[发明专利]适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元及系统设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

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：

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；广义总截面Ψ(E)_i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η₀₁(i)

各靶室气体种类对应的负氢离子剥离截面比率η₀₁(i)分别为：