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引言1

第一章 离子在电磁场中的运动5

1.1 恒定电磁场5

1.2 离子的运动方程和轨迹方程10

1.3 离子束和它的空间电荷场17

1.3.1 离子之间的电磁相互作用 空间电荷场18

1.3.2 轴对称离子束、带形离子束和椭圆截面离子束21

1.4 轴对称场23

1.4.1 轴对称电场23

1.4.2 轴对称磁场26

1.5 平面分布场33

1.5.1 一般的平面分布场33

1.5.2 对称的平面分布场34

1.6 多极场36

1.6.1 具有中央对称平面的磁场分解为多极场37

1.6.2 磁四极透镜的多极场41

1.6.3 偏转磁铁的多极场44

参考文献49

第二章 空间电荷效应50

2.1 描述离子束的参量50

2.2 比例关系54

2.3 横向空间电荷效应 强流离子束的发散57

2.3.1 轴对称离子束的发散57

2.3.2 带形离子束的发散62

2.4 纵向空间电荷效应66

2.5 离子发射的3/2次方定律69

2.5.1 平面二极管公式70

2.5.2 球面二极管公式72

2.5.3 讨论73

2.6 Pierce加速电极系统75

2.6.1 带形离子束的Pierce加速电极系统75

2.6.2 圆柱形离子束的Pierce加速电极系统80

2.6.3 圆锥形离子束的Pierce加速电极系统86

2.7 强流离子束通过电极孔88

2.8 离子源的引出系统90

2.8.1 单隙引出系统91

2.8.2 双隙引出系统91

2.9 轴向均匀磁场中的强流离子束99

2.10 离子的热运动107

2.10.1 离子的热运动速度分布107

2.10.2 离子热运动对离子发射的影响109

2.10.3 离子热运动对离子束聚焦的影响114

2.10.4 平衡的圆柱形离子束中的离子密度分布115

2.11 强流离子束的空间电荷中和117

参考文献123

第三章 电磁场和离子轨迹的计算128

3.1 电场的计算(1)128

3.1.1 轴对称电场的差分公式129

3.1.2 平面分布电场的差分公式133

3.1.3 边界条件的处理135

3.1.4 超松弛迭代法136

3.1.5 直接法138

3.1.6 电位和电场强度的插值140

3.2 离子轨迹的计算(1)141

3.2.1 离子运动方程的解法142

3.2.2 空间电荷密度的计算145

3.2.3 发射面形状与位置的确定148

3.2.4 考虑离子热运动时离子轨迹的计算149

3.2.5 离子束的包络线及其它151

3.3 电场的计算(2)153

3.3.1 根据离子束横截面上束流密度分布计算横向空间电荷场153

3.3.2 根据近似的空间电荷密度分布进行电场计算157

3.4 离子轨迹的计算(2)160

3.5.1 计算磁场的微分方程法164

3.5 磁场的计算164

3.5.2 计算磁场的积分方程法168

参考文献169

第四章 离子束运动的相空间理论172

4.1 Liouville定理172

4.2 离子束的发射度和离子光学系统的接受度176

4.3 离子在相空间的分布180

4.3.1 椭圆的解析几何学180

4.3.2 Капчинский-Владнмирсий分布、超椭球内均匀分布和Gauss分布183

4.3.3 离子温度与发射度的关系187

4.4 强流离子束的包络方程189

4.4.1 线性力与非线性力189

4.4.2 Капчинский-Владнмирсий程194

4.4.3 轴对称情况下的傍轴包络方程196

4.4.4 方均根形式的包络方程197

4.4.5 包络方程的解法Капчинский-Владнмирсий方程的幂级数解200

4.5.1 离子运动方程的矩阵形式202

4.5 矩阵理论202

4.5.2 常用的离子光学元素的一阶传输矩阵205

4.5.3 矩阵理论在强流离子光学中的应用211

4.6 离子束发射度图形在运动过程中的变化 腰-腰传输公式213

4.6.1 发射度图形的矩阵表示213

4.6.2 几个例子216

4.6.3 腰-腰传输公式219

4.7 周期场聚焦221

4.7.1 周期场聚焦的矩阵理论221

4.7.2 几种周期场聚焦系统的一阶传输矩阵224

4.7.3 空间电荷效应对周期场聚焦的影响227

4.8 传输系统的极限束流230

参考文献235

第五章 非线性问题238

5.1 带形离子束的非线性空间电荷效应239

5.2 轴对称离子束的非线性空间电荷效应245

5.3 椭圆截面离子束的非线性空间电荷效应249

5.4 非线性空间电荷效应的矩阵理论251

5.5 离子束的散射256

参考文献257

第六章 强流离子源引出系统的进一步研究258

6.1 一维等离子体-离子鞘方程258

6.2 离子源的引出系统中离子轨迹的计算266

6.3 单隙和双隙引出系统的进一步研究271

6.4 强流离子源引出系统设计中的一些问题275

参考文献282

第七章 空间电荷中和的强流离子束286

7.1 自中和离子束286

7.2 自中和离子束中的电位分布287

7.3 自中和正离子束的发散294

7.4 空间电荷透镜297

7.5 由正离子和负离子或电子组成的合成束302

参考文献308

附录A 椭圆截面离子束的空间电荷场310

附录B 离子在具有中央对称平面的磁场中的运动315

附录C 几种离子组成的离子束的折合束流319

附录D 两个无限长的同轴圆柱面之间的离子发射320

附录E 包含函数g(x)=(λ/π)1/2exp(-λx2)的积分322

附录F 计算电磁场时采用的网格323

附录G 二阶常微分方程的数值解法328

附录H 利用随机选取方法确定离子轨迹计算的初始条件331

附录I 离子束的方均根发射度333

附录J 流体力学方法335

附录K 优选法在强流离子光学系统设计中的应用345

附录L 等离子体模拟348

附录M 脉冲强流离子束351

附录N 数表354