CN107749388B - 一种可实现电子束碰撞电离和表面电离的离子源结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可实现电子束碰撞电离和表面电离的离子源结构，属于加速器技术领域，其包括有靶、阴极、阳极、放电室、励磁线圈以及引出电极，其中所述靶、阴极、阳极和引出电极依次水平放置，所述放电室设置在所述阴极和阳极之间，所述励磁线圈布置在所述放电室外围，所述靶、阴极和阳极处于高温工作环境中；该离子源采用一台离子源可实现电子束碰撞电离和表面电离两种电离模式的切换，从而保证离子源对多种核素均具有较高的电离效率，该离子源的效果非常的明显，即减少了离子源研发的费用和放射性废物的产生，又可大幅度的减少离子源的更换频次，提高加速器的运行效率，一台离子源实现了两台离子源的功能。

Description

一种可实现电子束碰撞电离和表面电离的离子源结构
技术领域
本发明涉及加速器技术领域，具体涉及一种可实现电子束碰撞电离和表面电离的离子源结构。
背景技术
加速器通常由离子源、真空系统、束流传输元件、加速段、供电系统以及靶等部分组成。其中，离子源是加速器的源头，它可以实现将原子或者分子粒子电离并加速、引出形成离子束，供加速器后加速并在束流传输元件的控制下，传输到靶上，供物理实验。离子源就电离方式而言，可以分为回旋共振(ECR)离子源、潘宁离子源、电子束碰撞离子源、表面电离离子源，激光电离离子源等。对于放射性核束装置，通常采用高能离子束打靶发生核反应，产生各种放射性核素。核反应产生的粒子非常有限，因此，需要离子源具有较高的电离效率。为此，国际上同类装置通常需要研制多种类型离子源以满足对不同核素高效电离的要求，对于不同的核素，通常需要更换不同的离子源。然而，对于这类装置，离子源会受到很强γ射线和中子辐照，对离子源的材料要求非常苛刻，研制不同的离子源技术难度很大。同时，由于靶及离子源结构材料的活化，实验后，通常离子源会有很强的放射性，人无法靠近离子源，只能通过吊车或者机器人远程操作，因此，离子源更换非常困难。为了减少离子源更换频率，同时适应多种核素的高效率电离，因此对于如何寻找到一种结构简单、稳定可靠且可同时实现表面电离和电子束电离两种电离模式的离子源结构就显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种结构简单、稳定可靠且可实现表面电离和电子束电离两种电离模式的离子源结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种可实现电子束碰撞电离和表面电离的离子源结构，包括有靶、阴极、阳极、放电室、励磁线圈以及引出电极，其中所述靶、阴极、阳极和引出电极依次水平放置，所述放电室设置在所述阴极和阳极之间，所述励磁线圈布置在所述放电室外围，所述靶、阴极和阳极处于高温工作环境中。
进一步，所述引出电极由中间电极和地电极构成。
进一步，所述阴极为采用Ta或W等耐高温材料制作而成。
进一步，所述阳极为采用Ta或Re或Ir等耐高温材料制作而成。
进一步，所述励磁线圈其所生产磁场强度可调。
与现有技术相比，本方案具有以下优点：该离子源采用一台离子源可实现电子束碰撞电离和表面电离两种电离模式的切换，从而保证离子源对多种核素均具有较高的电离效率。该离子源引出电压15kV，引出束流可达数十微安。初步测试结果显示，该离子源对Xe的电离效率可达25％，表面电离产生的钾离子是电子束碰撞电离产生钾离子的10倍。此离子源的阴极和阳极均采用Ta材料，如果换为功函数更高的Ir或者Re，表面电离的电离效率还可以大幅度的提高。因此，该离子源的效果非常的明显，既减少了离子源研发的费用和放射性废物的产生，又可大幅度的减少离子源的更换频次，提高加速器的运行效率，一台离子源实现了两台离子源的功能。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的工作原理结构示意图。
图中的附图标记说明：
1-阴极，2-阳极，3-励磁线圈，4-中间电极，5-地电极，6-电子束，7-放电室，8-离子束。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
参照图1所示，本实施例提供一种可实现电子束碰撞电离和表面电离的离子源结构，该离子源结构包括有靶、阴极1、阳极2、放电室7、励磁线圈3以及引出电极，其中靶、阴极1、阳极2和引出电极依次水平放置，放电室7设置在阴极1和阳极2之间，励磁线圈3布置在放电室7外围，上述靶、阴极1和阳极2处于高温工作环境中。优先地，本实施例中上述引出电极由中间电极4和地电极5构成。阴极1为采用Ta(钽)或W(钨)等耐高温材料制作而成，以便使得其可以在2000℃左右工作，发射数百毫安级电子束6，受到阳极2与阴极1之间的电场加速至数百eV的能量，轰击放电室7的核素，实现电子束碰撞电离。上述阴极1和阳极2为采用功函数较高Ta(钽)或Re(铼)或Ir(铱)等耐高温材料制作而成，当原子或分子与高温的阴极1或者阳极2的表面发生作用时，这些原子或者分子会与阴极1或者阳极2发生表面电离，使其变成带电离子，从而实现表面电离的工作模式。
工作时，本实施中上述离子源结构由靶、阴极1、阳极2、放电室7、励磁线圈3和引出电极组成。高能离子束轰击靶材料会发生核反应产生放射性核素。靶通常工作在2000℃以上，核反应产生的核素会从靶内析出，迁移到阴极1管道内，并进入放电室7。对阴极1施加几百安培的电流进行电阻加热，保持在2000℃左右，使放射性核素高效的传输到放电室7内。由于阴极1处于高温状态，阴极1会发射电子，对阳极筒施加几百伏的正电压，阴极1发射的电子受到阴极1和阳极2之间的电场作用，加速进入放电室7，形成具有几百eV的电子束6，电子束6流强约几百mA。这些电子束6与原子或者分子碰撞，会使之失去一个电子，从而形成离子。受到励磁线圈3产生的轴向磁场的作用，这些电子束6将在放电室7内做螺旋运动，增加碰撞几率，从而提高电离效率。由于电子束6具有数百eV的能量，这种电子束6碰撞电离几乎可以电离所有的核素。但是对于不同的核素，电离效率相差较大，例如，对Xe、Kr等气体元素的电离效率约25％。但是这种电离模式对于固态元素电离效率较低，例如对K的电离效率仅5％左右。本离子源结构可同时实现表面电离，即使阳极筒处于0V或者施加一定的负电压，使阴极1相对于阳极2处于正电位，由于阴极1和阳极2均处于高温工作，在阴极筒和阳极筒表面均可以产生表面电离，调节磁场和阳极2的电压，可以表面电离产生的正离子束传输到引出电极附近，这些离子束8受到引出电极电场的作用，被引出形成离子束。表面离子源对于电离电位较低的碱金属以及近碱金属具有很高的电离效率，特别对于Li、Na、K等碱金属电离效率可高于90％，有的可接近100％。这种结构和工作模式的益处非常明显，在不影响电子束碰撞电离效率的前提下，可以大幅度的提高该离子源对电离电位较低的核素的电离效率，如对钾的电离效率可以从5％提高到好于90％。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种可实现电子束碰撞电离和表面电离的离子源结构，其特征在于：所述离子源结构包括有靶、阴极、阳极、放电室、励磁线圈以及引出电极，其中所述靶、阴极、阳极和引出电极依次水平放置，所述放电室设置在所述阴极和阳极之间，所述励磁线圈布置在所述放电室外围，所述靶、阴极和阳极处于高温工作环境中；其中当对所述阴极进行电阻加热和对所述阳极施加正电压，所述阴极发射的电子进入所述放电室形成电子束，实现电子碰撞电离；当将所述阴极相对于所述阳极处于正电位时，在所述阴极和阳极表面均可以实现产生表面电离。
2.根据权利要求1所述的一种可实现电子束碰撞电离和表面电离的离子源结构，其特征在于：所述引出电极由中间电极和地电极构成。
3.根据权利要求1或2所述的一种可实现电子束碰撞电离和表面电离的离子源结构，其特征在于：所述阴极为采用Ta或W耐高温材料制作而成。
4.根据权利要求1或2所述的一种可实现电子束碰撞电离和表面电离的离子源结构，其特征在于：所述阳极为采用Ta或Re或Ir耐高温材料制作而成。
5.根据权利要求1所述的一种可实现电子束碰撞电离和表面电离的离子源结构，其特征在于：所述励磁线圈其所生产磁场强度可调。
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