CN106057614A - 一种冷阴极潘宁离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷阴极潘宁离子源，该冷阴极潘宁离子源阳极采用隐藏式固定结构，对阴极靠近放电室的表面采用凹形结构，阴极引出采用上下圆锥形结构；阳极上的电压通过阳极接线柱馈入，阴极板、中间电极外套、连接法兰、对阴极焊接法兰均接地，并通过陶瓷法兰和绝缘法兰保持与阳极的绝缘。本发明提高引出束流强度的同时，大大延长了离子源的使用寿命，降低了使用成本。可以引出1~5 mA的D束流，使用寿命大于500小时；所有部件均采用可拆卸式结构，可方便更换易损部件的同时，给其参数的优化留下了很大的空间，提高了整体的经济效益。

Description

一种冷阴极潘宁离子源

技术领域

本发明属于加速器设备领域，尤其涉及一种冷阴极潘宁离子源。

背景技术

氘氘（D-D）和氘氚（D-T）聚变反应加速器中子源是重要的单能中子源（简称中子发生器），可广泛应用于核数据测量、核聚变堆基础研究、军工基础研究、快中子应用技术等各个方面。D-D和D-T聚变反应的特点是，在较低的D束流能量下，有较大的反应截面，即可用低能加速器加速D离子束，轰击氘钛（TiD）靶或氚钛（TiT）靶发生氘氘（D-D）或氘氚（D-T）聚变反应产生强的快中子，快中子的产额与轰击在靶上的D束流强度成正比。为了保证100-120kV/D-D中子发生器中子产额大于1×10⁸ n/s的技术指标，靶上D束流必须大于1 mA，故提出小型化离子源的引出束流必须达到约2 mA的指标。

就目前的离子源技术，双等离子源、高频离子源、ECR离子源等均能容易获得较强的D离子束。其中，高频离子源、ECR离子源需要使用高频电源和微波源，存在高频和微波辐射问题，会对相关分析仪器的测量电子学系统及中子发生器控制系统产生干扰。双等离子源的电源均为直流电源，无干扰，且束流很容易能达到2 mA，已在兰州大学大型强流中子发生器上成功应用，其缺点是灯丝寿命较短。还有一类即是潘宁离子源，其结构和电源系统比双等离子源还要简单，寿命可达上千小时，并已在密封中子管上广泛应用。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种冷阴极潘宁离子源，旨在解决现有冷阴极潘宁离子源引出束流强度不高、使用寿命较短的问题。

一般现有的实例当中，阳极的固定端是在对阴极和阴极的中间位置，而阴极和对阴极均为圆柱结构。本发明实施例提供一种冷阴极潘宁离子源，所述冷阴极潘宁离子源的阳极采用隐藏式固定结构，对阴极靠近放电室的表面采用凹形结构，阴极上的引出孔采用上下双圆锥形结构。

本发明有益效果包括：

本发明实施例提供的方案：

1）阳极的隐藏式固定结构基本解决了由于溅射粒子在阴极和阳极、对阴极和阳极之间的沉积导致其短路的问题；

2）对阴极靠近放电室表面采用凹形结构，降低了对阴极单位面积所承受正离子轰击的功率密度，大大延缓了由于对阴极表面受损导致潘宁离子源不能正常工作的问题；同时，由于同一种离子以相同的能量轰击同种材料，斜入射的二次电子发射系数要比垂直入射的二次电子发射系数更大，对阴极表面的凹形结构还会增大正离子轰击对阴极的二次电子发射系数，这样就提高了放电室内的等离子体密度，进而提高了引出束流强度；

3）阴极上引出孔的上圆锥形结构的作用之一是对引出的离子进行机械压缩，增大引出束流的离子密度，这在双等离子源上取得了很理想的效果；该结构另外一个作用是增大了正离子轰击阴极的二次电子发射系数，提高了放电室内的等离子体密度。这两个作用都能够提高引出束流强度。

4）阴极上引出孔的下圆锥形结构的作用是为了在引出加速电极作用下形成一个更加理想的弯月面。

因此，采用本发明实施例提供的方案相比于现有技术，可大大延长冷阴极潘宁离子源的使用寿命，提高引出束流强度，降低使用成本。可以引出1~5 mA的D束流，使用寿命大于500小时；所有部件均采用可拆卸式结构，可方便更换易损部件的同时，给其参数的优化留下了很大的空间，提高了整体的经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例提供的冷阴极潘宁离子源的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的冷阴极潘宁离子源内电场等位面分布图。

图3是本发明实施例提供的冷阴极潘宁离子源内磁力线分布图。

图4是本发明实施例提供的冷阴极潘宁离子源的中心轴线处的磁场强度分布图。

图5是本发明实施例提供的冷阴极潘宁离子源的束流引出径迹图。

图中：1、阴极板；2、阴极；3、阴极法兰；4、中间电极外套；5、阳极；6、励磁线包；7、对阴极支撑法兰；8、对阴极；9、铜线包骨架法兰；10、陶瓷法兰；11、绝缘法兰；12、连接法兰；13、对阴极焊接法兰；14、对阴极调节杆组件；15、进气嘴；16、阳极接线柱；17、第一组真空封装O型密封圈；18、第二组真空封装O型密封圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

请参阅图1至图5：

从阴极2或对阴极8发射的电子通过阴极2或对阴极8和阳极5之间的电场时被加速，到达对阴极8或阴极2之前又被减速并反向加速，即电子在阴极2—阳极5—对阴极8之间的电场作用下在轴向方向来回振荡，并在励磁线包6产生的轴向磁场作用下作螺旋运动。

阴极2、阳极5和对阴极8所包围的空间称为放电室。D气体由进气嘴15注入，经由对阴极调节杠组件14和对阴极8上开的小孔进入放电室。轴向来回振荡并作螺旋运动的电子电离进入放电室内的D气体，使之离解、电离并产生等离子体。放电室内产生的等离子体在引出电场的作用下通过阴极2上的引出孔引出形成D离子束流。

阳极5上的电压通过阳极接线柱16馈入。整个离子源外部法兰均接地，包括阴极板3、中间电极外套4、连接法兰12、对阴极焊接法兰13，并通过陶瓷法兰11和绝缘法兰12保持与阳极5的的良好绝缘。阳极所加电压为5 kV时，冷阴极潘宁离子源内电场等位面分布如附图2中所示，最大电场为22.1kV/cm，远小于高真空击穿电场100kV/cm的限值，可保证稳定运行。

为了保证放电室内的轴向磁场分布，阳极5由非磁性不锈钢加工而成，外径30 mm，内径20 mm，长32 mm；铜线包骨架法兰9以及对阴极支撑法兰7由磁性不锈钢或铜加工而成，其余法兰均采用纯铁或者磁性不锈钢加工而成；结合阴极应选择二次电子发射系数大的材料和耐一定高温的考量，阴极2和对阴极8的材料均选择由钼加工而成，阴极2的锥角为45°，对阴极8球形表面的球半径为29 mm，阳极5与阴极2和对阴极8间的距离均为3.5 mm。模拟得到阴极潘宁离子源内磁力线分布以及中心轴线处的磁场强度分布分别如附图3和附图4中所示。由模拟结果可知，线包6在放电室内产生的磁场可达到2500 Guss，完全可以达到约束电子的目的。

为了保证冷阴极潘宁离子源用在紧凑型D-D中子发生器上时，靶上束斑直径小于20 mm，对阴极2靠近引出的方向也采用了类似于扩张杯系效果的锥形设计。利用PIC粒子输运软件模拟得到的束流引出如附图5中所示，束流在靶上的束斑直径在15 mm左右，符合设计要求。

本发明实例阳极采用隐藏式固定结构，对阴极靠近放电室表面采用凹形结构，阴极引出采用上下双圆锥形结构，提高引出束流强度的同时，大大延长其使用寿命，降低使用成本，可以引出1~5 mA的D束流，使用寿命大于500小时；所有部件均采用可拆卸式结构，可方便更换易损部件的同时，给其参数的优化留下了很大的空间，提高了整体的经济效益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷阴极潘宁离子源，其特征在于，所述冷阴极潘宁离子源的阳极采用隐藏式固定结构，对阴极靠近放电室的表面采用凹形结构，阴极上的引出孔采用上下双圆锥形结构。

2.如权利要求1所述冷阴极潘宁离子源，其特征在于，通过陶瓷法兰和绝缘法兰将阳极固定在铜线包骨架法兰的上端，并保持与铜线包骨架法兰的绝缘。

3.如权利要求1所述冷阴极潘宁离子源，其特征在于，所述对阴极凹形的剖面为圆形，圆形半径为29 mm。

4.如权利要求1所述冷阴极潘宁离子源，其特征在于，所述阴极上的引出锥形孔上下端均为圆形，其中上锥形和圆形的半径分别为10 mm和1.5 mm，下锥形和圆形的半径分别为1.5 mm和26.5 mm，上下锥形的间距为2 mm。

5.如权利要求1所述冷阴极潘宁离子源，其特征在于，阴极引出孔半径为1.5 mm。

6.如权利要求1所述冷阴极潘宁离子源，其特征在于，阳极和阴极、阳极和对阴极支撑法兰之间的间距均为3.5 mm。

7.如权利要求1所述冷阴极潘宁离子源，其特征在于，阳极和阴极之间的距离可以通过对阴极调节杆在0mm-19 mm范围内进行调节。

8.如权利要求1所述冷阴极潘宁离子源，其特征在于，阳极由非磁性不锈钢加工而成，铜线包骨架法兰以及对阴极支撑法兰由磁性不锈钢或铜加工而成，阴极板、阴极法兰、中间电极外套、连接法兰、对阴极焊接法兰均采用纯铁或者磁性不锈钢加工而成。

9.如权利要求1所述冷阴极潘宁离子源，其特征在于，所述的冷阴极潘宁离子源的磁场源为电磁铁。

10.一种冷阴极潘宁离子源，其特征在于，包括如权利要求1~ 9任一所述的冷阴极潘宁离子源。