CN109786205B - 电子回旋共振离子源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电子回旋共振离子源，用于产生离子束流，该电子回旋共振离子源包括永磁体装置、与所述永磁体装置的一端连接的注入装置及与所述永磁体装置另一端连接的引出装置，所述永磁体装置包括依次连接的注入磁环、六极磁环及引出磁环，所述注入磁环和所述引出磁环共同提供轴向约束磁场，所述六极磁环提供径向六极磁场。

Description

电子回旋共振离子源

技术领域

本发明涉及离子加速器领域，特别涉及一种应用于离子加速器的电子回旋共振离子源。

背景技术

随着技术的不断发展，离子源作为引出离子束流的装置，已广泛应用于各种类型的离子加速器、离子注入机、离子推进器等电子设备。其中，电子回旋共振离子源的应用较为成熟。然而，现有技术中，小型电子回旋共振离子源由于其体积较小，所获得的磁场较弱，难以实现强流中低电荷态甚至较高电荷态离子的产生，因此其性能较低。

发明内容

鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种电子回旋共振离子源。

本发明提供一种电子回旋共振离子源，用于产生离子束流，该电子回旋共振离子源包括永磁体装置、与所述永磁体装置的一端连接的注入装置及与所述永磁体装置另一端连接的引出装置，所述永磁体装置包括依次连接的注入磁环、六极磁环及引出磁环，所述注入磁环和所述引出磁环共同提供轴向约束磁场，所述六极磁环提供径向六极磁场。

根据一些实施方式，所述注入磁环的靠近所述六极磁环的端面为第一端面，所述第一端面为平面，所述六极磁环的靠近所述注入磁环的端面为第二端面，所述第二端面平面，所述六极磁环的靠近所述引出磁环的端面为第三端面，所述第三端面为斜面，所述引出磁环的靠近六极磁环的一端设有第四斜面，所述第二端面与所述第一端面相配合，第四斜面与所述第三端面相配合。

根据一些实施方式，所述第三端面的倾斜角度为60度。

根据一些实施方式，所述永磁体装置还包括壳体、套筒、注入端法兰及引出端法兰，所述壳体套设于所述注入磁环、所述六极磁环及所述引出磁环的外部，所述套筒套设于所述壳体的外部，所述注入端法兰及引出端法兰分别设置于所述套筒的两端。

根据一些实施方式，所述注入装置包括等离子体弧腔、注入组件、馈入波导、负偏压绝缘穿墙件、负偏压盘及锥形铁轭，所述等离子体弧腔包括法兰及与所述法兰连接的腔体，所述法兰与所述注入端法兰连接，所述腔体嵌设于所述注入磁环、所述六极磁环及所述引出磁环的内部，所述注入组件与所述等离子体弧腔的法兰连接，所述注入组件包括与所述等离子体弧腔的腔体连通的管路，所述馈入波导与注入组件连接，并穿过所述注入组件与所述等离子体弧腔的腔体连通，所述负偏压绝缘穿墙件与所述注入组件连接，并穿过所述注入组件与所述等离子体弧腔的腔体连通，所述负偏压盘设置于所述等离子体弧腔的腔体内，并与所述负偏压绝缘穿墙件的一端连接，所述锥形铁轭设置于所述等离子体弧腔的腔体内，并靠近于所述注入端法兰的这一端。

根据一些实施方式，所述引出装置包括铁等离子体电极、陶瓷筒、引出地电极及绝缘拉杆，所述等离子体电极设置于所述等离子体弧腔的腔体内，并靠近于所述引出端法兰的这一端，所述陶瓷筒一端与所述引出端法兰连接，另一端与所述引出地电极连接，所述引出地电极通过所述陶瓷筒与所述引出端法兰绝缘连接，所述引出地电极的一端与所述等离子体弧腔的腔体连通，所述绝缘拉杆设置于所述陶瓷筒外部，所述绝缘拉杆一端与所述引出端法兰连接，另一端与所述引出地电极连接。

根据一些实施方式，所述电子回旋共振离子源还包括绝缘支架，所述绝缘支架设置于所述套筒的下方，并与所述套筒连接。

根据一些实施方式，所述注入磁环按照圆周角度等分为多个大小相等的扇形磁块，所述每个扇形磁块的充磁方向沿着半径向外。

根据一些实施方式，所述六极磁环沿着角向等分为多个大小相等的棱形磁块，所述每相邻两个棱形磁块的充磁角度相差120度。

根据一些实施方式，所述引出磁环按照圆周角度等分为多个大小相等的扇形磁块，所述每个扇形磁块的充磁方向为与所述引出磁环的中心轴线正方向夹角为50度。

本发明实施例的电子回旋共振离子源的有益效果为：

1、永磁体装置采用注入磁环、六极磁环及引出磁环紧密配合，以实现电子回旋共振离子源较高的永磁材料填充率，使得电子回旋共振离子源结构最简化；

2、通过锥形铁轭来增强注入端轴向约束磁场，以进一步提升电子回旋共振离子源的性能；

3、通过等离子体电极来增强引出端轴向约束磁场，以进一步提升电子回旋共振离子源的性能；

4、通过绝缘支架，以使得电子回旋共振离子源整体处于同一电位，从而利于施加引出高压以引出离子束。

附图说明

图1为本发明实施例的电子回旋共振离子源的结构示意图；

图2为图1中永磁体的注入磁环的结构示意图；

图3为图1中永磁体的六极磁环的结构示意图；

图4为图1中永磁体的引出磁环的结构示意图。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例的电子回旋共振离子源100，用于产生离子束流。如图1所示，电子回旋共振离子源100包括永磁体装置10、与永磁体装置10的一端连接的注入装置20及与永磁体装置10另一端连接的引出装置30。

永磁体装置10包括依次连接的注入磁环11、六极磁环12及引出磁环13。其中，注入磁环11和引出磁环13共同提供轴向约束磁场，六极磁环12提供径向六极磁场，注入磁环11、六极磁环12及引出磁环13共同形成所需的最小B磁场。

如图1及图2所示，注入磁环11按照圆周角度等分为12个大小相等的扇形磁块。每个扇形磁块的充磁方向沿着半径向外。注入磁环11的靠近六极磁环12的端面为第一端面112，第一端面112为平面。

如图1及图3所示，六极磁环12沿着角向等分为12个大小相等的棱形磁块。每相邻两个棱形磁块的充磁角度相差120度，例如棱形磁块122的充磁角度为30度，棱形磁块124的充磁角度为150度。六极磁环12的靠近注入磁环11的端面为第二端面126，第二端面126为平面，六极磁环12的靠近引出磁环13的端面为第三端面128，第三端面128为斜面。第三端面128的倾斜角度α为60度。第二端面126与第一端面112相配合。

如图1及图4所示，引出磁环13按照圆周角度等分为12个大小相等的扇形磁块，每个扇形磁块的充磁方向为与引出磁环13的中心轴线正方向夹角β为50度。引出磁环13的靠近六极磁环12的一端设有第四斜面132。第四斜面132与第三端面128相配合。

永磁体装置10采用注入磁环11、六极磁环12及引出磁环13紧密配合，以实现电子回旋共振离子源100较高的永磁材料填充率，使得电子回旋共振离子源100结构最简化。

进一步地，如图1所示，永磁体装置10还包括壳体14。壳体14包括依次连接的注入磁环壳体142、六极磁环壳体144及引出磁环壳体146。注入磁环壳体142与六极磁环壳体144之间采用不锈钢螺钉紧固连接，六极磁环壳体144与引出磁环壳体146之间采用不锈钢螺钉紧固连接。注入磁环壳体142套设于注入磁环11的外部，六极磁环壳体144套设于六极磁环12的外部，引出磁环壳体146套设于引出磁环13的外部。本实施例中，注入磁环壳体142、六极磁环壳体144及引出磁环壳体146均为铝制壳体。可以理解，注入磁环壳体142、六极磁环壳体144及引出磁环壳体146也可以为其他金属壳体，例如铜制壳体。

进一步地，如图1所示，永磁体装置10还包括套筒15。套筒15套设于壳体14的外部。套筒15为不锈钢烤漆套筒。

进一步地，如图1所示，永磁体装置10还包括注入端法兰16及引出端法兰17。注入端法兰16及引出端法兰17分别设置于套筒15的两端。注入端法兰16与注入磁环壳体142之间采用不锈钢螺钉紧固连接。引出端法兰17与引出磁环壳体146之间采用不锈钢螺钉紧固连接。注入端法兰16及引出端法兰17均为不锈钢法兰。

如图1所示，注入装置20包括等离子体弧腔21、注入组件22、馈入波导23、负偏压绝缘穿墙件24、负偏压盘25及锥形铁轭26。

等离子体弧腔21包括法兰212及与法兰212连接的腔体214。法兰212与注入端法兰16之间采用不锈钢螺钉紧固连接。腔体214嵌设于注入磁环11、六级磁环12及引出磁环13的内部。腔体214为双层水冷不锈钢腔体。

注入组件22与法兰212连接。注入组件22包括与等离子体弧腔21的腔体214连通的管路，以向腔体214内部馈入工作气体，从而提供所需电离的原子或分子。

馈入波导23与注入组件22连接，并穿过注入组件22与等离子体弧腔21的腔体214连通。馈入波导23为截面为矩形的管状结构，用于向腔体214内部馈入12.4GHz-14.5GHz的微波。

负偏压绝缘穿墙件24与注入组件22连接，并穿过注入组件22与等离子体弧腔21的腔体214连通。

负偏压盘25设置于等离子体弧腔21的腔体214内，并与负偏压绝缘穿墙件24的一端连接。负偏压盘25及负偏压绝缘穿墙件24共同作用以用于向腔体214内提供电子。

锥形铁轭26设置于等离子体弧腔21的腔体214内，并靠近于注入端法兰16的这一端。锥形铁轭26用于增强注入端轴向约束磁场，以进一步提升电子回旋共振离子源100的性能。

如图1所示，引出装置30包括铁等离子体电极31、陶瓷筒32、引出地电极33及绝缘拉杆34。

等离子体电极31设置于等离子体弧腔21的腔体214内，并靠近于引出端法兰17的这一端。等离子体电极31采用软铁材料制成。等离子体电极31用于增强引出端轴向约束磁场，以进一步提升电子回旋共振离子源100的性能。

陶瓷筒32一端与引出端法兰17连接，另一端与引出地电极33连接。

引出地电极33通过陶瓷筒32与引出端法兰17绝缘连接。引出地电极33的一端与等离子体弧腔21的腔体214连通。引出地电极33采用不锈钢制成。

绝缘拉杆34设置于陶瓷筒32外部。绝缘拉杆34一端与引出端法兰17连接，另一端与引出地电极33连接。绝缘拉杆34用于将引出地电极33及陶瓷筒32相对于引出端法兰17拉紧。绝缘拉杆34采用PEEK材料制成。

如图1所示，本发明实施例的电子回旋共振离子源100还包括绝缘支架40。绝缘支架40设置于套筒15的下方，并与套筒15连接。绝缘支架40采用G10材料制成，以使得电子回旋共振离子源100整体处于同一电位，从而利于施加引出高压以引出离子束。

本发明实施例的电子回旋共振离子源100的工作过程如下：

首先，注入组件22通过与等离子体弧腔21的腔体214连通的管路，向腔体214内部馈入工作气体，从而提供所需电离的原子或分子。同时，馈入波导23向腔体214内部馈入12.4GHz-14.5GHz的微波。

其次，工作气体的原子或分子的外层电子在注入磁环11、六极磁环12及引出磁环13共同形成的磁场中做回旋运动，当电子的拉摩回旋频率等于馈入的微波频率时，电子从微波中共振吸收能量而生成高能量电子，高能电子与较高真空度的腔体214内的原子或分子碰撞电离而产生等离子体，等离子体受注入磁环11、六极磁环12及引出磁环13共同形成的三维最小B磁场的约束，被约束的等离子体再受到高能电子的逐级游离而产生较高电荷态离子，较高电荷态离子由热电子形成的空间电荷场约束。该过程中，如电子不够充足，负偏压盘25及负偏压绝缘穿墙件24共同作用以用于向腔体214内补充提供更多的电子。

最后，逃离约束的较高电荷态离子经加载引出高压电场的引出地电极33被引出，从而形成离子束流被后端加速器所用。

本发明实施例的电子回旋共振离子源100的有益效果为：

1、永磁体装置10采用注入磁环11、六极磁环12及引出磁环13紧密配合，以实现电子回旋共振离子源100较高的永磁材料填充率，使得电子回旋共振离子源100结构最简化；

2、通过锥形铁轭26来增强注入端轴向约束磁场，以进一步提升电子回旋共振离子源100的性能；

3、通过等离子体电极31来增强引出端轴向约束磁场，以进一步提升电子回旋共振离子源100的性能；

4、通过绝缘支架40，以使得电子回旋共振离子源100整体处于同一电位，从而利于施加引出高压以引出离子束。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (6)

1.一种电子回旋共振离子源，用于产生离子束流，其特征在于，该电子回旋共振离子源包括永磁体装置、与所述永磁体装置的一端连接的注入装置及与所述永磁体装置另一端连接的引出装置，所述永磁体装置包括依次连接的注入磁环、六极磁环及引出磁环，所述注入磁环和所述引出磁环共同提供轴向约束磁场，所述六极磁环提供径向六极磁场；

所述注入磁环的靠近所述六极磁环的端面为第一端面，所述第一端面为平面，所述六极磁环的靠近所述注入磁环的端面为第二端面，所述第二端面平面，所述六极磁环的靠近所述引出磁环的端面为第三端面，所述第三端面为斜面，所述引出磁环的靠近六极磁环的一端设有第四斜面，所述第二端面与所述第一端面相配合，第四斜面与所述第三端面相配合；

所述注入磁环按照圆周角度等分为多个大小相等的扇形磁块，每个扇形磁块的充磁方向沿着半径向外；

所述六极磁环沿着角向等分为多个大小相等的棱形磁块，每相邻两个棱形磁块的充磁角度相差120度；

所述引出磁环按照圆周角度等分为多个大小相等的扇形磁块，每个扇形磁块的充磁方向为与所述引出磁环的中心轴线正方向夹角为50度。

2.根据权利要求1所述的电子回旋共振离子源，其特征在于，所述第三端面的倾斜角度为60度。

3.根据权利要求1所述的电子回旋共振离子源，其特征在于，所述永磁体装置还包括壳体、套筒、注入端法兰及引出端法兰，所述壳体套设于所述注入磁环、所述六极磁环及所述引出磁环的外部，所述套筒套设于所述壳体的外部，所述注入端法兰及引出端法兰分别设置于所述套筒的两端。

4.根据权利要求3所述的电子回旋共振离子源，其特征在于，所述注入装置包括等离子体弧腔、注入组件、馈入波导、负偏压绝缘穿墙件、负偏压盘及锥形铁轭，所述等离子体弧腔包括法兰及与所述法兰连接的腔体，所述法兰与所述注入端法兰连接，所述腔体嵌设于所述注入磁环、所述六极磁环及所述引出磁环的内部，所述注入组件与所述等离子体弧腔的法兰连接，所述注入组件包括与所述等离子体弧腔的腔体连通的管路，所述馈入波导与注入组件连接，并穿过所述注入组件与所述等离子体弧腔的腔体连通，所述负偏压绝缘穿墙件与所述注入组件连接，并穿过所述注入组件与所述等离子体弧腔的腔体连通，所述负偏压盘设置于所述等离子体弧腔的腔体内，并与所述负偏压绝缘穿墙件的一端连接，所述锥形铁轭设置于所述等离子体弧腔的腔体内，并靠近于所述注入端法兰的这一端。

5.根据权利要求3所述的电子回旋共振离子源，其特征在于，所述引出装置包括铁等离子体电极、陶瓷筒、引出地电极及绝缘拉杆，所述等离子体电极设置于等离子体弧腔的腔体内，并靠近于所述引出端法兰的这一端，所述陶瓷筒一端与所述引出端法兰连接，另一端与所述引出地电极连接，所述引出地电极通过所述陶瓷筒与所述引出端法兰绝缘连接，所述引出地电极的一端与所述等离子体弧腔的腔体连通，所述绝缘拉杆设置于所述陶瓷筒外部，所述绝缘拉杆一端与所述引出端法兰连接，另一端与所述引出地电极连接。

6.根据权利要求3所述的电子回旋共振离子源，其特征在于，所述电子回旋共振离子源还包括绝缘支架，所述绝缘支架设置于所述套筒的下方，并与所述套筒连接。

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