CN107318213A - 高电荷态离子的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于物理实验技术领域，具体为一种高电荷态离子实验装置。该实验装置包括：高压平台、隔离变压器、屏蔽室、高电荷态离子源、真空系统、分子泵机组，以及配套的电源、水冷、微波及控制系统，单透镜，组合光阑，电磁铁，平板静电偏转器，两道狭缝，实验靶室；其中，屏蔽室安装于高压平台外围；高电荷态离子源、真空系统及配套的电源、水冷、微波及控制系统安装在高压平台上；在高压平台上设计有一个单透镜和一套组合光阑，即离子由离子源中引出以后，首先由单透镜进行聚焦，然后在进入加速管之前通过一个组合光阑进行限束。本装置可为研究离子与原子、分子和材料表面相互作用过程而提供优质的具有一定能量的稳定的高电荷态离子束。

Description

高电荷态离子的实验装置

技术领域

本发明属于物理实验技术领域，具体涉及一种高压高电荷态离子物理实验装置。

背景技术

高电荷态离子广泛存在于自然界中，离子与原子分子的碰撞是自然界中物质相互作用的主要微观过程之一。如太阳风中的高电荷态离子吹向地球在南北极与大气作用形成极光，人类正在开展的磁约束聚变和惯性约束聚变的等离子体中同样存在高电荷态离子与原子分子的碰撞过程。实验室中研究高电荷态离子与原子分子的作用过程有助于理解自然现象，有助于更好地操控聚变等离子体。同时这些碰撞过程的研究也是我们理解原子分子等多体动力学演化过程的重要途径。因此，具有一定能量的高电荷态离子在原子分子物理研究中占有重要地位。而在实验室中获得一定能量的高电荷态离子并不容易，在早期，只能通过价格高昂的大型加速器获得，且能量远高于自然界中的高电荷态离子。

随着技术的不断进步，今天我们已经能够建立加速电压在几千伏到十几万伏的高电荷态离子物理平台，用以产生与天体等离子体和实验室等离子体中类似的高电荷态离子。技术方案是把离子源安装在一个高电压平台上，经过加速管把束流引到处于地电位的束流线中，然后电磁铁对束流进行电荷态选择，用于相应的物理实验。

发明内容

本发明的目的是建立一套能够产生模拟自然界和实验室等离子体中高电荷态离子的实验装置，为研究离子与原子、分子和材料表面相互作用过程而提供优质的具有一定能量的稳定的高电荷态离子束。

本发明建立的高电荷态离子实验装置，具体包括：高压平台、隔离变压器、屏蔽室、高电荷态离子源、真空系统、分子泵机组，以及配套的电源、水冷、微波及控制系统，单透镜，组合光阑，电磁铁，平板静电偏转器，两道狭缝，实验靶室。高电荷态离子实验装置总体结构示意如图1。其中：

所述高压平台，包括：一方形平板，用于支撑方形平板的四根高压陶瓷支柱，以及位于方形平板边缘上方的方形围栏。进一步，高压平台，最高耐压125 千伏，最高承重500 公斤，有效空间1.5米×1.8米。高压平台外形如图2所示。

所述隔离变压器，用于对高压平台供电。隔离变压器输入220伏，50赫兹的单相电，输出同样是220伏，50赫兹的单相电，功率5千瓦，隔离直流高压125 千伏。

所述屏蔽室，安装于高压平台外围，其骨架使用铝型材，型材中间为不锈钢网，屏蔽室留单开门一扇，门上安装报警灯和限位开关。高压运行时报警灯点亮，门打开时高压切断，起安全连锁功能。屏蔽室墙体距离高压平台不小于500毫米。

所述真空系统及分子泵机组，用于产生整个装置工作的高真空条件。系统的真空管道采用304不锈钢，连接处用CF标准的法兰配合无氧铜密封圈，确保系统工作时无漏气。用分子泵配合机械泵对真空管道进行抽真空，保持系统真空好于2×10^-8 Torr。

所述高电荷态离子源、真空系统及配套的电源、水冷、微波及控制系统安装在高压平台上。离子源用于产生高电荷态离子，离子束经过直径6毫米的引出电极流出，获得加速电压为正5-30 千伏。离子源与真空系统的真空管道相连，并用涡轮分子泵和机械泵进行抽真空。通常情况是对离子源引出的离子束的电荷态经二级电磁铁进行选择，然后再加速。但如此一来需要把二极磁体安装在平台上，增加了平台的空间和供电要求。为了获得紧凑结构，本发明中不在平台上对离子束进行电荷态分析，而是直接加速。但由此导致一个技术问题，即离子源给出的束流很粗，束流在加速过程中要与真空管道壁碰撞，并产生二次电子，这些电子会在加速电压作用下反向加速，回流到离子源中，对离子源腔体产生破坏作用。为此，本发明在高压平台上设计了一个单透镜和一套组合光阑，即离子由离子源中引出以后，首先由单透镜进行聚焦，然后在进入加速管之前通过一个组合光阑进行限束。单透镜如图3所示。

本发明中，所述离子源产生的束流可以达到毫安量级，而加速电压也接近30 千伏，意味着阻挡束流的热功率在几十瓦范围。一般的金属光阑很难承受几十瓦的束流的连续轰击，为此本发明中采用三级组合光阑。组合光阑如图4所示。光阑由无氧铜作支撑座，与真空管道相连，用于导热。这样束流经过三级组合光阑逐级限制，最终被限制在一定范围内。同时光阑还起到差分真空的作用，即通过光阑把离子源段真空与加速管段真空隔开，避免加速管段真空变差。

离子源本身对地有30千伏的直流高压，为了进一步提高离子能量，将离子源及其配套系统和离子源出口真空泵机组等放置在125千伏高压平台上，采用等梯度加速管连接高压平台上设备和地电位束流管道。加速管如图5所示。加速管作为绝缘件，耐压性能好，无暗电流，等梯度加速不会引起束流扩散。加速管轴线上的电场不大于25千伏/厘米。加速管为陶瓷和金属钛焊接而成，在各类静电和高压型加速器广泛使用。离子源本身加速电压可以达到正30千伏，在实际使用时，离子源供电电压为5-25 千伏，高压平台提供正电压为0-125千伏，由此可以实现离子束的加速电压为正5-150 千伏，在地电位的束流管道中获得离子的能量为5-150千伏乘以电荷态。必要时对平台施加负电压，以实现对离子束的减速或者引出负离子。

被加速的离子束中包含各种电荷态的离子，而且元素也不纯。为此，本发明中采用二级电磁铁产生磁场，使离子束在磁场中发生偏转，不同质荷比（元素质量与电荷态之比）的离子在磁场中的轨迹不同。通过改变磁体的电流，选择合适的磁场，就可以使目标离子发生90度偏转，而其他质荷比的离子的偏转角度大于或者小于90度。这样目标离子经过一个小孔进入与离子源垂直的束流传输管道中。

离子束经磁体偏转后经过两道狭缝的准直和限束后，被引入实验靶室。前后狭缝的结构是一样的，均为XY双方向狭缝。XY双方向狭缝如图6所示。狭缝材料选择耐轰击的钼，狭缝边缘为刀口，由一对一维平台驱动，真空隔离用焊接波纹管，重复定位精度和位置精度均小于5丝。为防止刀口撞坏，狭缝两刀口位置沿束流方向错开，并在移动机构上加限位。狭缝安装在一段独立的管道内，安装时检测位置精度。前狭缝距离二极磁铁400mm，该处为磁铁焦距。前后狭缝间距为1米，足够长的距离是为了保证束流的准直。两狭缝也兼差分抽气孔，分割该段与磁铁和靶室的真空。

在两道狭缝之间，设计一组平板静电偏转器，实现束流在XY方向的小角度偏转。两个偏转器前后分布，最大偏转角度1度设计，偏转离子的最大能量按100qkeV设计。静电偏转器如图7所示。

为监测进入实验靶室的束流性能指标，在束线上设计安装了两个法拉弟筒和一个荧光靶。两个法拉弟筒一个放在靶室前的束线上，用于测量进入靶室时的束流大小；另一个安装在二极磁铁真空盒上，测量不经过磁场偏转的束流大小，该法拉弟筒要注意抑制二次电子，防止电子反向加速轰击离子源，抑制极电压按-1kV设计。法拉弟筒如图8所示。模拟显示铜材质法兰弟筒二次电子产率低。荧光靶和靶室前法拉弟筒安装在同一个管道内，利用同一个一维移动机构驱动，位置精度和重复定位精度≤10丝。

本装置可为研究离子与原子、分子和材料表面相互作用过程而提供优质的具有一定能量的稳定的高电荷态离子束。可用于获得加速电压在五千伏到十五万伏高电荷态离子，以及对这些离子进行电荷态选择与束流输运。

附图说明

图1为总体结构示意图。

图2为高压平台示意图。

图3为单透镜示意图。

图4组合光阑示意图。

图5为加速管示意图。

图6 为XY双方向狭缝。

图7 静电偏器。

图8为法拉第筒示意图。

具体实施方式

本发明建立的高电荷态离子实验装置，具体包括：高压平台、隔离变压器、屏蔽室、高电荷态离子源、真空系统、分子泵机组，以及配套的电源、水冷、微波及控制系统，单透镜，组合光阑，电磁铁，平板静电偏转器，两道狭缝，实验靶室。高电荷态离子实验装置总体结构示意如图1。其中：

所述高压平台，最高耐压125 千伏，最高承重500 公斤，有效空间1.5米×1.8米。外形如图2所示。该高压平台包括：一方形平板，用于支撑方形平板的四根高压陶瓷支柱，以及位于方形平板边缘上方的方形围栏；其中，围栏由304装饰钢管构成，钢管的连接处为装饰球，表面抛光无毛刺。钢管直径100毫米，装饰球直径为200毫米。平板支撑在高压陶瓷支柱上，二者之间螺栓连接。为提高平板承重能力，在平板内增加了加强筋。四根立柱使用了电力行业的户外高压陶瓷支柱，爬电距离约1.8米，该支柱在户外恶劣条件下能长期承受63kV高压，机械破坏负荷不小于400公斤/根。

高压平台距离地电位最近的距离为500毫米。计算了平台的高压电场分布，结果显示最大电场约10 千伏/厘米。通常认为1个大气压下空气的击穿电场强度为30千伏/厘米，电场设计具有足够余量。

高压平台由隔离变压器供电，隔离变压器输入220伏，50赫兹的单相电，输出同样是220伏，50赫兹的单相电，功率5千瓦，隔离直流高压125 千伏。隔离变压器选用中科院上海应用物理研究所变压器公司的标准产品，放置在高压平台下部。

高压平台外围安装屏蔽室，骨架使用铝型材，型材中间为不锈钢网，屏蔽室留单开门一扇，门上安装报警灯和限位开关。高压运行时报警灯点亮，门打开时高压切断，起安全连锁功能。屏蔽室墙体距离高压平台不小于500毫米。

高压平台上安装高电荷态离子源、真空系统及配套的电源、水冷、微波及控制系统。离子源采用法国PANTECHNIK公司的14.5 GHz商用电子回旋共振离子源，离子源可以产生高电荷态离子，离子束经过直径6毫米的引出电极流出，获得加速电压为正5-30 千伏。离子源与真空管道相连，并用涡轮分子泵进行抽真空。通常情况是对离子源引出的离子束的电荷态经二级电磁铁进行选择，然后再加速。但如此一来需要把二极磁体安装在平台上，增加了平台的空间和供电要求。为了获得紧凑结构，本发明中不在平台上对离子束进行电荷态分析，而是直接加速。但由此导致一个技术问题，即离子源给出的束流很粗，束流在加速过程中要与真空管道壁碰撞，并产生二次电子，这些电子会在加速电压作用下反向加速，回流到离子源中，对离子源腔体产生破坏作用。为此我们在高压平台上设计了一个单透镜和一套组合光阑，即离子由离子源中引出以后，首先由单透镜进行聚焦，然后在进入加速管之前通过一个组合光阑进行限束。

单透镜采用三圆筒减速单电位透镜。如图3所示。使用时两侧电极筒接地，中间电极处于正高电位，在相邻的圆筒间隙产生旋转对称的电场，对离子产生聚焦作用。因进入单透镜的离子束直径较大，不能按照经典电子离子光学的旁轴理论估算，只能采用描轨迹的方式研究离子束的聚焦性能。通过调整中间电极的电压，可以调节离子束焦点位置。三圆筒单透镜的中间电极长度对焦距影响最大，设计中对其长度进行了优化。中间电极最高电压按+15kV设计，绝缘件选择可加工陶瓷，真空内爬电距离按照1.3kV/mm设计，耐压留足够余量。大束径离子束的边缘离子，以及这些离子轰击电极溅射出来的金属原子和原子团对绝缘件会产生沾污，从而影响绝缘性能。为屏蔽产生沾污的离子和金属原子，在绝缘件外围设计了屏蔽筒，保护绝缘件，提高耐压性能。单透镜的结构如图2所示。

离子源产生的束流可以达到毫安量级，而加速电压也接近30 千伏，意味着阻挡束流的热功率在几十瓦范围。一般的金属光阑很难承受几十瓦的束流的连续轰击，为此本发明中采用三级组合光阑，如图4所示。光阑由无氧铜作支撑座，与真空管道相连，用于导热。在无氧铜支座上安装三级光阑，光阑全部采用金属钼，第一级光阑直径20毫米，第二级光阑直径10毫米，第三极光阑直径6毫米。这样束流经过逐级限制，最终被限制在6毫米以内。同时光阑还起到差分真空的作用，即通过光阑把离子源段真空与加速管段真空隔开，避免加速管段真空变差。

离子源本身对地有30千伏的直流高压，为了进一步提高离子能量，将离子源及其配套系统和离子源出口真空泵机组等放置在125千伏高压平台上，采用等梯度加速管连接高压平台上设备和地电位束流管道。如图5所示。加速管作为绝缘件，耐压性能好，无暗电流，等梯度加速不会引起束流扩散。加速管轴线上的电场不大于25千伏/厘米。加速管为陶瓷和金属钛焊接而成，在各类静电和高压型加速器广泛使用。离子源本身加速电压可以达到正30千伏，在实际使用时，离子源供电电压为5-25 千伏，高压平台提供正电压为0-125千伏，由此可以实现离子束的加速电压为正5-150 千伏，在地电位的束流管道中获得离子的能量为5-150千伏乘以电荷态。必要时对平台施加负电压，以实现对离子束的减速或者引出负离子。

被加速的离子束中包含各种电荷态的离子，而且元素也不纯。为此，本发明中采用二级电磁铁产生磁场，使离子束在磁场中发生偏转，不同质荷比（元素质量与电荷态之比）的离子在磁场中的轨迹不同。通过改变磁体的电流，选择合适的磁场，就可以使目标离子发生90度偏转，而其他质荷比的离子的偏转角度大于或者小于90度。这样目标离子经过一个小孔进入与离子源垂直的束流传输管道中。

离子束经磁体偏转后经过两道狭缝的准直和限束后，被引入实验靶室。前后狭缝的结构是一样的，均为XY双方向狭缝。如图6所示。狭缝材料选择耐轰击的钼，狭缝边缘为刀口，由一对一维平台驱动，真空隔离用焊接波纹管，重复定位精度和位置精度均小于5丝。为防止刀口撞坏，狭缝两刀口位置沿束流方向错开，并在移动机构上加限位。狭缝安装在一段独立的管道内，安装时检测位置精度。前狭缝距离二极磁铁400mm，该处为磁铁焦距。前后狭缝间距为1米，足够长的距离是为了保证束流的准直。两狭缝也兼差分抽气孔，分割该段与磁铁和靶室的真空。

在两道狭缝之间，设计一组平板静电偏转器，实现束流在XY方向的小角度偏转。如图7所示。两个偏转器前后分布，最大偏转角度1度设计，偏转离子的最大能量按100qkeV设计。平板静电偏转器有如下公式：。式中W为粒子动能，U为加速电压，Umax=10⁵V。受偏转器安装管道尺寸的限制，取偏转板长度l=60mm（宽度也取60mm），d=20，结合偏转角度和离子最大能量，得偏转电压为1164 V。用CST 模拟验证了计算结果的正确性。两组极板相互垂直，间距5mm，安装在同一段DN100管道内，接口法兰CF100，材料全部采用304，偏转器方案如图所示。

为监测进入实验靶室的束流性能指标，在束线上设计安装了两个法拉弟筒和一个荧光靶。两个法拉弟筒一个放在靶室前的束线上，用于测量进入靶室时的束流大小；另一个安装在二极磁铁真空盒上，测量不经过磁场偏转的束流大小，该法拉弟筒要注意抑制二次电子，防止电子反向加速轰击离子源，抑制极电压按-1kV设计。如图8所示。模拟显示铜材质法兰弟筒二次电子产率低。荧光靶和靶室前法拉弟筒安装在同一个管道内，利用同一个一维移动机构驱动，位置精度和重复定位精度≤0.01mm。

Claims (7)

1.一种高电荷态离子实验装置，其特征在于，包括：高压平台、隔离变压器、屏蔽室、高电荷态离子源、真空系统、分子泵机组，以及配套的电源、水冷、微波及控制系统，单透镜，组合光阑，电磁铁，平板静电偏转器，两道狭缝，实验靶室；其中：

所述高压平台包括：一方形平板，用于支撑方形平板的四根高压陶瓷支柱，以及位于方形平板边缘上方的方形围栏；

所述隔离变压器用于对高压平台供电；

所述真空系统及分子泵机组，用于产生整个装置工作的高真空条件；

所述屏蔽室安装于高压平台外围；

所述高电荷态离子源、真空系统及配套的电源、水冷、微波及控制系统安装在高压平台上；

在高压平台上设计有一个单透镜和一套组合光阑，即离子由离子源中引出以后，首先由单透镜进行聚焦，然后在进入加速管之前通过一个组合光阑进行限束；

离子源及其配套系统和离子源出口真空泵机组等放置在125千伏高压平台上，采用等梯度加速管连接高压平台上设备和地电位束流管道；

所述电磁铁，采用二级电磁铁，用以产生磁场，使离子束在磁场中发生偏转，通过改变磁体的电流，选择合适的磁场，使目标离子发生90度偏转，而其他质荷比的离子的偏转角度大于或者小于90度；使目标离子经过一个小孔进入与离子源垂直的束流传输管道中；

离子束经磁体偏转后经过前后两道狭缝的准直和限束后，被引入实验靶室；

所述平板静电偏转器，设置在两道狭缝之间，用于实现束流在XY方向的小角度偏转。

2.根据权利要求1所述的高电荷态离子实验装置，其特征在于，所述前后狭缝的结构是一样的，均为XY双方向狭缝，狭缝边缘为刀口，由一对一维平台驱动，真空隔离用焊接波纹管，重复定位精度和位置精度均小于5丝；狭缝两刀口位置沿束流方向错开，并在移动机构上加限位；狭缝安装在一段独立的管道内；前狭缝距离二极磁铁400mm，该处为磁铁焦距；前后狭缝间距为1米，保证束流的准直。

3.根据权利要求1所述的高电荷态离子实验装置，其特征在于，在束线上设计安装有两个法拉弟筒和一个荧光靶；两个法拉弟筒中，一个放在靶室前的束线上，用于测量进入靶室时的束流大小；另一个安装在二极磁铁真空盒上，用于测量不经过磁场偏转的束流大小。

4.根据权利要求1所述的高电荷态离子实验装置，其特征在于，所述组合光阑采用三级组合光阑；光阑由无氧铜作支撑座，与真空管道相连，用于导热。

5. 根据权利要求1所述的高电荷态离子实验装置，其特征在于，所述高压平台，最高耐压125 千伏，最高承重500 公斤，有效空间1.5米×1.8米。

6. 根据权利要求1所述的高电荷态离子实验装置，其特征在于，所述隔离变压器输入220伏，50赫兹的单相电，输出同样是220伏，50赫兹的单相电，功率5千瓦，隔离直流高压125千伏。

7. 根据权利要求1所述的高电荷态离子实验装置，其特征在于，加速管作为绝缘件，等梯度加速不会引起束流扩散；加速管轴线上的电场不大于25千伏/厘米；在实际使用时，离子源供电电压为5-25 千伏，高压平台提供正电压为0-125千伏，由此可以实现离子束的加速电压为正5-150 千伏，在地电位的束流管道中获得离子的能量为5-150千伏乘以电荷态；必要时对平台施加负电压，以实现对离子束的减速或者引出负离子。