CN109216151A - 一种内置天线式高频离子源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种内置天线式高频离子源装置。该装置包括进气端子、天线、磁场线包、磁体、引出件、第一导磁固定板、第二导磁固定板、第三固定板、放电腔；其中，该进气端子连接第三固定板上，该天线套在第三固定板上，且放置在放电腔内；该放电腔的前端套设有第一导磁固定板；该第一导磁固定板和第二导磁固定板的相应位置镶嵌有磁体；贴着该第一导磁固定板缠绕磁性线包；该磁性线包的另一侧设置第二导磁固定板，该第二导磁固定板内设有引出件。本发明装置克服了高频信号对电源和控制系统的干扰，并保证较高单原子离子比。
Description
技术领域
本发明属于离子加速器驱动的中子源技术领域，尤其是涉及一种内置天线式高频离子源装置。
背景技术
基于氘氘(D-D)和氘氚(D-T)聚变反应的加速器中子源是重要的单能快中子源，可广泛应用于中子活化分析、中子照相、爆炸物检测、硼中子俘获治疗等各个方面。与美国相比，国内的加速器中子源中子产额偏低，还不能完全很好地满足如上所述的中子应用技术开发的实际需要，因此提高中子产额不仅对与中子相关的科学研究十分重要，而且对加速器中子源在工业和医疗方面的应用推广也十分重要。
在加速器中子源中，离子源技术是一项关键技术，离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。离子源直接影响着加速器中子源的中子产额指标，研究表明，使用D单原子束流能显著提高中子的比产额，即单位mA束流的中子产额。目前常用的离子源有ECR离子源、双离子体离子源、高频离子源。ECR离子源的单原子离子比可以超过80％，但ECR离子源需要较复杂的微波系统，成本较高；双等离子体离子源虽然成本相对低，但单原子离子比一般仅有50％；传统使用石英玻璃放电腔和外置天线的高频离子源也具有高达80％的单原子离子比，但是外置天线向外辐射的高频信号不仅会对加速器中子源的电源及计算机控制系统造成干扰，而且会导致向石英玻璃放电腔中馈入的高频功率效率下降，此外，天线外置式高频离子源的最大束流强度一般小于3mA，不能满足高产额加速器中子源对靶上束流的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内置天线式高频离子离子源装置，克服了传统高频离子源天线外置导致的高频信号对电源和控制系统的干扰，旨在使离子源产生较高单原子离子比的同时，能够保证放电腔内的高频效率，从而产生特殊磁场分布。
本发明是这样实现的，一种内置天线式高频离子源装置，该装置包括进气端子、天线、磁场线包、磁体、引出件、第一导磁固定板、第二导磁固定板、第三固定板、放电腔；该磁体包括第一磁体和第二磁体；该引出件具有与第二导磁固定板相适应的插入部分和周向向外延伸的外沿部，且具有从外沿部分沿插入部延伸的内锥面，且该内锥面的顶点位于插入部内部，且其插入部的中心设有第一小孔；该第一导磁固定板的中心设有第一开孔，且在靠近该第一开孔的一侧设有若干第一凹槽；该第二导磁固定板的中心设有第二开孔，且在靠近该第二开孔的一侧设有若干第二凹槽；该第三固定板的中心设有第二小孔，且在靠近该第二小孔的一侧设有若干第三开孔；其中，
该进气端子连接第三固定板的第二小孔，该天线套在该第三固定板的第三开孔上，且放置在该放电腔内；该放电腔的前端套设有第一导磁固定板；该第一导磁固定板的第一凹槽内镶嵌有第一磁体，且贴着该第一导磁固定板缠绕磁性线包；该磁性线包的另一侧设置第二导磁固定板，该第二导磁固定板的第二凹槽内镶嵌第二磁体，且该第二导磁固定板的第二开孔内设有引出件。
优选地，该第一和第二导磁固定板是法兰，且第二导磁固定板远离第二凹槽的一侧的两端部设有若干第一固定孔，在该第一固定孔的内侧设有周向延伸的第一密封槽，且在该第一密封槽的内侧设有周向延伸的第一凸起，在该第一凸起的内侧设有若干第二固定孔；该第三固定板的中心具有与放电腔相适应的第二凸起，且该第二凸起的外侧设有周向延伸的第二密封槽。
优选地，该天线采用金属管，并设置成具有两端的直线部分和中部的螺旋缠绕部分。
优选地，该天线采用铜管，且处于放电腔中的天线铜管外表面涂有薄绝缘材料层，且该天线通过绝缘陶瓷安装在第三固定板的第三开孔上。
优选地，该放电腔为两端开口的筒体结构，且该放电腔靠近第三固定板一端的侧壁外侧设有沿远离轴心方向延伸的冷却液入口，并在其对称位置设有沿远离轴心方向延伸的冷却液出口，该放电腔的侧壁上设有若干第一冷却槽；在该第二导磁固定板的第二凹槽的内侧设有沿轴向延伸的第二冷却槽，且该第二冷却槽再沿轴心方向延伸至第二开孔；该冷却液入口和出口与若干第一冷却槽、第二冷却槽流体连通；该天线的金属管内设有贯穿整个金属管的冷却通孔。
优选地，该第一凹槽和第二凹槽具有完全相同的中心对称分布。
优选地，该第一磁体和第二磁体是结构和性能相同的永久磁体，且该第一磁体和第二磁体依次按极性相反的次序镶嵌在第一凹槽和第二凹槽内。
优选地，该第二导磁固定板的第一密封槽和第三固定板的第二密封槽内均设有闭合环形密封圈。
优选地，该装置外部套设有屏蔽罩，该屏蔽罩为筒体结构，该筒体结构的一端是封闭的，而另一端具有沿远离轴心方向延伸的边沿，且该屏蔽罩的内部尺寸与第一导磁固定板相适应。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将天线内置在离子源中，减小了整个装置的体积，在应用上更为方便；
(2)克服了高频信号对电源和控制系统的干扰；
(3)使放电腔中馈入的高频效率得到保持。
附图说明
图1是本发明内置天线式高频离子源结构的透视图；
图2是本发明第一导磁固定板在充磁状态下的正视图；
图3是本发明第二导磁固定板在充磁状态下的正视图；
图4是本发明的放电腔沿轴向(a)和沿径向(b)的磁场分布图，其中：
1-进气端子；2-天线；3-冷却液入口；4-磁场线包；5-磁体；6-引出件；7-冷却液出口；8-第一导磁固定板；9-第二导磁固定板；10-闭合环形密封圈；11-屏蔽罩；12-第三固定板；13-绝缘陶瓷；14-放电腔；15-第一固定孔；16-第二固定孔。
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，以下结合附图及实施例对本发明的装置作进一步地详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～4所示，图1是本发明内置天线式高频离子源结构的透视图；图2是本发明第一导磁固定板8在充磁状态下的正视图；图3是本发明第二导磁固定板9在充磁状态下的正视图；图4是本发明的放电腔14沿轴向(a)和沿径向(b)的磁场分布图。
本发明公开了一种内置天线式高频离子源装置，该装置包括进气端子1、天线2、磁场线包4、磁体5、引出件6、第一导磁固定板8、第二导磁固定板9、第三固定板12、放电腔14；该磁体5包括第一磁体5和第二磁体5；该引出件6具有与第二导磁固定板9相适应的插入部分和周向向外延伸的外沿部，且具有从外沿部分沿插入部延伸的内锥面，且该内锥面的顶点位于插入部内部，且其插入部的中心设有第一小孔；该第一导磁固定板8的中心设有第一开孔，且在靠近该第一开孔的一侧设有若干第一凹槽；该第二导磁固定板9的中心设有第二开孔，且在靠近该第二开孔的一侧设有若干第二凹槽；该第三固定板的中心设有第二小孔，且在靠近该第二小孔的一侧设有若干第三开孔；其中，
该进气端子1连接第三固定板12的第二小孔，且该天线2套在该第三固定板12的第三开孔上，且放置在该放电腔14内；该放电腔14的前端套设有第一导磁固定板8；该第一导磁固定板8的第一凹槽内镶嵌有第一磁体5，且贴着该第一导磁固定板8缠绕磁性线包；该磁性线包的另一侧设置第二导磁固定板9，该第二导磁固定板9的第二凹槽内镶嵌有第二磁体5，且该第二导磁固定板9的第二开孔内设有引出件6。
在本发明的实施例中，为了使结构密封性更好，该第一导磁固定板8和第二导磁固定板9是法兰，且第二导磁固定板9远离第二凹槽的一侧的两端部设有若干第一固定孔15，在该第一固定孔15的内侧设有周向延伸的第一密封槽，且在该第一密封槽的内侧设有周向延伸的第一凸起，在该第一凸起的内侧设有若干第二固定孔16；该第三固定板12的中心具有与放电腔14相适应的第二凸起，且该第二凸起的外侧设有周向延伸的第二密封槽；该第二导磁固定板9的第一密封槽和第三固定板12的第二密封槽内均设有闭合环形密封圈10。
在本发明的实施例中，为了方便天线2内置在放电腔14内，该天线2采用金属管，并设置成具有两端的直线部分和中部的螺旋缠绕部分。
在本发明的实际应用过程中，将引起端子连接在第三固定板12的第二小孔上，天线2的两端插入到第三固定板12的第三开孔中，并在第三固定板12的第二密封槽内放置闭合环形密封圈10，使结构的密封性更好，将第三固定板12连同天线2插入到放电腔14内，使第三固定板12的第二凸起正好卡在放电腔14的端部；将第一磁体5和第二磁体5分别镶嵌在第一导磁固定板8的第一凹槽和第二导磁固定板9的第二凹槽内，将第一导磁固定板8从放电腔14的远离第三固定板12的一端套入固定在靠近冷却液出入口的一侧；紧贴第一导磁固定板8缠绕上磁场线包4；再紧贴磁场线包4将第二导磁固定板9固定在放电腔14上；将引出件6的插入部插入到第二导磁固定板9的第二开孔内，并在第一密封槽内放置闭合环形密封圈10，最后通过第一固定孔15和第二固定孔16连接到后端的测试仪器上。安装完成后，根据需要设置磁场线包4电流的大小，开启该装置，使中性原子或分子束通过第三固定板12的第二小孔进入放电腔14，由于第一磁体5、磁场线包4、以及第二磁体5的结构使放电腔14内产出特殊分布的磁场，并且在天线2和磁场的双重作用下得到高质量的高频等离子体，从而使引出件6的第一小孔获得高比例的单原子离子束流输出。
本发明将天线2内置在离子源中，减小了整个装置的体积，在应用上更为方便；且该装置克服了高频信号对电源和控制系统的干扰；同时使放电腔14中馈入的高频效率得到保持。
在本发明的进一步实施例中，为了使天线2的效率更高，并提高天线2的使用寿命，该天线2采用铜管，且处于放电腔14中的天线2铜管外表面涂有薄绝缘材料层，这样可以减小天线2铜管因等离子体回轰受到的损伤，实际上提高了天线2的使用寿命；且该天线2通过绝缘陶瓷13利用陶瓷金属封接工艺安装在第三固定板12的第三开孔上。这样有效保护了铜管不受损伤。
在本发明的进一步实施例中，为了实现腔体的良好冷却，该放电腔14为两端开口的筒体结构，且该放电腔14靠第三固定板12一端的侧壁外侧设有沿远离轴心方向延伸的冷却液入口3，并在其对称位置设有沿远离轴心方向延伸的冷却液出口7，该放电腔14的侧壁上设有若干第一冷却槽；在该第二导磁固定板9的第二凹槽的内侧设有沿轴向延伸的第二冷却槽，且该第二冷却槽再沿轴心方向延伸至第二开孔；该冷却液入口3和出口与若干第一冷却槽、第二冷却槽流体连通；该天线2的金属管内设有贯穿整个金属管的冷却通孔。在实际应用过程中，冷却液不断从天线2的冷却液入口3进入天线2的金属管内，再从另一端的冷却液出口7流出；同时另一部分冷却液从放电腔14的冷却液入口3进入第一冷却槽，并在填满所有第一冷却槽后进入第二导磁固定板9的第二冷却槽中，并最后从放电腔14的冷却液出口7流出，两路冷却系统同时运行可以实现放电腔14的良好降温，从而使离子源装置内部更加稳定可靠。
在本发明的进一步实施例中，为了得到特殊的磁场分布，该第一凹槽和第二凹槽具有完全相同的中心对称分布；该第一磁体5和第二磁体5是结构和性能相同的永久磁体5，且该第一磁体5和第二磁体5依次按极性相反的顺序镶嵌在第一凹槽和第二凹槽内，在实际使用过程中，该特殊设置的第一磁体5和第二磁体5在磁场线包4的共同作用下形成满足需要的特殊磁场分布，从而得到高密度等离子体。
在本发明的进一步实施例中，为了进一步减少干扰信号，该装置外部套设有屏蔽罩11，该屏蔽罩11为筒体结构，该筒体结构的一端是封闭的，而另一端具有沿远离轴心方向延伸的边沿，且该屏蔽罩11的内部尺寸与第一导磁固定板8相适应。在实际使用过程中，该屏蔽罩11可以进一步减少放电腔14内高频信号对外部电源及计算机系统等外部设备的干扰，同时也减少外部信号进入离子源装置干扰到腔体内的信号。
在本发明的进一步实施例中，为了使整个结构紧凑合理，并得到更为理想的单原子离子比，更具体地，放电腔14、第一导磁固定板8、第二导磁固定板9、第三固定板12垂直于轴心的截面均为圆形，放电腔14采用不锈钢材料，其内径为100mm，长约120mm，腔体壁厚约15mm；第一导磁固定板8和第三导磁固定板均为不锈钢法兰，其上各设有12个第一凹槽和12个第二凹槽，凹槽内镶嵌有相应的永久磁体5；该天线2是采用铜管绕制的高频天线2，且铜管的外径为8mm，内径为6mm；该第三固定板12采用固定法兰。更具体地，高频电源馈入10～40MHz的高频信号，第一导磁固定板8的外围部分形成磁轭，在后端系统检测得到如图2所示的充磁方向，第二导磁固定板9的外围部分形成磁轭，在后端系统检测得到如图3所示的充磁方向，并最终测得如图4该的特殊磁场方向，从而实现高密度的等离子体。
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 (9)
1.一种内置天线式高频离子源装置，其特征在于，该装置包括进气端子、天线、磁场线包、磁体、引出件、第一导磁固定板、第二导磁固定板、第三固定板、放电腔；所述磁体包括第一磁体和第二磁体；所述引出件具有与第二导磁固定板相适应的插入部分和周向向外延伸的外沿部，且具有从外沿部分沿插入部延伸的内锥面，且所述内锥面的顶点位于插入部内部，且其插入部的中心设有第一小孔；所述第一导磁固定板的中心设有第一开孔，且在靠近所述第一开孔的一侧设有若干第一凹槽；所述第二导磁固定板的中心设有第二开孔，且在靠近所述第二开孔的一侧设有若干第二凹槽；所述第三固定板的中心设有第二小孔，且在靠近所述第二小孔的一侧设有若干第三开孔；其中，
所述进气端子连接第三固定板的第二小孔，所述天线套在所述第三固定板的第三开孔上，且放置在所述放电腔内；所述放电腔的前端套设有第一导磁固定板；所述第一导磁固定板的第一凹槽内镶嵌有第一磁体，且贴着所述第一导磁固定板缠绕磁性线包；所述磁性线包的另一侧设置第二导磁固定板，所述第二导磁固定板的第二凹槽内镶嵌第二磁体，且所述第二导磁固定板的第二开孔内设有引出件。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二导磁固定板是法兰，且第二导磁固定板远离第二凹槽的一侧的两端部设有若干第一固定孔，在所述第一固定孔的内侧设有周向延伸的第一密封槽，且在所述第一密封槽的内侧设有周向延伸的第一凸起，在所述第一凸起的内侧设有若干第二固定孔；所述第三固定板的中心具有与放电腔相适应的第二凸起，且所述第二凸起的外侧设有周向延伸的第二密封槽。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述天线采用金属管，并设置成具有两端的直线部分和中部的螺旋缠绕部分。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述天线采用铜管，且处于放电腔中的天线铜管外表面涂有薄绝缘材料层，且所述天线通过陶瓷材料安装在第三固定板的第三开孔上。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放电腔为两端开口的筒体结构，且所述放电腔靠近第三固定板一端的侧壁外侧设有沿远离轴心方向延伸的冷却液入口，并在其对称位置设有沿远离轴心方向延伸的冷却液出口，所述放电腔的侧壁上设有若干第一冷却槽；在所述第二导磁固定板的第二凹槽的内侧设有沿轴向延伸的第二冷却槽，且所述第二冷却槽再沿轴心方向延伸至第二开孔；所述冷却液入口和出口与若干第一冷却槽、第二冷却槽流体连通；所述天线的金属管内设有贯穿整个金属管的冷却通孔。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽具有完全相同的中心对称分布。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一磁体和第二磁体是结构和性能相同的永久磁体，且所述第一磁体和第二磁体依次按极性相反的次序镶嵌在第一凹槽和第二凹槽内。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二导磁固定板的第一密封槽和第三固定板的第二密封槽内均设有环形密封圈。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置外部套设有屏蔽罩，所述屏蔽罩为筒体结构，所述筒体结构的一端是封闭的，而另一端具有沿远离轴心方向延伸的边沿，且所述屏蔽罩的内部尺寸与第一导磁固定板相适应。
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|---|---|---|---|---|
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