虑了束流空间电荷效 2 离子束聚焦理论 应、发射度、能散等诸多因素对束流轨迹的影响进 在空间电荷透镜正交电磁场的作用下，束流的 行了数值模拟计算[5] ，模拟结果与实验结果接近。 空间电荷场与束自身运动状态相互自洽，离子产生 2012 年董攀针