CN102933020B - 一种改进的回旋加速器离子源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进的回旋加速器离子源系统，由离子源顶盖、灯丝、离子源腔体、磁过滤器、吸极装置及吸极补偿装置构成，离子源顶盖设置在离子源腔体的顶部，顶盖下方设置两排永久磁铁，灯丝设在离子源腔体内，连接在离子源顶盖的下方，磁过滤器设在离子源腔体下方，吸极装置有两个，设在离子源腔体的底部，吸极补偿装置设在离子源腔体的束流路径上。与现有技术相比，本发明正好调整了变化了的束流偏移，从而恢复了加速器最重要性能，用户需求得到满足，流强单边可达350uA，经过长期工作，性能可靠。

Description

一种改进的回旋加速器离子源系统

技术领域

本发明涉及一种离子源，尤其是涉及一种改进的回旋加速器离子源系统。

背景技术

离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。气体放电、电子束对气体原子(或分子)的碰撞，带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离过程都能产生离子，并被引出成束。根据不同的使用条件和用途，目前已研制出多种类型的离子源。

Cyclone 30回旋加速器离子源是多磁极会切场离子源，有较大流强2mA和较小发射度6mm.mrad。

在外部MULTICUSP源的氢分子与加热灯丝产生的带一定能量热电子相碰撞产生热激发，就形成了负离子，并且被引向带正偏压的离子源腔体(阳极)

借助于环绕离子源腔体的四根一组的10极永久磁铁所形成的磁场来约束等离子体。并且由顶部的两条永久磁铁和底部的一组磁过滤器来封闭磁瓶。

来自阴极的(灯丝)的被加速热电离电子抛向阳极(离子源腔体)使氢分子H2激发和电离，这些被激发的分子和低能电子一起通过磁过滤器从热等离子体区域向引出区域移动，而高能电子却被磁过滤器退回。这样就在引出区域增加了电离附着，并因此增加了H-离子的浓度。通过引出孔的负离子和电子被带3-4KV偏压的吸极所吸引。这个电极离开离子源的引出孔大约1mm，在吸极里面装了一组很小的永久磁铁用来作为电子阱，电子磁刚度远远小于负离子H-的磁刚度(负离子H-的质量大约等于电子质量的2000倍)电子被偏转到吸极上而负离子H-继续向前加速。

离子源有以下主要部件组成：

1、离子源电弧腔(等离子体放电室壁)

离子腔的电弧腔是一只直径为100mm，高度150mm的圆柱体，环绕圆柱体外壁装有四根一组的10极的永久磁铁。对着电弧腔的磁极头的极性是交替安排的。这样就产生了一个会聚形的磁场，所形成的磁场梯度是中心为0高斯到弧腔壁3高斯。

2、顶盖

弧腔的顶部是离子源灯丝顶盖，上面装有二排永久磁铁

3、磁过滤器

在离子源底部的磁过滤器由一排冷却水管和二组安装在两边的永久磁铁6块组成，与腔体，顶盖形成了封闭的磁瓶。

4、吸极装置

这套标准单元被安装在一个平台上，这个平台上供电，气，水的连接。离子源借助于称为“派勒克斯环”的玻璃环和地绝缘，并提供真空密封。

5、吸极补偿装置

为了补偿由于吸极磁铁所引起的对束流的轻微的偏移，在离子源真空室的束流路径上设置了两块永久磁铁。它所产生的磁场方向和吸极的磁场方向是相反的。补偿磁铁的磁场强度是可调的，只要改变两块磁极之间的距离就可以了。这就有可能进行束流和注入线轴之间的重新对中。

从离子源获得的离子束的能量一般从几百电子伏到几万电子伏。因为用高引出电压方式获得较高能量的离子束受到击穿的限制，所以必须使离子在电场和磁场中加速，这类装置叫做加速器。使用各种加速器可以使离子获得很高的能量，也可以使离子减速，以获得能量较低的但流强很高的离子束。

在加速器与离子源之间的管线称为轴向注入线。在离子源中产生的离子束沿轴向注入线被加速进入静电偏转器的入口。

为了从离子源到偏转板输运最大的束流，除了保证系统的高真空，沿着轴向注入线安装了一些束流诊断装置。

轴向注入线总长1.65米。包括：X，Y导向磁铁、静电透镜、螺旋管透镜、注入法拉第杯、粒子聚束器、静电偏转器。

Cyclone 30回旋加速器把注入能量从30千电子伏特加速到30兆电子伏特，流强单边理论可达400uA。

在实际应用中，经过一段时间使用后，离子源出口的流强与注入加速器的流强比例过低，达不到设计数值，这妨碍了加速器的正常使用，制约了生产的发展。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能增加通过的离子强度，性能可靠的改进的回旋加速器离子源系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种改进的回旋加速器离子源系统，其特征在于，该离子源系统由离子源顶盖、灯丝、离子源腔体、磁过滤器、吸极装置及吸极补偿装置构成，所述的离子源顶盖设置在离子源腔体的顶部，顶盖下方设置两排永久磁铁，所述的灯丝设在离子源腔体内，连接在离子源顶盖的下方，所述的磁过滤器设在离子源腔体下方，所述的吸极装置有两个，设在离子源腔体的底部，所述的吸极补偿装置设在离子源腔体的束流路径上。

所述的离子源腔体为圆筒状结构，内部为高真空状态，环绕离子源腔体的外侧设有4根一组的10级永久磁铁，与离子源腔体对应的磁极头的极性呈交替设置。

所述的磁过滤器由循环冷却水管及4块永久磁铁构成，所述的循环冷却水管一端为进水口，另一端为出水口，循环冷却水管呈四排管道设置，所述的永久磁铁分别设置在循环冷却水管形成的管道的四个端点处。

所述的吸极补偿装置内设有两块永久磁铁，该永久磁铁的磁极与吸极装置内设置的永久磁铁的磁极的设置方向相反，产生与吸极装置的磁场方向相反的磁场，补偿吸极装置内的磁铁引起的对束流的轻微偏移。

与现有技术相比，本发明经过反复计算，长期实践摸索，发现出现问题的根本原因是安装加速器的地面地基有很微小的倾斜，造成轴向注入线变化，在无法改变事实的情况下，重新设计了离子源和注入系统，经过多次计算、实践，找到了最有效、最经济、最便捷的设计思路，发现减少磁过滤器的数目，并改进吸极补偿装置，与原有其它装置配合，基本可以恢复原有参数。磁过滤器作用是偏转无用的粒子，吸极补偿装置的作用是补偿束流的偏移。减少磁过滤器磁铁数目后，能增加通过的离子强度；改进后的吸极补偿装置正好调整了变化了的束流偏移，从而恢复了加速器最重要性能，用户需求得到满足，流强单边可达350uA，经过长期工作，性能可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为磁过滤器的结构示意图；

图3为吸极补偿装置的结构示意图。

图中1为离子源顶盖、2为灯丝、3为离子源腔体、4为磁过滤器、41为循环冷却水管、42为永久磁铁、5为吸极装置、6为吸极补偿装置、61为束流轴、62为永久磁铁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种改进的回旋加速器离子源系统，其结构如图1所示，该离子源系统由离子源顶盖1、灯丝2、离子源腔体3、磁过滤器4、吸极装置5及吸极补偿装置6构成，离子源顶盖1设置在离子源腔体2的顶部，顶盖下方设置两排永久磁铁，灯丝2设在离子源腔体3内，连接在离子源顶盖1的下方，离子源腔体3为圆筒状结构，内部为高真空状态，环绕离子源腔体3的外侧设有4根一组的10级永久磁铁，与离子源腔体3对应的磁极头的极性呈交替设置，这样就产生了一个会聚形的磁场，所形成的磁场梯度是中心为0高斯到弧腔壁3高斯。磁过滤器4设在离子源腔体3下方，吸极装置5有两个，设在离子源腔体3的底部，吸极补偿装置6设在离子源腔体3的束流轴61路径上。

磁过滤器4的结构如图2所示，由循环冷却水管41及4块永久磁铁42构成，循环冷却水管41一端为进水口，另一端为出水口，循环冷却水管41呈四排管道设置，永久磁铁42分别设置在循环冷却水管41形成的管道的四个端点处。磁过滤器4与离子源腔体3及离子源顶盖1形成了封闭的磁瓶。

吸极补偿装置6的结构如图3所示，吸极补偿装置6设置在离子源腔体3的束流轴61路径上，内部设有两块永久磁铁62，产生与吸极装置的磁场方向相反的磁场，补偿吸极装置5内的磁铁引起的对束流的轻微偏移。

利用本发明进行离子源弧流与束流进行对照，结果如下表所示。

表1现有离子源的离子源弧流与束流对照表

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													Sc(A)	2	3	4	5	6	7	8	8.5	9	10	10.5	11
Far(uA)	42	86	156	281	442	529.5	774	981	1057	1200	1264	1340
													Str(uA)	1.7	2.6	5.5	16.6	41.2	80	105.8	113.8	116.7	124.4	122.5	121.5
S/F	4.05％	3.02％	3.53％	5.69％	9.32％	15.10％	13.56％	11.60％	11.04％	10.37％	9.69％	9.07％

表2本发明离子源的离子源弧流与束流对照表

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													Sc(A)	2	3	4	5	6	7	8	8.5	9	10	10.5	11
Far(uA)	51	118	220	387	648	920	1121	1229.8	1334	1518	1600	1661
													Str(uA)	1.7	3.6	8.4	20	54.2	100.8	124.4	131.6	131.2	131	126.8	122.5
S/F	3.33％	3.05％	3.82％	5.17％	8.36％	10.96％	11.06％	10.71％	9.84％	8.63％	7.93％	7.38％

可以看到，在本发明中Sc/Far比例得到很大提高。再对磁铁数和位置进行调整，并改变吸极补偿装置，改善Sc/Str比例，最终得到理想的束流。举例说明：Sc＝4A时，Str＝80uA，远超上述数据。

注：Sc：离子源弧流

Far：离子源注入法拉第束流

Str：加速器剥离膜束流

Claims (2)

1.一种改进的回旋加速器离子源系统，其特征在于，该离子源系统由离子源顶盖、灯丝、离子源腔体、磁过滤器、吸极装置及吸极补偿装置构成，所述的离子源顶盖设置在离子源腔体的顶部，顶盖下方设置两排永久磁铁，所述的灯丝设在离子源腔体内，连接在离子源顶盖的下方，所述的磁过滤器设在离子源腔体下方，所述的吸极装置有两个，设在离子源腔体的底部，所述的吸极补偿装置设在离子源腔体的束流路径上；

所述的磁过滤器由循环冷却水管及4块永久磁铁构成，所述的循环冷却水管一端为进水口，另一端为出水口，循环冷却水管呈四排管道设置，所述的永久磁铁分别设置在循环冷却水管形成的管道的四个端点处；

所述的吸极补偿装置内设有两块永久磁铁，该永久磁铁的磁极与吸极装置内设置的永久磁铁的磁极的设置方向相反，产生与吸极装置的磁场方向相反的磁场，补偿吸极装置内的磁铁引起的对束流的轻微偏移。

2.根据权利要求1所述的一种改进的回旋加速器离子源系统，其特征在于，所述的离子源腔体为圆筒状结构，内部为高真空状态，环绕离子源腔体的外侧设有4根一组的10级永久磁铁，与离子源腔体对应的磁极头的极性呈交替设置。