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[转载]LETTER〡重大突破：自主研制全永磁微波源成功输出22mA、比例70%直流H₂⁺束流

已有 92 次阅读 2025-8-29 14:59 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

以下文章来源于核物理与核技术全国重点实验室，作者SKLNPT

文章简介

New progress on DC H₂⁺ beam generation: Tens of mA output and 70% fraction from a 2.45 GHz microwave driven ion source

Bujian Cui(崔步坚), Shixiang Peng(彭士香), Jianbin Zhu(朱建斌), Yicheng Dong(董宜承), Zhiyu Guo(郭之虞), and Jiaer Chen(陈佳洱)

Chin. Phys. B, 2025, 34 (8): 085203

DOI: 10.1088/1674-1056/adf1ec

原文链接

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研究亮点

本文作者利用自主研制的全永磁2.45 GHz微波驱动离子源成功实现22 mA直流H₂⁺束流输出，离子比例达70%，束流归一化RMS发射度0.12 π·mm·mrad，各项指标均刷新全球纪录，为前沿科研与重大应用提供了关键支撑。

本文作为CPB新近推出的"Letters" 栏目第一篇发文，7月14日收稿，7月17日审回返修，7月18日修回，7月19日采用并网上预出版，7月26日网上正式出版。

研究背景

H₂⁺离子束在粒子加速器、重离子治癌装置、核聚变材料测试、原子物理和天体物理等前沿领域具有不可替代的作用，性能优异的H₂⁺离子源在全球范围内都有很大需求。比如，在粒子物理领域，DAEδALUS项目中微子实验需25 mA级H₂⁺束流检验惰性中微子假说，其前期项目 IsoDAR依赖高流强H₂⁺离子源驱动60 MeV 质子束产生反中微子；在医学领域，日本HIMAC与意大利TERA医用加速器通过复用H₂⁺束(与C⁶⁺具有相同荷质比)，显著降低设备调试成本，同时规避放射性氘离子带来的活化风险；在材料科学中，H₂⁺与He⁺、Fe⁺的混合束流被用于模拟核聚变装置中材料的辐照损伤，为ITER等项目提供关键数据支持。

图1 H₂⁺离子束流的应用领域。

长期以来，国际上H₂⁺离子源的研发面临”高流强与高束流品质难以兼得”的瓶颈。德国Goethe大学体积型离子源依赖热灯丝维持放电，研究人员通过优化放电腔设计实现95%的H₂⁺比例，但束流流强不足3 mA。俄罗斯科学院西伯利亚分院的空心阴极源输出总氢离子束流25 mA，其中 H₂⁺仅占比20%。而美国麻省理工学院（MIT）的IsoDAR项目需要25 mA的H₂⁺束流（80%比例）。为此，意大利INFN实验室研制了一款名为VIS的ECR离子源，但实际输出仅12.2 mA，H₂⁺比例 45%，且发射度为0.4 π·mm·mrad，所有核心参数均未达到IsoDAR项目指标。因此，MIT不得不为IsoDAR项目开始了新的研究，研制的MIST 系列离子源采用灯丝驱动多尖峰结构。其初代MIST-1在 2021年实现1.3 mA直流H₂⁺束流，离子比例62%；升级版的MIST-2已经将总电流提升至7 mA，H₂⁺比例为60%左右。

面对这一困扰国际学界多年的难题，北京大学彭士香教授团队自2013年起致力于微波驱动氢分子离子源研究。团队早期在脉冲模式下取得突破，通过优化微波耦合结构，实现大于40 mA 脉冲H₂⁺束流，其成果目前仍处于国际领先水平。团队创新提出"三相图理论"，首次阐明H⁺/H₂⁺/H₃⁺离子组分随运行参数的变化规律，为精准调控离子比例奠定理论基础。在此基础上，团队进一步引入“表面波起振-电子回旋共振加热”的协同机制，揭示了微型腔体中等离子体“从0到1”的起振机理。

图2 (a)三相图: 不同工作参数下的离子分数优势区间；(b)混合加热放电(HDH)机理。

内容简介

本文作者彭士香教授团队基于上述理论突破，成功研发出全永磁2.45 GHz微波驱动离子源（MMDIS）。该离子源采用混合放电机制：表面波点火，电子回旋共振维持，配合低气压环境，有效抑制 H₂⁺离子损耗。在仅150 W微波功率下，实现了22 mA直流 H₂⁺束流输出，其中H₂⁺离子比例70%，混合束发射度0.12 π·mm·mrad，各束流参数均显著优于国际同类型装置，处于全世界最优水平。