CN109195298B - 一种负氢离子的生成装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种负氢离子的生成装置及方法。装置包括：一个扩散腔室，所述扩散腔室下部设置有出气口，所述扩散腔室上部设置有多个放电腔室，每个所述放电腔室上设置有进气口，每个所述放电腔室的外部缠绕有射频线圈，用于射频信号的输入。采用本发明的装置或方法，利用脉冲信号调节射频信号获得脉冲调制射频信号，使多个腔室脉冲放电的优势相互补充，在扩散腔室中获得连续稳定的高密度负氢离子。

Description

一种负氢离子的生成装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体领域，特别是涉及一种负氢离子的生成装置及方法。

背景技术

负氢离子源是磁约束聚变中高功率中性束注入器(NBI)，散裂中子源和强流质子加速器的关键设备。负氢离子源作为以上大科学装置的源头设备，其发展水平很大程度上决定了这些大科学装置的性能。近年来，许多重大应用领域和基础研究领域的发展需求，对负氢离子束的强度和束流功率提出了更高的要求和挑战，例如，针对下一代磁约束聚变装置DEMO的NBI提出7200s的34A负氢离子束流要求，核能材料需要基于兆瓦量级质子(或氘)束流的中子源来模拟强辐照环境，ADS嬗变核废料需要10至20MW的强流质子束等。可以说，强流高密度高占空比负氢离子源，特别是连续工作模式的强流、高密度负氢离子源，是未来科学技术对负氢离子源的新需求和更高挑战，代表着负氢离子源进一步发展的方向。如何进一步提高当前负氢离子源的性能成为负氢离子源进一步发展所需要解决的关键科学和技术问题。

在负氢离子源发展过程中，负氢离子源的持续运行时间、运行期间稳定性、较高的负氢离子束流和束流密度是其发展的关键因素。虽然碱金属(主要是铯)的辅助会较显著地提高离子流强(>100mAcm-2)，但是镀铯的腔室表面或者铯蒸汽的加入会明显缩短负氢离子源的使用寿命，同时碱金属的使用会带来一定的危险。此外，基于体产生机制设计的灯丝放电中，浸没在等离子体中的灯丝受到离子溅射逐渐变细，从而导致离子源连续运行时间较短，并且会影响负氢离子密度的稳定性。本文提出了将射频线圈置于放电腔室外部的射频放电方案，解决了现有技术中不能安全且长时间生成连续高密度、高性能负氢离子的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种负氢离子的生成装置及方法，用来解决现有装置不能安全且长时间生成连续高密度、高性能负氢离子的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种负氢离子的生成装置，所述负氢离子的生成装置包括：一个扩散腔室，所述扩散腔室下部设置有出气口，所述扩散腔室上部设置有多个放电腔室，每个所述放电腔室上设置有进气口，每个所述放电腔室的外部缠绕有射频线圈，所述射频线圈的数量与所述放电腔室的数量相同，第i个所述射频线圈缠绕在第i个所述放电腔室的外部，i∈{2,3,...,n}，n为所述射频线圈和所述放电腔室的数量，n>1。

可选的，所述负氢离子的生成装置还包括射频信号单元和脉冲控制信号单元，所述脉冲控制信号单元用于调节所述射频信号单元中各射频信号的相位。

可选的，所述放电腔室为石英或者陶瓷材质。

可选的，所述扩散腔室为不锈钢材质或铝材质。

可选的，所述放电腔室与所述扩散腔室通过高真空密封连接。

可选的，所述出气口对称分布在所述扩散腔室底部。

可选的，所述进气口与流量计连接。

可选的，所述扩散腔室还设置有气体检测接口，所述气体检测接口与所述扩散腔室通过高真空密封连接。

本发明还提供了一种负氢离子的生成方法，所述方法应用上述负氢离子的生成装置，所述生成方法包括：

利用脉冲信号来调节射频信号生成脉冲调制射频信号，将所述脉冲调制射频信号输入到所述射频线圈单元；所述脉冲调制射频信号满足条件：

式中，n为所述射频线圈和所述放电腔室的数量，n>1；D为脉冲调制射频信号中脉冲的占空比；t₁为第i个所述脉冲调制射频信号的起始时刻，i∈{2,3,...,n}，t₂为第i个所述脉冲调制射频信号的结束时刻；T为所述脉冲调制射频信号的周期长度；

第i个所述射频线圈中输入第i个所述脉冲调制射频信号；

通过所述放电腔室上的所述进气口分别向每个所述放电腔室通入氢气；

所述脉冲调制射频信号产生的射频功率与所述氢气进行辉光放电，在所述扩散腔室中产生负氢离子；

所述负氢离子通过所述扩散腔室的出气口引出。

可选的，所述脉冲调制射频信号利用锁相技术进行相位的固定，构成多源异相脉冲调制射频信号。

可选的，通过调节所述流量计来控制输入所述氢气的流量，所述流量计与所述进气口连接。

可选的，通过所述气体检测接口检测所述扩散腔室中气体的气压、电子浓度以及各种离子的浓度，所述气体检测接口设置在所述扩散腔室上。

根据本发明提供的发明内容，本发明公开了以下技术效果：

本发明利用脉冲调制射频功率信号，在时间上调制电子能量分布的特性，将多个腔室脉冲放电的优势相互补充，在扩散腔室中获得连续稳定的高密度负氢离子，可用于需要连续束流的加速器上，为提高大科学装置的性能提供了基础。且本发明中利用射频线圈放电生成负氢离子，相对于传统负氢离子生成装置中利用灯丝放电，在腔室表面镀铯或者加入铯蒸汽的方法，具有长时间稳定运行、减少离子源受到电极材料溅射损伤、能够进行连续波或者脉冲调制放电的优点。

现有的负氢离子源研究都是单腔室离子源脉冲放电，因此只能引出脉冲负氢离子束流，这使其不能应用在需要连续束流的加速器上。本发明首次提出“多源异相脉冲调制射频放电”的方案来获得连续稳定的高密度负氢离子，采用多源异相脉冲放电的方式，将多个腔室脉冲放电的辉光期和余辉期的优势相互补充，在扩散腔室中获得连续稳定的高密度负氢离子。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明负氢离子生成装置实施例1的结构示意图；

图2为本发明负氢离子生成装置实施例1中负氢离子密度随时间变化示意图；

图3为本发明负氢离子生成装置实施例2的结构示意图；

图4为本发明负氢离子生成装置实施例2中负氢离子密度随时间变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，一种负氢离子的生成装置包括：

一个扩散腔室12，所述扩散腔室12下部设置有出气口，所述扩散腔室12上部设置有多个放电腔室，每个所述放电腔室上设置有进气口，每个所述放电腔室的外部缠绕有射频线圈，所述射频线圈的数量与所述放电腔室的数量相同，第i个所述射频线圈缠绕在第i个所述放电腔室的外部，i∈{2,3,...,n}，n为所述射频线圈和所述放电腔室的数量，n>1。

本发明实施例1中具体为：所述扩散腔室12设有第一出气口10a和第二出气口10b；第一放电腔室13a上设有第一进气口15a，第二放电腔室13b上设有第二进气口15b，所述第一进气口15a和所述第二进气口15b均用于所述氢气的注入；第一射频线圈14a缠绕在第一放电腔室13a的外部，第二射频线圈14b缠绕在第二放电腔室13b的外部；

其中，所述负氢离子的生成装置还包括射频信号单元和脉冲控制信号单元，所述脉冲控制信号单元用于调节所述射频信号单元中各射频信号的相位。

本发明实施例1中射频信号单元采用CSR1310射频功率源，脉冲控制信号单元采用泰克AFG3000多通道信号发生器，两个射频线圈各自对应一个CSR1310射频功率源，两个CSR1310射频功率源共用一个泰克AFG3000多通道信号发生器。还可采用其他型号的功率源和信号发生器，在这里不再一一赘述。

其中，所述第一放电腔室13a、第二放电腔室13b均为石英材质或者均为陶瓷材质。

本发明实施例1中第一放电腔室13a和第二放电腔室13b均采用石英材质。

其中，所述扩散腔室12为不锈钢材质或铝等金属材质，本发明实施例1中扩散腔室12为不锈钢材质。

其中，所述第一放电腔室13a、第二放电腔室13b均与所述扩散腔室12通过高真空密封连接。

其中，所述第一出气口10a和第二出气口10b对称分布在所述扩散腔室12底部，有利于保持装置中气流的平衡。

其中，所述第一进气口15a、第二进气口15b均与流量计连接，通过流量计控制输入的气体流量。

其中，所述扩散腔室12上还设置有气体检测接口11，所述气体检测接口11与扩散腔室12通过高真空密封连接。本发明实施例1中设置有两个气体检测接口11，利用真空气压计通过气体检测接口11检测扩散腔室12中气体的气压、电子浓度以及各种离子的浓度。

本发明还提供了一种负氢离子的生成方法，所述方法应用上述负氢离子的生成装置，所述方法包括：

利用脉冲信号调节射频信号生成脉冲调制射频信号，将所述脉冲调制射频信号输入到所述射频线圈单元；

所述脉冲调制射频信号满足以下条件：

式中，n为所述射频线圈和所述放电腔室的数量，n>1；D为脉冲调制射频信号中脉冲的占空比；t₁为第i个所述脉冲调制射频信号的起始时刻，i∈{1,2,3,...,n}，t₂为第i个所述脉冲调制射频信号的结束时刻；T为所述脉冲调制射频信号的周期长度；所述周期长度T为50us-1000us，但不限于此范围。

第i个所述射频线圈中输入第i个所述脉冲调制射频信号；

根据上述条件，本发明实施例1中射频线圈和放电腔室的数量n＝2，脉冲调制射频信号中脉冲的占空比D＝1/2，第i个所述脉冲调制射频信号的起始时刻t₁＝T/2*(i-1)，i∈{1,2}，第i个所述脉冲调制射频信号的结束时刻t₂＝T/2*(i-1)+T，T为所述脉冲调制射频信号的周期长度。在第一射频线圈中输入第一脉冲调制射频信号，在第二射频线圈中输入第二脉冲调制射频信号；通过所述放电腔室上的所述进气口分别向每个所述放电腔室通入氢气；

其中，所述脉冲调制射频信号产生的射频功率与所述氢气进行辉光放电，在所述扩散腔室中产生负氢离子，具体为：

氢气与所述脉冲调制射频功率信号耦合生成电量大于15eV的高能电子和电量小于1eV的低能电子；所述高能电子和所述低能电子扩散到所述扩散腔室中，所述高能电子将所述氢气中处于基态的氢分子激发到振动激发态氢分子，所述振动激发态氢分子与所述低能电子发生解离吸附反应生成负氢离子；

所述脉冲调制射频功率信号在一个脉冲周期中，分为辉光期和余辉期，所述辉光期所述脉冲调制射频功率信号产生的射频功率耦合进氢气等离子体，所述余辉期所述脉冲调制射频功率信号产生的射频功率停止向氢气等离子体中耦合；

在所述辉光期，所述高能电子产生高振动激发态氢分子；在所述余辉期，所述低能电子和所述高振动激发态氢分子发生吸附解离产生负氢离子。

如图2所示，在第一射频线圈14a中输入第一脉冲调制射频信号PS1，在第二射频线圈14b中输入第二脉冲调制射频信号PS2；第一脉冲调制射频信号PS1单独工作时产生的负氢离子浓度为1n_H-，第二脉冲调制射频信号PS2单独工作时产生的负氢离子浓度为2n_H-，整个负氢离子生成装置工作时扩散腔室中产生连续稳定的负氢离子浓度为n_H-。

本发明实施例1中利用泰克AFG3000信号发生器控制CSR1310射频功率源生成脉冲调制射频信号PS1和PS2，在扩散腔室中产生了浓度为10⁹-10¹⁰cm^-3的负氢离子。

本发明实施例1中脉冲调制射频功率信号使其中一个放电腔室处于辉光期时，另一个放电腔室处于余辉期，两个腔室互补，产生连续的、高密度的负氢离子。

其中，所述负氢离子通过所述扩散腔室的出气口引出。

其中，所述脉冲调制射频信号利用锁相技术进行相位的固定，构成多源异相脉冲调制射频信号。

通过调节所述流量计来控制输入所述氢气的流量，所述流量计与所述进气口连接，具体为：第一流量计与所述第一进气口15a连接，所述第一流量计控制第一进气口15a处的流量；第二流量计与所述第二进气口15b连接，所述第二流量计控制第二进气口15b处的流量。

本发明实施例1中采用七星多通道流量控制器来控制两个D07-19B型号质量流量计以保证进气口输入氢气的量。也可以采用其他控制装置控制氢气的输入，在这里不再一一赘述。

其中，通过气体检测接口检测所述扩散腔室12中气体的气压、电子浓度以及各种离子的浓度，并记录结果，所述气体检测接口11设置在所述扩散腔室12上。本发明实施例中设置有一个气体检测接口11，利用真空气压计通过气体检测接口11检测扩散腔室12中气体的气压、电子浓度以及各种离子的浓度。

实施例2

如图3所示，一种负氢离子的生成装置包括：

一个扩散腔室22，所述扩散腔室22下部设置有出气口，所述扩散腔室22上部设置有多个放电腔室，每个所述放电腔室上设置有进气口，每个所述放电腔室的外部缠绕有射频线圈，所述射频线圈的数量与所述放电腔室的数量相同，第i个所述射频线圈缠绕在第i个所述放电腔室的外部，i∈{2,3,...,n}，n为所述射频线圈和所述放电腔室的数量，n>1。

本发明实施例2中具体为：

所述扩散腔室22设有第一出气口20a和第二出气口20b；

第一放电腔室23a上设有第一进气口25a，第二放电腔室23b上设有第二进气口25b，第三放电腔室23c上设有第三进气口25c，所述第一进气25a口、所述第二进气口25b和所述第三进气口25c均用于所述氢气的注入；

第一射频线圈24a缠绕在第一放电腔室23a的外部，第二射频线圈24b缠绕在第二放电腔室23b的外部，第三射频线圈24c缠绕在第三放电腔室23c的外部；

其中，所述负氢离子的生成装置还包括射频信号单元和脉冲控制信号单元，所述脉冲控制信号单元用于调节所述射频信号单元中各射频信号的相位。

本发明实施例2中射频信号单元采用WSPS-13.56-1000射频功率源，脉冲控制信号单元采用AWG5200多通道信号发生器，三个射频线圈各自对应一个WSPS-13.56-1000射频功率源，三个WSPS-13.56-1000射频功率源共用一个AWG5200多通道信号发生器。还可采用其他型号的功率源和信号发生器，在这里不再一一赘述。

其中，所述第一放电腔室23a、第二放电腔室23b、第三放电腔室23c均为石英材质或者均为陶瓷材质。

本发明实施例2中第一放电腔室23a、第二放电腔室23b、第三放电腔室23c均为陶瓷材质

其中，所述扩散腔室22为不锈钢材质或铝等金属材质，本发明实施例2中扩散腔室12为铝金属材质。

其中，所述第一放电腔室23a、第二放电腔室23b、第三放电腔室23c均与所述扩散腔室22通过高真空密封连接。

其中，所述第一出气口20a和第二出气口20b对称分布在所述扩散腔室22底部，有利于保持装置中气流的平衡。

其中，所述第一进气口25a、第二进气口25b、第三进气口25c、均与流量计连接，通过流量计控制输入的气体流量。

其中，所述扩散腔室22上还设置有第一气体检测接口21a、第二气体检测接口21b、第三气体检测接口21c。

本发明还提供了一种负氢离子的生成方法，所述方法应用上述负氢离子的生成装置，所述方法包括：

利用脉冲信号调节射频信号生成脉冲调制射频信号，将所述脉冲调制射频信号输入到所述射频线圈单元；

所述脉冲调制射频信号满足以下条件：

式中，n为所述射频线圈和所述放电腔室的数量，n>1；D为脉冲调制射频信号中脉冲的占空比；t₁为第i个所述脉冲调制射频信号的起始时刻，i∈{1,2,3,...,n}，t₂为第i个所述脉冲调制射频信号的结束时刻；T为所述脉冲调制射频信号的周期长度；所述周期长度T为50us-1000us，但不限于此范围。

第i个所述射频线圈中输入第i个所述脉冲调制射频信号；

根据上述条件，本发明实施例2中放电腔室的个数n＝3，脉冲调制射频信号的占空比D＝1/3，第i个所述脉冲调制射频信号的脉冲起始时刻t＝T/3*(i-1)，i∈{1,2,3}，T为所述脉冲调制射频信号的脉冲长度；在第一射频线圈中输入第一脉冲调制射频信号，在第二射频线圈中输入第二脉冲调制射频信号，在第三射频线圈中输入第三脉冲调制射频信号；通过所述放电腔室上的所述进气口分别向每个所述放电腔室通入氢气；

其中，所述脉冲调制射频信号产生的射频功率与所述氢气进行辉光放电，在所述扩散腔室中产生负氢离子，具体为：

氢气与所述脉冲调制射频功率信号耦合生成电量大于15eV的高能电子和电量小于1eV的低能电子；所述高能电子和所述低能电子扩散到所述扩散腔室中，所述高能电子将所述氢气中处于基态的氢分子激发到振动激发态氢分子，所述振动激发态氢分子与所述低能电子发生解离吸附反应生成负氢离子；

所述脉冲调制射频功率信号在一个脉冲周期中，分为辉光期和余辉期，所述辉光期所述脉冲调制射频功率信号产生的射频功率耦合进氢气等离子体，所述余辉期所述脉冲调制射频功率信号产生的射频功率停止向氢气等离子体中耦合；

在所述辉光期，所述高能电子产生高振动激发态氢分子；在所述余辉期，所述低能电子和所述高振动激发态氢分子发生吸附解离产生负氢离子。

如图4所示，在第一射频线圈24a中输入第一脉冲调制射频信号PS1，在第二射频线圈24b中输入第二脉冲调制射频信号PS2，在第三射频线圈24c中输入第三脉冲调制射频信号PS3；第一脉冲调制射频信号PS1单独工作时产生的负氢离子浓度为1n_H-，第二脉冲调制射频信号PS2单独工作时产生的负氢离子浓度为2n_H-，第三脉冲调制射频信号PS3单独工作时产生的负氢离子浓度为3n_H-，整个装置工作时扩散腔室中产生连续稳定的负氢离子浓度为n_H-。

本发明实施例2中利用AWG5200多通道信号发生器控制WSPS-13.56-1000射频功率源生成脉冲调制射频信号PS1、PS2和PS3，在扩散腔室22中产生了浓度为10¹⁰-10¹¹cm^-3的负氢离子。

本发明实施例2中脉冲调制射频功率信号使其中一个放电腔室处于辉光期时，另外两个放电腔室处于余辉期，三个腔室互补，产生连续的、高密度的负氢离子。

其中，所述负氢离子通过所述扩散腔室的出气口引出。

其中，所述脉冲调制射频信号利用锁相技术进行相位的固定，构成多源异相脉冲调制射频信号。

通过调节所述流量计来控制输入所述氢气的流量，所述流量计与所述进气口连接，具体为：第一流量计与所述第一进气口25a连接，所述第一流量计控制第一进气口25a处的流量；第二流量计与所述第二进气口25b连接，所述第二流量计控制第二进气口25b处的流量；第三流量计与所述第三进气口25c连接，所述第二流量计控制第二进气口25b处的流量。

本发明实施例2中采用七星多通道流量控制器来控制三个D07-19B型号质量流量计以保证进气口输入氢气的量。也可以采用其他控制装置控制氢气的输入，在这里不再一一赘述。

其中，通过气体检测接口检测所述扩散腔室22中气体的气压、电子浓度以及各种离子的浓度，分别通过第一气体检测接口21a、第二气体检测接口21b、第三气体检测接口21c检测所述扩散腔室22中的气体，并记录结果，所述气体检测接口设置在所述扩散腔室22上。本发明实施例2中设置有三个气体检测接口，利用真空气压计通过气体检测接口检测扩散腔室22中气体的气压、电子浓度以及各种离子的浓度。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种负氢离子的生成装置，其特征在于，所述负氢离子的生成装置包括：一个扩散腔室，所述扩散腔室下部设置有出气口，所述扩散腔室上部设置有多个放电腔室，每个所述放电腔室上设置有进气口，每个所述放电腔室的外部缠绕有射频线圈，所述射频线圈的数量与所述放电腔室的数量相同，第i个所述射频线圈缠绕在第i个所述放电腔室的外部，i∈{2,3,...,n}，n为所述射频线圈和所述放电腔室的数量，n>1；

所述负氢离子的生成装置还包括射频信号单元和脉冲控制信号单元，所述脉冲控制信号单元用于调节所述射频信号单元中各射频信号的相位；

利用脉冲信号来调节射频信号生成脉冲调制射频信号，将所述脉冲调制射频信号输入到所述射频线圈中，所述脉冲调制射频信号满足条件：

式中，n为所述射频线圈和所述放电腔室的数量，n>1；D为所述脉冲调制射频信号中脉冲的占空比；t₁为第i个所述脉冲调制射频信号的起始时刻，i∈{2,3,...,n}；t₂为第i个所述脉冲调制射频信号的结束时刻，T为所述脉冲调制射频信号的周期长度；第i个所述射频线圈中输入第i个所述脉冲调制射频信号；通过所述放电腔室上的所述进气口分别向每个所述放电腔室通入氢气；所述脉冲调制射频信号产生的射频功率与所述氢气进行辉光放电反应，在所述扩散腔室中产生负氢离子；所述负氢离子通过所述扩散腔室的所述出气口引出；

脉冲调制射频信号利用锁相技术进行相位的固定，构成多源异相脉冲调制射频信号。

2.根据权利要求1所述的负氢离子的生成装置，其特征在于，所述放电腔室为石英或者陶瓷材质。

3.根据权利要求1所述的负氢离子的生成装置，其特征在于，所述扩散腔室为不锈钢材质或铝材质。

4.根据权利要求1所述的负氢离子的生成装置，其特征在于，所述放电腔室与所述扩散腔室通过高真空密封连接。

5.根据权利要求1所述的负氢离子的生成装置，其特征在于，所述出气口对称分布在所述扩散腔室底部。

6.根据权利要求1所述的负氢离子的生成装置，其特征在于，所述进气口与流量计连接。

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