适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元及系统设计方法技术方案

本发明专利技术属于粒子束中性化气体靶单元及配套真空差分系统设计方法，为解决需在加速器系统上获得中性粒子束时，能实现最大中性化效率的气体靶单元计算方法及经验公式不足，现有的真空差分系统设计繁琐的问题，提供一种适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元及系统设计方法，中性化气体靶单元设计方法能够快速给出在采用几种常用气体时的气体靶质量厚度、平均压强、平均长度和气体靶内径等关键参数，并依据上述参数，结合加速器实际，快速构建出一组适宜的配套真空差分系统核心元件，根据中性化气体靶单元与加速器束线真空压差等级，确定差分等级、第n级差分比、第n级差分管流导、第n级差分管内径及长度，完成气体中性化系统的初步设计。计。计。

【技术实现步骤摘要】
适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元及系统设计方法


[0001]本专利技术属于粒子束的中性化气体靶单元及系统设计方法，具体涉及一种适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元及系统设计方法。

技术介绍

[0002]中性氢原子束不带电，在适宜真空条件下可避免受到磁场环境影响而实现远距离传输，具有带电粒子束不可比拟的优势；此外，基于加速器获得的中性原子束可为开展原子能级研究提供良好的平台，从而在相关基础研究方面发挥重要作用。中性束的产生通常需驱使负离子束穿过一定的固体或气体介质，通过与靶物质发生电荷交换作用，发生电离解析从而实现电荷态的转换。负氢离子核外俘获电子的束缚能为0.754eV，基态电子束缚能为13.6eV，当靶介质质量厚度足够大时，俘获电子和基态电子均会丢失，往往可以实现不低于95％的全剥离效率。然而如何控制靶室介质参数，使得负氢离子仅丢失一个电子，并尽量降低氢原子的进一步电离，是最大程度实现中性化的关键所在。为实现最大中性化效率，需对气体靶室的参数，进行精确的控制，在这个方面，前期相关理论研究和可参考试验结论较少，不足以直接指导中性化靶室的设计；此外气体靶的引入会给加速器真空系统带来额外的气载，所以必须同步引入一套差分真空系统，实现中性化气体靶室与加速器真空系统的匹配，而真空设计过程往往繁琐耗时，研究者需投入大量精力才能建立一套基本模型，还需结合加速器实际进行反复迭代，时间和人力成本较高，亟需一套操作性强的方法，简化初步设计步骤，为最终的实际工程设计提供备选方案，降低整体设计的复杂度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的主要目的是解决目前需要进行适用于负氢束的气体中性化系统设计时，缺乏可参考经验公式和结论，不足以指导能实现最大中性化效率的中性化靶单元的初步设计，且中性化气体靶单元进行实际应用时，为解决与加速器真空系统的匹配问题，必须建设一套配套的真空差分系统，但真空差分系统设计繁琐、需投入的人力和时间成本较高的技术问题，提供适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元及配套真空系统的初步设计方法。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0006]S1，确定负氢离子剥离总截面σ
t
[0007]根据下式计算负氢离子剥离总截面σ
t
[0008][0009]其中，i表示靶室气体种类；E为氢离子能量；β(E)为对应氢离子的相对论速度；ε0为氢原子静止能量，ε0＝938.27MeV；广义总截面Ψ(E)
i
取值为：
[0010][0011][0012][0013][0014][0015]其中，表示靶室气体为氢气对应的广义总截面；表示靶室气体为氦气对应的广义总截面；表示靶室气体为氮气对应的广义总截面；表示靶室气体为氧气对应的广义总截面；表示靶室气体为氩气对应的广义总截面；
[0016]S2，确定负氢离子剥离截面比率η
01
(i)
[0017]各靶室气体种类对应的负氢离子剥离截面比率η
01
(i)分别为：
[0018]η
01
(H2)＝0.295；η
01
(He)＝0.345；η
01
(N2)＝0.380；η
01
(O2)＝0.381；η
01
(Ar)＝0.413；
[0019]S3，计算中性化气体靶质量厚度χ
[0020]根据下式计算得到中性化气体靶质量厚度χ
[0021][0022]S4，确定中性化气体靶单元的平均压强P0和平均长度L0[0023]设定平均压强P0和平均长度L0中的任一数值，带入下式计算另一数值：
[0024]L0P0＝χRT/N
A
[0025]其中，R为理想气体常数，T为气体温度，量纲为K，N
A
为阿佛加德罗常数；
[0026]S5，确定中性化气体靶内径D
[0027]气体靶内径D＝r
beam
+2mm；其中，r
beam
为束斑内径；
[0028]S6，根据步骤S3得到的气体靶质量厚度χ、步骤S4确定的平均压强P0和平均长度L0、
步骤S5确定的气体靶内径D，即可确定中性化气体靶单元的关键几何尺寸和内部真空度。
[0029]进一步地，步骤S4中，所述设定平均压强P0和平均长度L0中的任一数值具体为设定平均压强P0。
[0030]进一步地，所述平均压强P0的取值为0.1-10Pa。
[0031]适用于负氢粒子束的中性化系统设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0032]S1，设计中性化气体靶单元
[0033]采用如上所述中性化气体靶单元设计方法，设计得到相应的中性化气体靶单元；
[0034]S2，确定中性化气体靶单元与束线真空度间压差等级M
[0035]根据束线真空压强P
acc
和气体靶单元的平均压强P0得到压差等级M；
[0036]S3，确定真空差分等级N和第n级差分比λ
n
[0037]根据步骤S2得到的压差等级M，选择真空差分等级N，确定差分管数量，其中差分管数量与真空差分等级N相等；根据第n级差分管后级气压P
n
与前级气压P
n-1
相差的量级，确定第n级差分比λ
n
；其中，n为差分管级数；
[0038]S4，确定第n级差分管流导C
n
[0039]根据第n级差分比λ
n
确认第n级差分管流导C
n
；
[0040]S5，确定差分管内径d
n
和差分管长度L
n
[0041]根据步骤S4得到的第n级差分管流导C
n
，利用真空管道流导计算方法，结合加速器束斑及空间布局，确定差分管内径d
n
和差分管长度L
n
；
[0042]S6，根据步骤S1至步骤S5得到的各参数，设计得到对应的气体中性化系统。
[0043]进一步地，步骤S2具体为，
[0044]根据下式计算得到中性化气体靶单元与束线真空压强间压差等级M：
[0045][0046]进一步地，步骤S3中，
[0047]所述根据步骤S2得到的压差等级M确认真空差分等级N，具体为，
[0048]M＝2时，N＝1
[0049]M＝3时，N＝2
[0050]M＝4时，N＝2或N＝3
[0051]M＝5时，N＝2或N＝3或N＝4
[0052]M＝6时，N＝2或N＝3或N＝4或N＝5。
[0053]所述根据第n级差分管后级气压P
n
与前级气压P
n-1
相差的量级具体为，第n级差分管后级气压P
n
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，确定负氢离子剥离总截面σ
t
根据下式计算负氢离子剥离总截面σ
t
其中，i表示靶室气体种类；E为氢离子能量；β(E)为对应氢离子的相对论速度；ε0为氢原子静止能量，ε0＝938.27MeV；Ψ(E)
i
为广义总截面，Ψ(E)
i
取值为：取值为：取值为：取值为：取值为：其中，表示靶室气体为氢气对应的广义总截面；表示靶室气体为氦气对应的广义总截面；表示靶室气体为氮气对应的广义总截面；表示靶室气体为氧气对应的广义总截面；表示靶室气体为氩气对应的广义总截面；S2，确定负氢离子剥离截面比率η
01
(i)各靶室气体种类对应的负氢离子剥离截面比率η
01
(i)分别为：η
01
(H2)＝0.295；η
01
(He)＝0.345；η
01
(N2)＝0.380；η
01
(O2)＝0.381；η
01
(Ar)＝0.413；S3，计算中性化气体靶质量厚度χ根据下式计算得到中性化气体靶质量厚度χ
S4，确定中性化气体靶单元的平均压强P0和平均长度L0设定平均压强P0和平均长度L0中的任一数值，带入下式计算另一数值：L0P0＝χRT/N
A
其中，R为理想气体常数，T为气体温度，量纲为K，N
A
为阿佛加德罗常数；S5，确定中性化气体靶内径D气体靶内径D＝r
beam
+2mm；其中，r
beam
为束斑内径；S6，根据步骤S4得到的中性化气体靶质量厚度χ、步骤S4确定的平均压强P0和平均长度L0、步骤S5确定的气体靶内径D，进行加工制作，即可得到相应的气体靶单元。2.如权利要求1所述适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元设计方法，其特征在于：步骤S4中，所述设定平均压强P0和平均长度L0中的任一数值具体为设定平均压强P0。3.如权利要求2所述适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元设计方法，其特征在于：所述平均压强P0的取值为0.1-10Pa。4.适用于负氢粒子束的中性化系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，设计中性化气体靶单元采用权利要求1至3任一所述中性化气体靶单元设计方法，设计得到相应的气体靶单元，即一个内部气体为i，压强为P0，长度为L0，内径为D的空心圆柱体；S2，确定中性化气体靶单元与束线真空压强间压差等级M根据束线真空压强P
acc
和中性化气体靶单元的平均压强P0得到压差等级M；S3，确定真空差分等级N和第n级差分比λ
n
根据步骤S2得到的压差等级M，选择真空差分等级N，确定差分管数量，其中差分管数量与真空差分等级N相等；根据第n级差分管后级气压P
n
与前级气压P
n-1
相差的量级，确定第n级差分比λ
n
；其中，n为差分管级数；S4，确定第n级差分管流导C
n
根据第n级差分比λ
n
确认第n级差分管流导C
n
；S5，确定差分管内径d
n
和差分管长度L
n
根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫逸花，王忠明，王迪，王茂成，刘卧龙，王敏文，杨业，吕伟，陈伟，
申请(专利权)人：西北核技术研究院，
类型：发明
国别省市：