CN103956314A - 一种微波驱动无铯负氢离子源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种负氢离子源，尤其是一种采用2.45GHz微波驱动和全永磁结构的无铯的强流微波驱动负氢(H-)离子源。本发明采用了2.45GHz微波来产生等离子体；离子源磁场全部由永磁体产生；H-产生区域采用了钽材料的肩结构；H-产生区域采用了小孔径和横向偏转磁场。通过2.45GHz微波放电产生了大量的激发态氢分子(H2 *)，适当的横向磁场使得高能电子无法进入H-产生区域，通过的低能电子在H-产生区域与H2 *相互作用产生H-。钽材料的肩结构增加了在其表面产生H-的几率。H-产生区域的孔径较小阻止了微波加热该区域的电子，该区域的横向磁场偏转掉引出束流中的电子，使得最终得到流强高、电子比例低的H-离子束流。该负氢离子源主要用于为加速器提供负氢离子。
Description
技术领域
本发明涉及一种离子源，尤其是一种采用2.45GHz微波驱动、无铯、全永磁结构的能产生强流负氢离子束的离子源。
背景技术
负氢离子是指氢原子外带一个电子形成的离子，因而带负电。早期的负氢离子源被用于串列式静电加速器中。现在，负氢离子源被广泛用于回旋加速器、高能对撞机、散裂中子源以及未来聚变装置的中性束注入。随着加速器不断向强流高功率的方向发展，对负氢离子源提出了强流、高稳定性、长寿命等要求。负氢离子(H-)的电子亲合势只有0.75eV，其产生后极易同载能电子(>1eV)以及其他原子、分子或器壁相互作用而消亡。因此，要产生强流的负氢离子束十分困难。
目前，负氢离子源可以分为两大类：体积源和表面源。对于使用射频驱动的体积型负氢源，其基本原理是：高频电磁波使放电室中产生等离子体和大量激发态氢分子(H2 *)，激发态氢分子与低能电子附和作用产生H-离子(H2 *+e→H+H-)。这样的负氢源所采用的射频频率通常在1～10MHz，而更高频率的射频波如微波(300MHz～3000GHz)驱动的负氢离子源很难产生几个mA以上的负氢束流。这是因为，负氢离子十分脆弱、容易消亡，人们普遍认为过高频率的电磁波振荡会带来负氢离子迅速消亡，故流强难以提高[1]。为了提高负氢离子束的产生效率，科学家们在离子源中加入了铯蒸汽。而铯的引入可以使负氢的产生率提高近一个量级。
微波频率为2.45GHz的电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)离子源通常用于产生正离子，其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、结构简单、工作寿命长、维护简便等诸多优点，成为国际上产生单电荷态强流离子束的首选。它的工作原理是：放电室内的电子在磁场的约束下作回旋运动，当馈入放电室中的微波的频率与电子作回旋运动的角频率相等时发生共振，微波的能量被电子吸收，高能电子与工作气体非弹性碰撞产生低温高密度等离子体。这种离子源在产生强流离子束时通常只需要1～3kW微波功率，且稳定性好、寿命长，而采用1～10MHz的射频驱动负氢离子源通常需要数十kW功率、结构复杂、寿命受射频天线寿命限制且通常需要复杂的辅助铯循环系统(铯为有毒元素、易燃)。因此，采用2.45GHz微波电子回旋共振的方式来驱动强流负氢离子源将具有很大的优势。
欧洲核子中心(CERN)曾采用2.45GHz微波驱动方式来产生负氢离子，最终只获得了0.3mA的H-[2]。法国的CEA/SACLAY实验室也曾经发展2.45GHz负氢离子源，其采用脊波导进行微波匹配，螺线管来提供电子回旋共振所需的磁场，最终只获得了3.5mA的H-而告终，且其源体体积很大[3]。因此，采用新的、更紧凑的结构和设计来实现2.45GHz微波驱动强流负氢离子源十分有意义。
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发明内容
本发明的目的是提供一种采用2.45GHz微波驱动的、无铯、可产生强流低发射度负氢离子束的离子源。
本发明提供的技术方案如下：
一种微波驱动无铯负氢离子源，是一种采用2.45GHz微波驱动、无铯、可产生强流负氢离子束流的离子源，包括微波系统1、介质耦合波导2、初级放电室3、磁体、肩结构5、负氢产生区6、引出系统9、进气孔10、偏压电极11、绝缘陶瓷片12以及冷却和辅助系统，其特征在于，
所述的微波系统1与介质耦合波导2相连接，微波系统产生并传输的微波通过介质耦合波导2耦合到初级放电室3，初级放电室3的磁场由磁体4提供，磁体4环绕初级放电室外侧，负氢产生区6嵌入到初级放电室3中与之相连通，初级放电室3和负氢产生区6连接处有磁体7提供的横向磁场，负氢产生区6采用肩结构5，肩结构5外侧靠近引出系统9处有磁体8提供偏转电子的内偏转场，引出系统9为三电极结构，引出孔前加偏压电极11，偏压电极11通过绝缘陶瓷片12同引出电极和腔壁绝缘，进气孔10位于负氢产生区6内壁一侧靠近引出系统9方向。
优选的技术方案如下：
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述微波系统1用来产生和传输2.45GHz微波。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述介质耦合波导2由三片厚度为5～15mm的陶瓷片和一片厚度为2～4mm的氮化硼组成。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述陶瓷片和氮化硼为圆柱形。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述初级放电室3内壁被钽金属材料覆盖。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述磁体4由多个分离的永磁体圆环组成，中间由垫片隔开。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述肩结构5前半部分为面向初级放电室3的圆锥面，后半部分为圆筒。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述圆锥面和圆筒内壁均被钽金属材料覆盖。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述负氢产生区6的孔径比初级放电室3小。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述肩结构5圆筒部分外侧有磁体8提供的内偏转磁场。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述引出系统9为三电极引出系统，分别为等离子体电极、聚焦电极和地电极。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述等离子体电极、聚焦电极和地电极由绝缘陶瓷隔开。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述等离子体电极的工作电压为-10～-50kV。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述聚焦电极的工作电压为+1～+5kV。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述进气孔10为负氢产生区6内壁一侧通孔。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述偏压电极11材料为金属钼。
所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述偏压电极11上所加偏压为-100v～+100V。
本发明同时提供一种产生强流负氢离子束流的方法，其特征在于，利用上面所述的微波驱动无铯负氢离子源，由微波系统1产生并传输的2.45GHz微波通过介质耦合波导2匹配馈入到初级放电室3中，磁体4提供电子回旋共振所需要的约束磁场，微波加热电子在初级放电室3中就会产生致密的等离子体和大量激发态氢分子H2 *；磁体7提供一个横向磁场，过滤掉高能电子而只让低能电子进入负氢产生区域；负氢产生区6的孔径很小可以阻止微波加热该区域的电子；低能电子与激发态氢分子在负氢产生区6附和产生负氢离子并通过引出系统9引出；初级放电室3中产生的离子(H+、H2 +、H3 +)在肩结构5表面的钽的促进作用下，也有可能产生激发态氢分子或直接形成负氢离子；磁体8偏转掉引出束流中的电子，使引出电子比例降低；这样，就能通过2.45GHz微波驱动的方式来得到很强的负氢离子束流，且电子比例很小、发射度低。
优选的，在偏压电极11加一定电压来减小引出束流中的电子比例。
本发明的有益效果：
1)本发明提供了一种新型结构的离子源，该离子源采用2.45GHz微波驱动产生了强流无铯负氢离子束流。
2)本发明为强流负氢离子源的发展拓展了新的思路，证明了用2.45GHz微波驱动方式产生强流负氢离子束流的可行性，该发明有很大的创新性。
3)本发明有希望成为新一代结构简单、功耗小、稳定性高且寿命长的强流负氢离子源，替代传统的负氢离子源为未来的加速器提供稳定高品质的束流。
4)本发明有利于加深对ECR放电以及负氢离子产生机制的理解。
附图说明
图1本发明涉及的微波驱动负氢离子源的结构示意图，其中，微波系统1、介质耦合波导2、初级放电室3、永磁环4、肩结构5、负氢产生区6、方形永磁铁7、内偏转磁铁8、引出系统9、进气孔10、偏压电极11、绝缘陶瓷12以及冷却和辅助系统。
图2离子源源体照片(不含引出系统)。
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为本发明所提供的负氢离子源示意图。参照图1和本发明提供的技术方案，实现了一个用2.45GHz微波驱动的强流负氢离子源，图2为不含引出系统的离子源源体照片。整个离子源主要包括以下几个部分：微波系统1、介质耦合波导2、初级放电室3、永磁环4、肩结构5、负氢产生区6、方形永磁铁7、内偏转磁铁8、引出系统9、进气孔10、偏压电极11、绝缘陶瓷12以及冷却和辅助系统等。
微波系统1主要包括：磁控管、微波功率源、环形器、三销钉调谐器、定向耦合器、高压隔离波导、过渡波导和介质耦合波导2等几部分组成，为离子源提供2.45GHz微波。本系统采用了标准的BJ26波导。介质耦合波导2是由三块10mm厚的圆柱体陶瓷片和一片2mm厚用于阻挡反轰二次电子的氮化硼组成。该方式可以很好对馈入的微波模式进行转换，并将馈入的微波和初级放电室3中的磁约束等离子体进行很好的匹配，使得微波能量大部分被等离子体吸收，反射功率很小。此外，介质耦合波导还起到真空密封作用，它将初级放电室3与外面的大气环境隔绝开来。
初级放电室3采用不锈钢制成，初级放电室3和永磁体7之间有水冷通道提供良好的冷却。放电室3内壁覆盖一层钽金属材料，用于促进等离子体中的H2 +、H3 +等离子与壁碰撞转化为激发态氢分子。初级放电室3内径为40mm，该尺寸可以使微波与等离子体很好的匹配。永磁环4为三个分立的永磁体圆环，永磁环4为2.45GHz电子回旋共振提供磁场，中心轴向磁场在875Gs附近。初级放电室3和负氢产生区6相连通，通过肩结构5过渡。肩结构嵌入初级放电室10mm，永磁环4的尾场和两块位于离子源放电室两侧的方形永磁铁7共同构成的横向磁场，成为电子速度分群的磁帘。肩内偏转磁铁8为一块较小的方形永磁铁，位于肩结构5外侧靠近引出系统方向，使引出束流中的电子在引出前就被偏转。离子源的引出系统9有三个电极，分别是等离子体电极、聚焦电极和地电极。聚焦电极除去对引出束流的聚焦作用外，还有判断腔体内等离子体是否建立、等离子体的稳定性和稠密度的功能。离子源开始稳定放电后，等离子体电极上加引出电压为-50kV，聚焦电极加+2kV电压和地电极接地，可以很好地引出束流。
该离子源采用高纯度的氢气作为工作气体。位于引出孔附近的进气孔10与整个系统的真空系统配合，建立离子源腔体内负氢放电需要的气压梯度分布，达到负氢离子形成所需要的气流梯度。
在脉冲工作模式下，当与离子源对接的真空腔体内气压为4.0×10-3Pa，馈入的微波的峰值功率为3kW时，该源可以引出24mA/50keV的束流，引出束流中既有电子也有负氢离子，其中e:H-＝1:3，净H-离子流强达到18mA，束流的均方根发射度小于0.2π·mm·mrad。经过90度偏转磁铁后可以得到纯的负氢离子束流。该离子源的流强超过了国际上同类源的3.5mA的水平。
本发明的特定实施例已对本发明的内容作了详尽说明。对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明构思的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将不会超出本专利申请所附的权利要求的保护范围。
Claims (19)
1.一种微波驱动无铯负氢离子源，包括微波系统(1)、介质耦合波导(2)、初级放电室(3)、磁体、肩结构(5)、负氢产生区(6)、引出系统(9)、进气孔(10)、偏压电极(11)、绝缘陶瓷片(12)以及冷却和辅助系统，其特征在于，
所述的微波系统(1)与介质耦合波导(2)相连接，微波系统产生并传输的微波通过介质耦合波导(2)耦合到初级放电室(3)，初级放电室(3)的磁场由磁体(4)提供，磁体(4)环绕初级放电室外侧，负氢产生区(6)嵌入到初级放电室(3)中与之相连通，初级放电室(3)和负氢产生区(6)连接处有磁体(7)提供的横向磁场，负氢产生区(6)采用肩结构(5)，肩结构(5)外侧靠近引出系统(9)处有磁体(8)提供偏转电子的内偏转场，引出系统(9)为三电极结构，引出孔前加偏压电极(11)，偏压电极(11)通过绝缘陶瓷片(12)同引出电极和腔壁绝缘，进气孔(10)位于负氢产生区(6)内壁一侧靠近引出系统(9)方向。
2.如权利要求1所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述微波系统(1)用来产生和传输2.45GHz微波。
3.如权利要求1所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述介质耦合波导(2)由三片厚度为5～15mm的陶瓷片和一片厚度为2～4mm的氮化硼组成。
4.如权利要求3所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述陶瓷片和氮化硼为圆柱形。
5.如权利要求1所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述初级放电室(3)内壁被钽金属材料覆盖。
6.如权利要求1所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述磁体(4)由多个分离的永磁体圆环组成，中间由垫片隔开。
7.如权利要求1所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述肩结构(5)前半部分为面向初级放电室(3)的圆锥面，后半部分为圆筒。
8.如权利要求7所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述圆锥面和圆筒内壁均被钽金属材料覆盖。
9.如权利要求1所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述负氢产生区(6)的孔径比初级放电室(3)小。
10.如权利要求7所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述肩结构(5)圆筒部分外侧有磁体(8)提供的内偏转磁场。
11.如权利要求1所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述引出系统(9)为三电极引出系统，分别为等离子体电极、聚焦电极和地电极。
12.如权利要求11所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述等离子体电极、聚焦电极和地电极由绝缘陶瓷隔开。
13.如权利要求11所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述等离子体电极的工作电压为-10～-50kV。
14.如权利要求11所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述聚焦电极的工作电压为+1～+5kV。
15.如权利要求1所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述进气孔(10)为负氢产生区(6)内壁一侧通孔。
16.如权利要求1所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述偏压电极(11)材料为金属钼。
17.如权利要求1所述的微波驱动无铯负氢离子源，其特征在于，所述偏压电极(11)上所加偏压为-100v～+100V。
18.一种产生强流负氢离子束流的方法，其特征在于，利用权利要求1所述的微波驱动无铯负氢离子源，由微波系统(1)产生并传输的2.45GHz微波通过介质耦合波导(2)匹配馈入到初级放电室(3)中，磁体(4)提供电子回旋共振所需要的约束磁场，微波加热电子在初级放电室(3)中就会产生致密的等离子体和大量激发态氢分子H2 *；磁体(7)提供一个横向磁场，过滤掉高能电子而只让低能电子进入负氢产生区域；负氢产生区(6)的孔径很小可以阻止微波加热该区域的电子；低能电子与激发态氢分子在负氢产生区(6)附和产生负氢离子并通过引出系统(9)引出；初级放电室(3)中产生的离子在肩结构(5)表面的钽的促进作用下，也有可能产生激发态氢分子或直接形成负氢离子；磁体(8)偏转掉引出束流中的电子，使引出电子比例降低；这样，就能通过2.45GHz微波驱动的方式来得到很强的负氢离子束流。
19.如权利要求18所述的产生强流负氢离子束流的方法，其特征在于，在偏压电极(11)加一定电压来减小引出束流中的电子比例。
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