【doc】真空室内凹对电磁分离器离子光学特性的影响

【doc】真空室内凹对电磁分离器离子光学特性的影响 真空室内凹对电磁分离器离子光学特性的 影响 第23卷第2期 1989年3月 原子能科学技术 AtomicEnergyScienceandTechnology V01.23.N0.2 Mal".1989 真空室内凹对电磁分离器离子光学 特性的影响 茅乃丰李增海 (中国原子能科学研究院,北京) 大型同位素电磁分离器真空室在大气压力作用下会出现严重的内凹现象.本文利用数值模 拟方法,分析了内凹对磁场分布和离子柬聚焦特性的影响,指出了一条消除内凹影响的有效途 径 关键词离子光学,数值模拟,同位索电磁分离器,真空室内哪. 一 ,引言 大型同位素电磁分离器(Calutron)中离子束的高度为1O多cm,束散角近30',束流 强度达几十毫安.为了使离子束具有良好的聚焦性能,分离器采用非均匀=维磁场,用安 装在真空室上下铁盖板上的条形铁垫片成形(图1).真空室为长方体,四侧墙高几十厘米, 厂一一I —l =====…一 图l同位素电磁分离器真空室,磁垫片和离子轨迹示意图 Fig.1Schematicofthevacuumchamber,magneticshimsandion trajectoriesofa/1electromagneticisotopeseparator l一一离子濂J2——离子轨违;s——焦线与接收面;一磁垫片;5--真空室善板 而上下盏板的长与宽却达几m.分离器运行时,真空室盖板将附加受到大气压力和电磁力 的作用.由于后者比前者小得多,因此盖板将呈现严重的内凹现象.例如,我院的一台分 离器,盖板厚9cm,面积4.37×2.39m.,上下盖板之问的问距40cm,抽真空后内凹呈 不均匀分布,内凹最大处的间距减小3.5mm…显然,盖板内凹将使磁场分布发生千分之 几的畸变,并进而影响离子束聚焦.值得注意的是,真空室盖板与墙板之间采用橡皮密封, 系非刚性连接,而且随分离的同位素种类不同,磁场强度也不同.因此,真空室盖板内盟 对场分布和离子束聚焦的影响难于在设计过程中预先加以补偿. ' 本文尝试用数值模拟方法,通过建立盖扳内凹摸型,计算磁场在内四下的分布及相应 的离子运动轨迹,探求真空室盖板内凹对离子束聚焦特性影响的规律,并进而寻求一条消 除内凹影响的途径.' 二,内凹及磁场分布畸变 对电磁分离器真空室盖扳内凹的测量结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明…,内凹量沿长宽方向(和y方向,图 1)均近似呈正弦分布.侧上盖板内凹Bl起的盖扳内表面坐标的变化可表示为 A==】sin(仃3)sin(44-)(1) 其中为盖板内凹幅值,系数a,口.,口;和.s按盖板在四个边界上内凹为零加以确 定. 盖板内凹情况下磁场分布的计算I~TRIM程序完成该程序利用三角形风格自动 ?^2 一 (o)厂\r?F.0) l?/\0.016 一 . /\… : Il —\ i—r,, 1j 【)_ nll[ ?6 I.n,? "802 .2 尹"f一"一?, :一一?.045 , , 一 中一一.哺o,\ ,/m 图2中间平面上磁场分布曲线 Fig.2Median—planemagneticfielddistributions I一真空室无内凹时-(,,,O)分布曲线, II,I?,直宅室内凹一0,l0cram,.(,,0)分布曲线,分别等下0和1,425m. 分,右限差分和超松弛迭l代方法求解二维非线性静磁偏微分方程.由于内凹与长度()方 向有凳,因此内凹情况下的场不再是二维场.但是,由于内凹沿方向变化缓慢,场分布 仍可利用-二维程序,通过计算多个值不同的(,=)面上的二维场获得.现以一台分 离器作算例.这台分离器真空室盖板厚10cm,上下盖板之阔的间距35cm,盖板面积 3.65×2,17r~t.离子源出口缝,即计算时采用的坐标原点离左墙扳和前墙扳分别为0.127 和0.362m.图2给出了逸台分离器当盏板内凹为零时,中间平面(==0)上磁感应强度= 向分量B:.(,y,0)的归一化分布的:均匀部分(I)为 6:0(,y,0)一0(,,0)/占0(0,o,O)】, 其中,17.和为场的归.一他点的坐标.图中同时给出了当内凹幅值口=0.10cm时中间平 面上磁感应强度B;(.y,0)的归一化分布的非均匀部分 b:(,Y,0)=B:(,Y,O)/B:(XO,Yo,0)一1 与b:.(,Y,0)的偏差(II,.III) Ab:(,Y,0)==b:(,Y,0)一bo(,Y,0), 其中X一0和1,425m.由图可见,最大偏差超过3x10,. 三,内凹对离子光学特性的影响 离子束聚焦特性在真空室内凹时的变化可以通过求解离子在畸变了的磁场B(,Y,2 中的运动微分方程 .. m 鲁一?鲁×一B(2》一百 得到,式中m为离子质量,e是离子电荷,c是光速,一i—YJ+=是离子轨迹的坐 标矢量,f是时间,百(,Y,)一B(,Y,)+B,(,Y,)J+B(,Y,2)k.为 了便于讨论,将某一种离子的质量mo和它在磁感应强度为Bo的均匀磁场中的轨道半径 0--c(2mDV./e),/B.分别作为质量和长度单位,其,9vo是离子受到的加速电压.此外 再引入=teBo/moc,则方程(2)即化为无量纲形式 d2xBidyBdz .i一一- m= 去,鲁軎., d.B,dxBdy .m, 式中,C一lm/lmo称为同位素质量比.通常C在0.951.05范围内变化,C=1的离' 子束称为中心束,C?1的称为旁束 运动方程的求解采用四阶龙格一库塔数值积分方法.积分中,磁感应强度占(,Y,> 借助于级数展开,用中间平面上B(,Y,0)的拟合双三次样条 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数 4 B:(,Y,0)一?口(—.)(y--y,)(4) ^.】 ,??X…,Y,?Y?Y+1 ,i=1,2.-一,一1;=1,2,…, 的系数来表示.于是利用(3)式就不难得到在不周场分布下具有给定初始条件(坐标o Y0,=o,速度方向与(Y,)平面和(,)平面的夹角口0和D)的离子轨迹.图3给出了内 凹为零时上述算例磁场中,0一YD一D---0—0,sinaq=一0.25(0.05)0.25的中心束(G = 1)在焦点附近的束形显然,由该束形图,不难确定离子束的象宽(d)和焦点位置 <,,Y,). 图4绘出了算例磁场中,不周质量比e的离子柬的象宽,包括真空室内凹为零及内 凹分别取为口=0.05,0.10和0.15cm时四种不同场分布下的结果.图5则给出了四种 ,m 圈3真空室无内凹时中心柬束形 Fig.3Centralbeampatternforthevacuumchambvrwithoutinward — concavity C一1.00;d一0.27cI【l},2.8506m},=一0.i3i6m. C_m/mo 图4象宽d随质量比的变化 Fig.4Varlationoftheirnag~widthsasafunctionofmassratioCt 曲线I—IV分别与真空童盖板内凹幅值三O,0.05,O.ID,0.15cm相对应. 不同场分布下由离子束焦点连接成的焦线.由图4可见,当内凹幅值从零增大到0.15~ln 时,质量比在0.95—1.05范围内的离子束最大象宽从0.39增大到0.66cm,几乎增加了 一 倍显然,内凹对分离器离子光学特性的影响是严重的... 四,消除内凹影响的途径 分析象宽d随质量比c的变化曲线(图4)可见,随着内凹量的增大,质量比大的离 子束的象宽增大,而质量比小的离子束的象宽却减小如果无内凹时质量比a在0.95— 1.05范围的离子束的象宽不大干某一值d…,则当出现内凹时仍然存在着一个变化选 10的质量比范围,在这个范围内的离子束的象宽不超过….但这个范围的中心C?不 再是1,而要略小一些.如图4算侧中,当口-=0.10cm时,这个质量范围在C=0.93— 1.03,中心C0=0.98.由此不难引出一条消除内凹对离子束象宽影响的途径,它要求: 1.适当提高磁感应强度考虑到不同质量比的离子束在离子源中获得相同的加速 /如 图5焦线与接收面形状 Fig.5Focusinglinesandreceivingsurfaces 曲线I—Iv分别与真空室盏扳内衄幅值l=O,0.05,0.10,O.15cm相对应{虚线为曲线1盼 切线1点?为调整后中心束盼簏点. 能量,则由方程(2)不难看出,如果把磁感应强度提高到原来的1/Co倍,则质量比 C:1的离子束将按原来C一C0的离子束的运动规律来运动,因而具有与其相同的聚 焦特性,而C=0.95—1.O5的离子束也将具有原来C:0.95C0至1.05C0的离子束所 具有的聚焦特性. 2.适当调整接收蓦位置由图5可见,随着内凹的出现及增大,离子束焦线向左呈 整体移动.而伴随适当提高磁感应强度以消除内凹对象宽的影响,C=1中心束焦点的位 置又移到原来质量比为O.的旁束焦点的位置上.因此,须调整接收器位置,使其表面 与相应内凹下的焦线重台,井把中心移到原来C旁束焦点的位置上,如图5所示. 五,结束语 真空室盖板内凹对离子束聚焦特性影响的数值模拟结果表明,适当提高磁感应强度静 调整接收器位置,能蝣消除内凹对离子束象宽的影响.由于内凹难以在设计过程中预先竹 算,而且在设备实际运行中又不断变化,因此上述消除内凹影响的途径是十分有效 的.这 一 有效性在分离器离子光学系统调整中已经得到了验证…. 参考文献 (1]茅乃丰辱,_f能科学拄米,】0(4),3l8(1976j [2jWinslow,AM,口Phy8.1.349(1966) 【3]茅乃丰.李增海,塑旆鞋墙舟有的双三扭样条荫敦表谨,高能物理与诖嘞理,待 袅. 置_ (缩辑部收到日期:1988年1月21日) 基\ EFFECT0FVACUUMCHAMBERlNWARD— C0NCAVITY0N10NoPTICALCHARAC— TERISTICS0FELECTR0MAGNETIC IS0T0PESEpARAT0RS MAoNAIFENGLIZENGHAI (,sfi细o,AtomicEnergy,P0一丑o275,Bei,i孽) ABSTRCT Thevacuumchambersoflarge—scaleelectromagneticisotopeseparators(Calu- trons)areofseriousinwardconcavityundertheatmosphericpressure.Thenume- ricalsimulationmethodisusedtoanalysetheeffectofinward?-concavityonthe magneticfielddistributionandionbeamfocussingcharacteristics.Itispointed outthatstrengtheningthemagneticinductionandadjustingthepositionofrecei- veradequatelyforaconstructedapparatuscaneliminatetheeffectofinward- concavityOntheimagewidthsofbeams.Thisideaisverifiedthroughadjustment ofanelectromagneticisotopeseparator. KeywordsIonoptics,Numericalsimulation,Electromagneticisotope,~epa- rator,Vacuumchamberinward-coacavity.