CN102117727A - 一种电子回旋共振离子源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电子回旋共振离子源，尤其是一种能直接观察离子源内放电过程的新型结构全永磁强流电子回旋共振(ECR)离子源。本发明采用了透光性高的石英玻璃来做放电室；石英玻璃造成的微波泄露可通过石英玻璃外部的带有窗口的特殊结构金属壳体来屏蔽；电子回旋需要的磁场用多个分离的永磁环来产生，环与环之间有多个空隙。这样，穿过屏蔽壳体的窗口、永磁环间空隙、透光的石英玻璃，可以从多个角度、多个位置无干扰地实时观察放电室内所发生的所有过程和等离子体的各种形态，可以无干扰地开展等离子体光谱学诊断研究工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种离子源，尤其是一种能直接观察离子源内放电过程的新型结构全永磁强流电子回旋共振(ECR)离子源。
背景技术
频率为2.45GHz的电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance，ECR)离子源具有产生离子种类多(H+/D+/O+/He+/N+)、束流强度大、稳定性好、重复性高、工作寿命长、维护简单等特点，成为国际上产生单电荷态强流离子束的首选。该类离子源系统由微波系统、放电室、磁体和引出系统等几部分构成。它的工作原理是，当在放电室内绕磁力线作回旋运动电子的回旋频率与馈入放电室的微波频率相等时，电子与微波场发生共振现象并从微波场中吸收能量，高能电子与工作气体非弹性碰撞致使气体电离产生低温高密度等离子体，等离子体中的离子被引出系统引出成束后供加速器等设备使用。
到目前为止，国际上所有的2.45GHz的ECR离子源的结构基本相同：放电室都是采用铜、铝、不锈钢等金属材料来制成的[1]。无论是采用电磁还是永磁来提供共振磁场，所有此类离子源的磁体都被做成一个圆筒结构，套装在放电室外面[1][2]。这样设计的直接结果是，整个等离子体区域被磁体和金属放电室层层包裹着，放电室内发生的现象不能被直接观察到的。目前，有关ECR离子源放电室内发生过程的研究数据是间接得到的，通常有两种手段。一是从引出束流的大小来反推；二是将朗缪尔探针或光纤插入放电室内来获取放电室内信息。采用引出束流反推法来获得放电室内等离子体特征是很不精确的，因为引出束流的大小不仅与等离子体的密度、温度等参数有关，而且严重地受制于引出系统的结构。将探针或光纤引入在放电室可以获得部分的等离子体信息，但是探头的介入给等离子体带来了扰动，破坏了放电室内原有的平衡，因此数据是不准确的。制造出一个可直接观察其中电离过程、并能无干扰地开展低温高密度等离子体研究的2.45GHz的ECR离子源，是一件非常迫切且很有意义的事。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的是研制一种既可以产生强流离子束，又可以直接从外面观察气体放电过程、具有无干扰开展等离子体诊断能力的强流2.45GHz的ECR离子源。
本发明的原理是采用了透光性高的石英玻璃来做放电室；石英玻璃造成的微波泄露可通过石英玻璃外部的带有窗口的特殊结构金属壳体来屏蔽；电子回旋需要的磁场用多个分离的永磁环来产生，环与环之间有两个宽度10毫米左右的空隙。这样，穿过屏蔽壳体的窗口、永磁环间空隙、透光的石英玻璃，可以从多个角度、多个位置无干扰地实时观察放电室内所发生的所有过程和等离子体的各种形态，可以无干扰地开展等离子体光谱学诊断研究工作。
本发明提供的技术方案如下(参图1)：
方案1：一种电子回旋共振离子源，包括微波系统1、冷却水2、微波窗3、放电室4、引出系统5、进气管6、磁体，其特征在于，所述放电室4为透明的石英玻璃制成，放电室4被固定在微波屏蔽壳体8内，所述壳体8上开有多个观察窗9。所述壳体8用于屏蔽石英玻璃造成的微波泄漏。
方案2：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述磁体由多个分离的永磁环7组成。
方案3：作为方案2的一种优选实现，其特征在于，所述永磁环7之间有2个宽度约为10毫米的空隙。通过壳体8上的观察窗9、永磁环7之间的空隙以及透明的石英玻璃，可以从多个角度、多个位置无干扰地实时观察放电室内所发生的全部过程和等离子体的各种形态，可以无干扰地开展等离子体光谱学诊断研究工作。
方案4：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述微波窗3由三片厚度为10mm的陶瓷片和一片厚度为2mm的氮化硼组成。
方案5：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述壳体8为硬铝制成。
方案6：作为方案5的一种优选实现，其特征在于，所述是壳体8为外方内圆的铝结构，其上开有多个孔，分别用于微波窗的安装、源体水冷进出水、源体进气、观察窗和束流引出等。
方案7：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述观察窗9的大小为32mm×32mm。
本发明的有益效果：
1)本发明提供了一个新型结构的强流离子源，为2.45GHz ECR离子源的放电室材料的选择和放电磁场的构成拓展了思路。
2)从离子源放电机理研究的角度，本发明的离子源为直接开展ECR离子源放电机理研究提供了理想的研究对象。借助于光谱分析设备，可以研究ECR等离子体的建立过程与分布情况，以及等离子体中各离子成分随气压、微波功率等条件的变化规律。因此本发明提出的离子源对于ECR离子源放电机理的研究是很大的创新。
3)本发明技术方案为采用非干扰方法来开展低温高密度等离子体诊断提供了研究对象。
附图说明
图1本发明涉及的2.45GHz ECR离子源的结构示意图。其中，微波系统1、冷却水2、微波窗3、放电室4、引出系统5、进气管6、永磁环7，微波屏蔽壳体8、微波屏蔽壳体上的观察窗9；
图2不同放电情况下拍摄的离子源照片：(a)：弱放电；(b)：强放电。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
图1为本发明所提供的离子源结构示意图。参照图1和本发明提供的技术方案，实现了一个既能引出强流离子束又具有无干扰地探究放电室内等离子体状态的频率为2.45GHz的ECR全永磁石英放电室离子源。整个离子源主要包括以下几个部分：BJ26微波系统1、水冷孔2、特制的陶瓷微波窗3、石英材料制成的放电室4、微波屏蔽壳体8、多个永磁环7构成的磁体、进气管6、和三电极引出系统5等。
微波系统1包括：微波功率源、磁控管及底座、环形器及水负载、三销钉调谐器、定向耦合器，隔离波导、过渡波导等几部分组成，为离子源提供微波场。本系统采用了标准的BJ26波导产品。微波窗3是特别研制的，由三片厚度为10mm的陶瓷片和一片厚度为2mm的氮化硼组成，它将微波从方形波导过渡到圆柱形的放电室4内，且使放电室4端部处于微波的波峰相位上。另外，微波窗3还可起到放电室真空密封和增强二次电子的作用。
放电室4采用透明的石英材料制成。其外径50mm，内直40mm，长42mm，是等离子体的产生区域。等离子体的种类由外界通入的气体种类来决定。进气量的大小通过针阀和质量流量计控制。电子回旋需要的轴向磁场由三个永磁环7产生。磁环外径80mm，内径54mm，轴向最大磁场感应强度为941G，中心最小场为848G。环与环之间有10mm间隙，用于观察石英腔内发生的现象。位于放电室外的微波屏蔽壳体是外方内圆的铝结构，其上开有多个各种形状的孔，分别用于微波窗的安装、源体水冷进出水、源体进气、等离子体观察(32mm×32mm)和束流引出等。源体的两个端法兰均设计了水冷。
离子束引出系统5有三电极引出，分别是等离子体极，抑制极和地电极。等离子体电极的孔径为6mm，厚度4mm，电压可以在30-50kV之间工作；抑制极和地电极的孔径均为8mm，分别加电压-2kV和0kV。各电极的倾角均为90度，加速间隙为12mm，减速间隙3mm。
该源引出60mA/50keV的H+离子流，束流的均方根发射度小于0.1pi.mm.mrad，达到同类离子源的水平。等离子体的建立和发展过程也已经被观察到，图2为本发明离子源不同放电条件下的工作照片，其中辉光部分为离子源放电室内的等离子体。
Claims (7)
1.一种电子回旋共振离子源，包括微波系统(1)，微波窗(3)，放电室(4)、磁体、引出系统(5)、冷却水(2)、进气管(6)，其特征在于，所述放电室(4)为透明的石英玻璃制成，放电室(4)安装在微波屏蔽壳体(8)内，所述壳体(8)上开有多个观察窗(9)。
2.如权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述磁体由多个分离的永磁环(7)组成。
3.如权利要求2所述的离子源，其特征在于，所述永磁环(7)之间有2个宽度为10毫米的空隙。
4.如权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述微波窗(3)由三片厚度为10mm的陶瓷片和一片厚度为2mm的氮化硼组成。
5.如权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述壳体(8)为硬铝制成。
6.如权利要求5所述的离子源，其特征在于，所述是壳体(8)为外方内圆的铝结构，其上开有多个孔。
7.如权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述观察窗(9)的大小为32mm×32mm。
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