CN107293347B - 一种束流在线电荷极性转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于离子束操纵技术领域，具体涉及一种束流在线电荷极性转换装置，包括底部密封连接加热炉(3)的外筒(1)，所述外筒(1)筒壁上对称设置一对能够通过离子束流的外筒束流通道孔(6)，所述加热炉(3)用于通过加热工作介质产生工艺气体，还包括通过能够密封设置在所述外筒(1)顶部的法兰(8)设置在所述外筒(1)内的内筒(2)，所述内筒(2)底部的开口位于所述加热炉(3)顶部的开口上方，所述内筒(2)的筒壁上对称设置一对与所述外筒束流通道孔(6)相对应的、能够通过所述离子束流的内筒束流通道孔(7)。该装置能够实现工作介质的循环利用，并限制工艺气体的作用范围，提高工作介质的使用效率，降低成本。

Description

一种束流在线电荷极性转换装置

技术领域

本发明属于离子束操纵技术领域，具体涉及一种束流在线电荷极性转换装置。

背景技术

现代科学装置或生产设备中，常常要实现对低能正离子束的电荷极性进行转换，例如：串列加速器中，为实现离子的二次加速，需向其注入负离子束，而负离子源产生的离子种类和流强受限，往往需要将离子源产生的正离子束的极性转换为负离子束才能满足串列加速器的注入要求。它的原理是带电离子束以一定速度进入一定浓度的工艺气体中与工艺气体的气体原子碰撞，在碰撞的过程中气体原子失去电子，正离子获得电子，离子与气体原子发生电荷交换，经过至少两次碰撞离子所带电荷由正变负。工作气体可采用具有较低电子亲和势的碱金属或碱土金属蒸气，由加热炉加热工作介质(碱金属或碱土金属)产生，调节加热炉温即可控制工作气体浓度。在极性转换过程中，由于碱金属和碱土金属的化学活性较高，容易与进行极性转换的设备的真空内壁发生反应，其氢氧化物也具有较强的腐蚀性，需要对其作用范围进行限制。此外，这一转化过程中的工作介质(碱金属或碱土金属)一般为成本较高的贵金属，因此也需要尽量控制工作介质的损耗。

发明内容

本发明的目的是在保证离子束流电荷极性转换正常进行的情况下，减少工作介质的损耗并实现工作介质的循环使用。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种一种束流在线电荷极性转换装置，包括底部密封连接加热炉的外筒，所述外筒筒壁上对称设置一对能够通过离子束流的外筒束流通道孔，所述加热炉用于通过加热工作介质产生工艺气体，其中，还包括通过能够密封设置在所述外筒顶部的法兰设置在所述外筒内的内筒，所述内筒底部的开口位于所述加热炉顶部的开口上方，所述内筒的筒壁上对称设置一对与所述外筒束流通道孔相对应的、能够通过所述离子束流的内筒束流通道孔。

进一步，所述外筒的底部为开口朝上的锥面结构，所述加热炉的顶部开口位于所述锥面结构底部中心位置，所述内筒的底部开口与所述锥面结构之间留有缝隙，所述锥面结构便于附着在所述外筒内壁上的所述工作介质以及从所述内筒回流的所述工作介质流入所述加热炉中。

更进一步，所述内筒采用紫铜材质制作，且内外表面镀镍；所述内筒的顶部内侧采用开口朝下的锥面结构，便于附着在所述内筒顶部的所述工作介质沿所述内筒的内壁回流到所述加热炉中。

进一步，所述外筒束流通道孔采用锥形孔结构，穿设在所述外筒的筒壁上，锥度为9度，所述外筒束流通道孔的小孔一端的孔径为12mm，所述外筒束流通道孔的大孔一端的孔径为30mm；所述外筒束流通道孔的小孔一端延伸在所述外筒的筒壁之外，所述外筒束流通道孔的大孔一端向所述外筒内部延伸，靠近所述内筒上的所述内筒束流通道孔。

进一步，所述内筒束流通道孔采用锥形孔结构，所述锥度为120度，所述内筒束流通道孔的小孔一端的孔径为6mm，所述内筒束流通道孔的大孔一端的孔径为25mm；所述内筒束流通道孔的小孔一端位于所述内筒的筒壁内侧上，所述内筒束流通道孔的大孔一端位于所述内筒的筒壁外侧上。

更进一步，所述外筒束流通道孔的大孔一端、内筒束流通道孔的大孔一端互相对应，两者之间能够形成阻止所述工艺气体外溢的气阻。

进一步，在所述法兰上还设有用于补充所述工作介质的工作介质注入孔。

进一步，所述外筒、内筒、法兰均采用耐强碱腐蚀的金属制作，所述法兰与所述外筒之间采用金属密封结构。

进一步，所述外筒的外壁设有用于给所述外筒加热的外筒加热丝，在所述法兰上设有用于给所述内筒加热的内筒加热棒。

本发明的有益效果在于：

1.外筒束流通道孔6和内筒束流通道孔7的束流通道孔径很小，是良好的气阻，可有效减少工艺气体向真空中逃逸。外筒束流通道孔6也采用锥孔设计，有效约束从内筒束流通道孔7逸出的工艺气体，限制气体原子的运动区域，提高工艺气体密度。

2.气体原子从外筒束流通道孔6和内筒束流通道孔7的内表面蒸发增加内外筒之间的电荷交换区域的工艺气体密度提高了电荷交换几率。

3.采用内筒2和外筒1所构成的双层筒壁结构，极有效的限制了工艺气体的作用范围。

4.通过在内筒2顶部、外筒1底部设置锥面结构，使得附着在筒壁上的工作介质能够回流到加热炉3中，实现了工作介质的循环利用，节约了成本。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的束流在线电荷极性转换装置的示意图；

图中：1-外筒，2-内筒，3-加热炉，4-工作介质注入孔，5-内筒预留加热孔，6-外筒束流通道孔，7-内筒束流通道孔，8-法兰，9-炉加热丝，10-内筒加热棒，11-外筒加热丝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的一种束流在线电荷极性转换装置，由外筒1、内筒2、加热炉3、法兰8等组成。

其中，外筒1的底部连接加热炉3，加热炉3用于通过加热工作介质来产生工艺气体(工艺气体的气体原子带正电荷，用来与离子束流进行电荷交换)。加热炉3的顶部设有开口，外筒1与加热炉3的顶部开口之间为密封连接，加热炉3产生的工艺气体被限制在外筒1内部的区域范围中。外筒1筒壁上设置有一对能够通过离子束流的外筒束流通道孔6，外筒束流通道孔6为对称设置，离子束流能够通过其中一个外筒束流通道孔6进入外筒，从对应的另一个外筒束流通道孔6射出。

外筒1顶部设置有法兰8，法兰8与外筒1之间为密封连接(采用的是耐强碱腐蚀的金属密封结构)，内筒2的顶部与法兰8相连，通过法兰8，内筒2能够被设置在外筒1的内部，外筒1和内筒2构成双层筒壁结构。内筒2底部设有开口，且位于加热炉3顶部的开口上方，加热炉3产生的工艺气体能够直接进入到内筒2内部。

内筒2的筒壁上同样对称设置一对能够通过离子束流的内筒束流通道孔7，并且内筒束流通道孔7与外筒束流通道孔6相对应，在相对应的内筒束流通道孔7、外筒束流通道孔6附近为离子束流与工艺气体的电荷交换区域。

外筒1的底部为开口朝上的锥面结构，加热炉3的顶部开口位于锥面结构底部中心位置，内筒2的底部开口与锥面结构之间留有缝隙(缝隙用于方便外筒1的内侧筒壁流下的工作介质经锥面结构重新回流到加热炉3中)，锥面结构便于附着在外筒1内壁上的工作介质以及从内筒2回流的工作介质流入加热炉3中。通过外筒1、内筒2所构成的双层筒壁结构，实现了工作介质的循环使用，减少了工作介质的消耗，同时增加了电荷交换区域的工艺气体的浓度，保证离子束流与工艺气体的电荷交换的效果。

内筒2采用紫铜材质制作，且内外表面镀镍；内筒2的顶部内侧采用开口朝下的锥面结构，便于附着在内筒2顶部的工作介质沿内筒2的内壁受重力影响沿筒壁内侧回流到底部的加热炉3中。

外筒束流通道孔6采用锥形孔结构，穿设在外筒1的筒壁上，锥度为9度，外筒束流通道孔6的小孔一端的孔径为12mm，外筒束流通道孔6的大孔一端的孔径为30mm；外筒束流通道孔6的小孔一端延伸在外筒1的筒壁之外，外筒束流通道孔6的大孔一端向外筒1内部延伸，靠近内筒2上的内筒束流通道孔7。

内筒束流通道孔7采用锥形孔结构，锥度为120度，内筒束流通道孔7的小孔一端的孔径为6mm，内筒束流通道孔7的大孔一端的孔径为25mm；内筒束流通道孔7的小孔一端位于内筒2的筒壁内侧上，内筒束流通道孔7的大孔一端位于内筒2的筒壁外侧上。

外筒束流通道孔6的大孔一端、内筒束流通道孔7的大孔一端互相对应，两者之间能够形成气阻，气阻能够阻止工艺气体外溢(并利于工作介质回收)。

在法兰8上还设有工作介质注入孔4，工作介质注入孔4用于向加热炉3内补充工作介质。

外筒1、内筒2、外筒束流通道孔6、内筒束流通道孔7、法兰8均采用耐强碱腐蚀的金属制作，法兰8与外筒1之间采用金属密封结构。

外筒1的外壁设有用于给外筒1加热的外筒加热丝11，在法兰8上设有用于给内筒2加热的内筒加热棒10。内筒加热棒10设置在与内筒2顶部连接的内筒预留加热孔5中，内筒预留加热孔5穿设在法兰8上。加热炉3外围设有炉加热丝9，用于加热炉3的加热。外筒加热丝11、内筒加热棒10可实现对外筒1和内筒2的筒壁温度的控制。与筒壁(特别是在外筒束流通道孔6、内筒束流通道孔7的锥形筒的内壁)碰撞的工艺气体的气体原子一部分会因受热再蒸发和扩散再次返回电荷交换区域，增加电荷交换区域的工作气体浓度，提高电荷交换几率。

最后举例说明本发明所提供的一种束流在线电荷极性转换装置的实际应用。

在本实施例中，使用贵金属铯(Cs)作为工作介质。组装好的在线电荷极性转换装置中(在线电荷极性转换装置处于真空环境中)，通过工作介质注入孔4用于向加热炉3内注入金属铯，对加热炉3以及内筒2、外筒1进行加热，使得金属铯产生相应的工艺气体。由于内筒2底部开口与外筒1底部(锥面结构)之间的缝隙很小，工艺气体的气体原子从加热炉3中逸出后扩散大部分进入内筒2，少部分气体原子通过内筒束流通道孔7和内筒2、外筒1之间的隙进入外筒1。离子束流(带正电荷)从外筒1上的一个外筒束流通道孔6进入外筒1，并经过与该外筒束流通道孔6相对应的内筒束流通道孔7进入内筒2中，随后离子束流穿过内筒2的另一个内筒束流通道孔7以及相对应的另一个外筒束流通道孔6射出(此时离子束流带负电荷)。在这一过程中，离子束流与工艺气体的气体原子碰撞并发生电荷交换(电荷交换区域主要是在相对应的内筒束流通道孔7、外筒束流通道孔6附近，交换的几率与离子和工作介质的性质等有关)。工艺气体的气体原子在内筒2、外筒1中的进一步扩散会与筒壁碰撞。由于内筒2和外筒1均使用加热装置进行温度控制，与筒壁碰撞的气体原子一部分会因受热后再蒸发和扩散再次返回电荷交换区域，增加电荷交换区域的工艺气体浓度，提高电荷交换几率。另一部分没有蒸发的工作介质由于重力作用会沿(内筒2和外筒1的)筒壁向下运动，最终进入加热炉3中实现工作介质的循环使用。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (8)

1.一种束流在线电荷极性转换装置，包括底部密封连接加热炉(3)的外筒(1)，所述外筒(1)筒壁上对称设置一对能够通过离子束流的外筒束流通道孔(6)，所述加热炉(3)用于通过加热工作介质产生工艺气体，其特征是：还包括通过能够密封设置在所述外筒(1)顶部的法兰(8)设置在所述外筒(1)内的内筒(2)，所述内筒(2)底部的开口位于所述加热炉(3)顶部的开口上方，所述内筒(2)的筒壁上对称设置一对与所述外筒束流通道孔(6)相对应的、能够通过所述离子束流的内筒束流通道孔(7)；所述外筒(1)的底部为开口朝上的锥面结构，所述加热炉(3)的顶部开口位于所述锥面结构底部中心位置，所述内筒(2)的底部开口与所述锥面结构之间留有缝隙，所述锥面结构便于附着在所述外筒(1)内壁上的所述工作介质以及从所述内筒(2)回流的所述工作介质流入所述加热炉(3)中。

2.如权利要求1所述的束流在线电荷极性转换装置，其特征是：所述内筒(2)采用紫铜材质制作，且内外表面镀镍；所述内筒(2)的顶部内侧采用开口朝下的锥面结构，便于附着在所述内筒(2)顶部的所述工作介质沿所述内筒(2)的内壁回流到所述加热炉(3)中。

3.如权利要求1所述的束流在线电荷极性转换装置，其特征是：所述外筒束流通道孔(6)采用锥形孔结构，穿设在所述外筒(1)的筒壁上，锥度为9度，所述外筒束流通道孔(6)的小孔一端的孔径为12mm，所述外筒束流通道孔(6)的大孔一端的孔径为30mm；所述外筒束流通道孔(6)的小孔一端延伸在所述外筒(1)的筒壁之外，所述外筒束流通道孔(6)的大孔一端向所述外筒(1)内部延伸，靠近所述内筒(2)上的所述内筒束流通道孔(7)。

4.如权利要求3所述的束流在线电荷极性转换装置，其特征是：所述内筒束流通道孔(7)采用锥形孔结构，所述锥度为120度，所述内筒束流通道孔(7)的小孔一端的孔径为6mm，所述内筒束流通道孔(7)的大孔一端的孔径为25mm；所述内筒束流通道孔(7)的小孔一端位于所述内筒(2)的筒壁内侧上，所述内筒束流通道孔(7)的大孔一端位于所述内筒(2)的筒壁外侧上。

5.如权利要求4所述的束流在线电荷极性转换装置，其特征是：所述外筒束流通道孔(6)的大孔一端、内筒束流通道孔(7)的大孔一端互相对应，两者之间能够形成阻止所述工艺气体外溢的气阻。

6.如权利要求1所述的束流在线电荷极性转换装置，其特征是：在所述法兰(8)上还设有用于补充所述工作介质的工作介质注入孔(4)。

7.如权利要求1所述的束流在线电荷极性转换装置，其特征是：所述外筒(1)、内筒(2)、法兰(8)均采用耐强碱腐蚀的金属制作，所述法兰(8)与所述外筒(1)之间采用金属密封结构。

8.如权利要求1所述的束流在线电荷极性转换装置，其特征是：所述外筒(1)的外壁设有用于给所述外筒(1)加热的外筒加热丝(11)，在所述法兰(8)上设有用于给所述内筒(2)加热的内筒加热棒(10)。