CN110868790A - 一种负氢离子引出装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种负氢离子引出装置，包括电场组件以及依次绝缘间隔设置的第一栅、第二栅和第三栅，第一栅、第二栅和第三栅设置有沿三者叠加方向并沿着同一轴线方向的通口，第二栅上设置有环绕其通口的环形磁体，电场组件包括加载在第一栅与等离子放电室之间的第一电压组件、加载在第二栅与第一栅之间的第二电压组件以及加载在第三栅与第二栅之间的第三电压组件，第一电压组件、第二电压组件和第三电压组件使得等离子放电室、第一栅、第二栅和第三栅的电位依次增高构成多级电场。本发明采用多级电场将等离子放电室中产生的负氢离子和电子引出，利用磁场将电子约束滤除，有效提高得到的负氢离子束流强度、提高束流纯度、改善束流品质。

Description

一种负氢离子引出装置

技术领域

本发明涉及离子源技术领域，尤其涉及一种负氢离子引出装置。

背景技术

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，是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。制约着强流质子回旋加速器发展的一个主要因素就是束流强度和束流品质，引出装置则是提高束流强度、改善束流品质的关键。从放电室内的等离子体中引出的束流主要由负氢离子和电子组成，并且电子束流的强度通常是负氢离子束流强度的几倍到几十倍，甚至上百倍，粒子受力处于非平衡态，且离子源内高能粒子影响能量分布和空间轮廓。因为电子束流的强度比负氢离子束流强度要高出一两个数量级，因此分离电子束流和负氢离子束流的难度较大，而引出束流的性能参数将直接影响加速器的性能指标。现有的负氢离子引出装置难以高效的将负氢离子引出，引出的负氢离子束流中夹带有较多的电子，难以有效滤除电子，束流强度低、束流品质差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种负氢离子引出装置，解决目前技术中的引出装置高效引出将负氢离子，难以有效滤除电子，束流强度低、束流品质差的问题。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：

一种负氢离子引出装置，包括电场组件以及依次绝缘间隔设置的第一栅、第二栅和第三栅，所述的第一栅、第二栅和第三栅分别都设置有沿三者叠加方向的通口，并且三者的通口沿着同一轴线方向，所述第二栅上还设置有环绕其通口的环形磁体，所述的电场组件包括加载在第一栅与等离子放电室之间的第一电压组件、加载在第二栅与第一栅之间的第二电压组件以及加载在第三栅与第二栅之间的第三电压组件，第一电压组件、第二电压组件和第三电压组件使得等离子放电室、第一栅、第二栅和第三栅的电位依次增高从而构成多级电场。本发明所述的负氢离子引出装置采用具有不同电位的第一栅、第二栅和第三栅构成一个三栅引出系统，等离子放电室中产生的负氢离子和电子在第一栅、第二栅和第三栅所构成的多级电场加速下被引出，负氢离子和电子从低电位向高电位方向移动，即，负氢离子和电子沿着第一栅、第二栅到第的方向被引出，在负氢离子和电子经过第二栅的通口时，第二栅上的环形磁体产生高强度的磁场，使得电子被磁场约束，从而电子在第二栅处被滤除，负氢离子质量比电子大的多，负氢离子在第一电压组件、第二电压组件的作用下能够具有足够大的动能，从而负氢离子能够穿过环形磁体的磁场而进入第三栅，最终实现高效的引出负氢离子，高效的实现分离电子和负氢离子，有效提高得到的负氢离子束流强度、提高束流纯度、改善束流品质，达到加速器对负氢离子束的要求。

进一步的，所述的第二栅上还设置有冷却机构，从等离子放电室中引出的电子束流强度大，电子携带了较高的能量，电子在第二栅处被磁场约束滤除时会引起第二栅温度迅速升高，温升会严重影响引出装置工作稳定性，因此本发明设置冷却机构来对第二栅进行降温冷却，确保负氢离子引出装置工作在适宜的恒定温度，保障工作稳定性，延长使用寿命。

进一步的，所述的冷却机构为循环水冷机构，冷却效果好、效率高，保障负氢离子引出装置工作在适宜的恒定温度。

进一步的，所述的环形磁体为永磁体，结构简单、紧凑，组装简单方便。

进一步的，所述的环形磁体沿着第二栅的通口轴向设置有若干个，保障形成稳定而高强度的磁场，并且增长环形磁体的磁场所覆盖的轴向区域，提高对电子的约束滤除效果，进而有效提高最终得到的负氢离子束流强度、改善束流品质。

进一步的，所述第一栅为表面镀有场致发射类型的类金刚石膜的钼板，能够增加负氢离子的产生率，增加从等离子放电室的等离子体中引出的束流中负氢离子的比例，类似于表面机制产生负氢离子，提高等离子体中质子和氢原子从金属表面俘获电子形成负氢离子的概率，从而显著提升负氢离子密度，进而提高最终得到的负氢离子束流强度。

进一步的，所述第三栅上设置用于调节第三栅与第二栅之间间距的轴向调节机构，从而能够根据需要灵活改变第三栅与第二栅之间的电位差分布，方便控制引出负氢离子束流的大小、提高负氢离子束流的稳定性和束流的纯度。

进一步的，所述第三栅还设置有用于调节其通口孔径的孔径调节机构，可以根据需要灵活调节负氢离子束流的大小。

进一步的，所述的第一电压组件加载10KV电压，所述第二电压组件加载15KV电压，所述第三电压组件加载30KV～50KV的电压，使得第一栅、第二栅和第三栅构成稳定的多级电场，负氢离子在多级电场加速下被引出，束流强度高。

进一步的，所述第一栅与等离子放电室之间、第一栅与第二栅之间以及第二栅与第三栅之间分别设置有绝缘体，绝缘体将等离子放电室、第一栅、第二栅和第三栅有效绝缘分隔开，保障多级电场的稳定可靠性，从而保障引出负氢离子束流的稳定性。

与现有技术相比，本发明优点在于：

本发明所述的负氢离子引出装置结构简单、紧凑，采用多级电场将等离子放电室中产生的负氢离子和电子引出，并利用磁场将电子约束滤除，高效的实现分离电子和负氢离子，实现高效的引出负氢离子，有效提高得到的负氢离子束流强度、提高束流纯度、改善束流品质，达到加速器对负氢离子束的要求。

附图说明

图1为负氢离子引出装置的结构示意图；

图2为第二栅另一种实施方式的结构示意图；

图3为第三栅的孔径调节机构的结构示意图。

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。

本发明实施例公开的一种负氢离子引出装置，从放电等离子体中高效的引出负氢离子，有效滤除电子，达到加速器对负氢离子束的要求。

如图1至图3所示，一种负氢离子引出装置，主要包括电场组件以及依次绝缘间隔设置的第一栅1、第二栅2和第三栅3；

第一栅1、第二栅2和第三栅3分别都设置有沿三者叠加方向的通口，并且三者的通口沿着同一轴线方向，第一栅1、第二栅2和第三栅3三者的通口形成等离子放电室中产生的负氢离子和电子被引出的通道；

电场组件包括加载在第一栅1与等离子放电室之间的第一电压组件4、加载在第二栅2与第一栅1之间的第二电压组件5以及加载在第三栅3与第二栅2之间的第三电压组件6，第一电压组件4、第二电压组件5和第三电压组件6使得等离子放电室、第一栅1、第二栅2和第三栅3的电位依次增高从而构成多级电场，即，第一栅1的电位高于等离子放电室a，第二栅2的电位高于第一栅1，第三栅3的电位高于第二栅2，第一电压组件4加载10KV电压，从而可把带负电的粒子从等离子放电室a的等离子体中引出，所述的带负电的粒子即为负氢离子和电子，负氢离子和电子在第一电压组件4施加的电场作用下加速运动向第二栅2，所述第二电压组件5加载15KV电压，所述第三电压组件6加载30KV～50KV的电压，带负电的粒子在多级电场作用下被有效加速引出；

所述第二栅2上还设置有环绕其通口的环形磁体21，环形磁体21采用永磁体，结构简单，使用稳定性好、寿命长，环形磁体21也可采用电磁铁，环形磁体21产生高强度的磁场，磁场与周围的电场形成交叉的电磁场位形，使得通过第一栅1的电子被磁场约束，从而电子在第二栅处被滤除，负氢离子质量比电子大的多，负氢离子在第一电压组件、第二电压组件加载的电场作用下能够具有足够大的动能，从而负氢离子能够顺利通过环形磁体的磁场(即穿过第二栅2)，第二栅2实现过滤随负氢离子一起引出的电子的作用。

由于电子的能量较高，电子在第二栅处被磁场约束滤除时会引起第二栅温度迅速升高，因此在第二栅2上还设置有冷却机构，冷却机构可优选采用循环水冷机构，具体的，循环水冷机构可以是包括在第二栅上开设的冷却管路、与冷却管路连接的输送管以及在输送管上设置的循环泵和冷却器，冷却器可以是翅片散热器、冷却池等等。

第一栅1为表面镀有场致发射类型的类金刚石膜的钼板，具体的，以钼板作为衬底，利用阳极层霍尔气体离子源和具有磁过滤功能的强流金属离子源技术，以真空阴极电弧沉积工艺在钼板上制备出类金刚石膜，类金刚石膜的主要成份为碳，其具有优良的场致发射电子的功能，在负氢离子引出装置中利用其作为冷阴极场发射的特性，增强电子的发射，进而增加负氢离子的产生率；第三栅3上设置用于调节第三栅3与第二栅2之间间距的轴向调节机构31，并且第三栅3还设置有用于调节其通口孔径的孔径调节机构32，从而能够根据需要灵活改变第三栅与第二栅之间的电位差分布，方便控制引出负氢离子束流的大小、提高负氢离子束流的稳定性和束流的纯度，结合负氢离子源参数的改变来输出不同的负氢离子束流。

第一栅1与等离子放电室之间、第一栅1与第二栅2之间以及第二栅2与第三栅3之间分别设置有绝缘体7，绝缘体7可以使沿着通口周向的环状结构。具体的，本实施例设置了与等离子放电室a连接的放电室法兰11，第一栅1固定在第一栅法兰12上，放电室法兰11与第一栅法兰12之间由绝缘体7分离隔绝；第一电压组件4的低电位端与等离子放电室a、放电室法兰11连接，第一电压组件4的高电位端与第一栅法兰12连接，第一栅1通过导电的第一栅法兰12实现与第一电压组件4的高电位端连接；第二栅2再通过绝缘体7与第一栅法兰12绝缘分隔开，然后第三栅法兰33再通过绝缘体7与第二栅2绝缘分隔开，第三栅3通过轴向调节机构31连接在第三栅法兰33上，可根据需要操作轴向调节机构31来调节第三栅3与第二栅2之间的轴向间距，第二电压组件5的低电位端与第一栅法兰12连接，第二电压组件5的高电位端与第二栅2连接，第三电压组件6的低电位端与第二栅2连接，第三电压组件6的高电位端与第三栅法兰33连接。具体的，轴向调节机构31可以是丝杆机构，第三栅3与套在丝杆上的螺母连接，丝杆轴向沿着第三栅3、第二栅2的通口轴向，通过旋转丝杆来带动螺母移动进而调节第三栅3与第二栅2之间的间距；第三栅3还通过孔径调节机构32调节其通口孔径，具体的，第三栅3的通口由两个半圆拼合构成，孔径调节机构32包括用于推动两个半圆沿着径向运动的推动组件，推动组件带动半圆沿着径向运动进而调节两个半圆所围成的通口的口径大小；并且第一栅1、第二栅2和第三栅3相互设置还设置有密封圈，提高负氢离子束流的稳定性。

如图2所示，环形磁体21还可以沿着第二栅2的通口轴向设置有若干个，增长环形磁体的磁场所覆盖的轴向区域，能更有效的将电子约束滤除，提高最终得到的负氢离子束流的纯度。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种负氢离子引出装置，其特征在于，包括电场组件以及依次绝缘间隔设置的第一栅(1)、第二栅(2)和第三栅(3)，所述的第一栅(1)、第二栅(2)和第三栅(3)分别都设置有沿三者叠加方向的通口，并且三者的通口沿着同一轴线方向，所述第二栅(2)上还设置有环绕其通口的环形磁体(21)，所述的电场组件包括加载在第一栅(1)与等离子放电室之间的第一电压组件(4)、加载在第二栅(2)与第一栅(1)之间的第二电压组件(5)以及加载在第三栅(3)与第二栅(2)之间的第三电压组件(6)，第一电压组件(4)、第二电压组件(5)和第三电压组件(6)使得等离子放电室、第一栅(1)、第二栅(2)和第三栅(3)的电位依次增高从而构成多级电场。

2.根据权利要求1所述的负氢离子引出装置，其特征在于，所述的第二栅(2)上还设置有冷却机构。

3.根据权利要求2所述的负氢离子引出装置，其特征在于，所述的冷却机构为循环水冷机构。

4.根据权利要求1所述的负氢离子引出装置，其特征在于，所述的环形磁体(21)为永磁体。

5.根据权利要求1所述的负氢离子引出装置，其特征在于，所述的环形磁体(21)沿着第二栅(2)的通口轴向设置有若干个。

6.根据权利要求1所述的负氢离子引出装置，其特征在于，所述第一栅(1)为表面镀有场致发射类型的类金刚石膜的钼板。

7.根据权利要求1所述的负氢离子引出装置，其特征在于，所述第三栅(3)上设置用于调节第三栅(3)与第二栅(2)之间间距的轴向调节机构。

8.根据权利要求1所述的负氢离子引出装置，其特征在于，所述第三栅(3)还设置有用于调节其通口孔径的孔径调节机构。

9.根据权利要求1至8任一项所述的负氢离子引出装置，其特征在于，所述的第一电压组件(4)加载10KV电压，所述第二电压组件(5)加载15KV电压，所述第三电压组件(6)加载30KV～50KV的电压。

10.根据权利要求1至8任一项所述的负氢离子引出装置，其特征在于，所述第一栅(1)与等离子放电室之间、第一栅(1)与第二栅(2)之间以及第二栅(2)与第三栅(3)之间分别设置有绝缘体(7)。

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