CN111916329A - Ecr离子源及操作ecr离子源的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及ECR离子源和用于操作ECR离子源的方法。本发明涉及ECR离子源(1)，其具有：圆柱形的等离子体腔室(2)和用于产生磁场磁体(3)，以使等离子体包围在等离子体腔室(2)中；以及微波发生器(8)，其用于在等离子体腔室(2)的外部产生至少两个微波信号，该ECR离子源的特征在于，多个天线(4)被布置成以一定的角度偏移α径向伸入到等离子体腔室(2)中以辐射线性极化的微波，其中在天线(4)处施加相移的微波信号以在等离子体腔室(2)内形成圆极化的微波。

Description

ECR离子源及操作ECR离子源的方法
本发明涉及用于ECR离子源的具有经调谐的相移的多天线微波馈送和用于产生圆极化的微波的方法。电磁微波与静态磁场的叠加被称为电子回旋共振(ECR)，其中静态磁场垂直于微波的交变电场，并且馈入的微波的频率对应于磁场中电子的回旋频率。
ECR的应用领域是多种多样的。例如，ECR等离子体用于焊接构件或用于涂覆箔片，以及在医疗技术中的用于肿瘤放射的粒子治疗设备中用作离子源。
为了在ECR离子源中产生等离子体，微波辐射被馈入圆柱形的谐振腔(即，等离子体腔室)中并且用于加热电子。通过将辐射的能量转移到电子，这些电子被加速并且与原子和离子碰撞，紧接着再次出现新的自由电子和电荷状态逐渐增加的带正电的离子。
现有技术中已知在ECR离子源中使用微波辐射的各种方法。
例如，已知用一个或更多个天线将线性极化的微波直接馈入等离子体腔室中，其中缺点是功率传输的效率没有提高。
例如，从US 5,841,237 A得知，在电子回旋共振离子源中，在微波中产生大的共振等离子体体积的设备和方法。在此，多个线性极化的微波被馈入圆柱形的谐振腔中，其中具有不同频率的波可供使用。由此，可以在一个空腔内使用多个共振区，这增加了等离子体产量并且影响等离子体组成。
此外，从WO 2010/132069 A1得知一种离子源，该离子源针对ECR法将微波经由波导管(Hohlleiter)引入到辐射源中。
根据WO 2006/100217 A1，公开了一种基于ECR离子等离子体源的光子源，其中微波也经由波导管被注入到等离子体真空腔室中。
除了使用线性极化的微波之外，还已知的是圆极化的微波对ECR法的效率有积极的影响。
因此，已知的是将圆极化的波馈入等离子体腔室中，其中微波的圆极化在等离子体腔室的外部进行，并且需要使用波导管来传输波。由于随着技术的发展，具有同轴输出的半导体发生器越来越多地用于产生微波，因此利用波导管的应用在设备方面可能更加复杂，因此是不利的。
例如，从EP 0 434 933 A2中已知一种用于通过微波产生等离子体的如下类型的装置，其中借助于圆极化的微波产生等离子体。在此，来自微波发生器的线性极化的微波在模式转换器和标准圆形波导管中被转换成圆极化的波，并且随后经由变幅杆(Horn)发送到等离子体腔室的横截面。因此，实现了在谐振腔的外部产生圆极化的微波，并且圆极化的微波须利用复杂的设备经由波导管传输并且馈入谐振腔中。
根据现有技术的ECR离子源的共同之处在于，馈送微波以用于加热电子以及产生并改善等离子体。
在这种情况下，所寻求的解决方法一方面在于，将线性极化的微波注入到等离子体腔室中，或者将已经圆极化的微波从外部经由波导管引入到等离子体腔室中，其中在发生器与腔室之间插入产生圆极化的另一个构件。
存在的问题在于，在微波频率、微波功率和空腔谐振器几何形状明确规定的情况下，须对ECR离子源中功率从微波辐射到电子的传输效率的提高进行改进。另一个缺点在于，现有的微波发生器无法直接提供圆极化的微波。
本发明的任务在于，以设备和能量上的低消耗在ECR离子源中产生圆极化的微波，并且可供使用以用于加热电子。
该任务通过具有独立权利要求的特征的ECR离子源和用于操作该ECR离子源的方法来解决。进一步的实施例在从属权利要求中给出。
特别地，本发明的任务通过ECR离子源来解决，该ECR离子源具有圆柱形的等离子体腔室和用于产生磁场的磁体，以使等离子体包围在等离子体腔室中。此外，微波发生器被设置在等离子体腔室的外部，以用于产生至少两个微波信号，其中用于馈送线性极化的微波的每个信号的相应的天线径向地伸入到等离子体腔室中。在此，用于有相移地馈送微波以形成彼此具有角度偏移α的圆极化的微波的天线被布置在等离子体腔室中。在天线处施加的微波信号的相移与它们在布置中的角度偏移相匹配。
优选地，两个天线以角度偏移α布置在等离子体腔室的圆柱形横截面的圆周线上。因此，天线被布置在圆柱形的等离子体腔室的横截面平面中并且径向向内突出。有利地，角度偏移α为90度，并且决定了所施加的微波信号的相移为90度。
特别有利地，ECR离子源被设计成使得用于将线性极化的微波从微波发生器传输至天线的同轴电缆被布置在等离子体腔室中。
有利地，等离子体腔室中用于微波馈送的天线被设计为鞭状天线(Stabantenne)，从而可以经由鞭状天线实现在设备方面非常简单地、标准化地、廉价地和稳健地将微波馈入等离子体腔室中。
特别地，本发明的任务通过用于操作ECR离子源的方法来解决，其中在第一步骤中，将两个微波信号经由同轴电缆引导至以角度偏移α布置的两个天线，并且在第二步骤中，两个线性极化的微波经由天线有相移地入射到等离子体腔室中，由此在第三步骤中，使线性极化的微波叠加成圆极化的微波。
优选地，线性极化的微波具有90°的相移。
根据有利的设计方案，将多个线性极化的微波以相移α成对地引入到等离子体腔室中。
在此特别优选地，相移α是90°。
根据本发明的另一个有利的设计方案，在等离子体腔室中以各120°的偏移布置三个天线，这些天线随后馈送具有120°相移的微波。
可替代地，在等离子体腔室中以各(360/n)°布置任意数量的n个天线，并且施加的信号的相移相应地与(360/n)°相匹配。
本发明的概念在于，将圆极化的微波辐射馈入圆柱形的谐振腔中并且用于加热电子。待加热的电子在ECR等离子体腔室中围绕相应磁场的场线螺旋形地运动。为了有效地加热这些电子，微波的电场的极化方向应与电子的运动方向相匹配。因此，如果不只使用仅在几个点最佳地操纵电子的螺旋路径的微波辐射的线性极化方向，就可以提高能量传输的效率。现在，实现本概念在于，馈送多个线性极化的波，这些线性极化的波以适当的相移叠加。由此，产生圆极化的波，该圆极化的波更加符合电子的螺旋形运动。因此，本发明的核心在于多个线性极化的波的叠加，这些线性极化的波由多个天线馈送，这些天线在径向方向上伸入到圆柱形的等离子体腔室中。相应的相移与天线的几何位置相匹配，并且对应于天线沿着圆柱体的圆形横截面的角度偏移。由此，直接在圆柱形的腔室中产生圆极化的波。因此，特别的优点在于，圆极化的波直接在等离子体腔室中产生，其中不需要波导管来馈送微波，而是可以使用可灵活敷设的同轴电缆朝向ECR离子源传输微波。使用同轴电缆用于微波传输是特别有利的，原因在于技术发展正朝着用于产生微波的半导体发生器发展，这些半导体发生器通常使用同轴输出。
附图说明
本发明的设计方案的其它细节、特征和优点从下面参考附图的实施例的描述中得出。在附图中：
图1示出了ECR离子源的纵截面，以及
图2示出了ECR离子源的等离子体腔室的横截面。
在图1中，示意性地示出了ECR离子源1的纵截面。ECR离子源1基本上由处于真空的等离子体腔室2组成，在该等离子体腔室中产生等离子体。此外，环形磁体形式的磁体3在圆柱形的等离子体腔室2的两侧围绕等离子体腔室2间隔一定距离布置，在所示附图中磁场线7分布在该距离中，并且在包围的区域内产生等离子体。等离子体腔室2的圆柱体在一侧是封闭的，而光阑6位于另一侧，粒子束可以穿过该光阑定向地离开等离子体腔室2。线性极化的微波经由天线4馈入等离子体腔室2中，其中微波在ECR离子源1的外部在微波发生器8中产生，并且经由同轴电缆5被供给至天线4。天线4在径向方向上伸入到等离子体腔室2的圆柱体中。在所示的实施例中，设置了两个天线4。天线4的布置对于待施加的微波信号的相移具有决定性的意义，这些微波信号的叠加产生特别有效的圆极化的微波，这些圆极化的微波用于加热在磁体3之间的空间中围绕磁场线7螺旋地运动的电子。
在图2中，在天线4的平面中以侧视图示意性地示出了等离子体腔室2，其中可以看见圆柱形的横截面。根据所示的本发明的有利设计方案，两个天线4作为鞭状天线在径向方向上并且在圆上以90度的角度偏移α伸入到等离子体腔室2的内部中。天线4经由同轴电缆5与微波发生器(未示出)连接。
参考标记列表
1 ECR离子源
2 等离子体腔室
3 磁体
4 天线
5 同轴电缆
6 光阑
7 磁场线
8 微波发生器
α 角度偏移α。

Claims (10)

1.一种ECR离子源(1)，具有：圆柱形的等离子体腔室(2)和用于产生磁场的磁体(3)，以使等离子体包围在所述等离子体腔室(2)中；以及微波发生器(8)，其用于在所述等离子体腔室(2)的外部产生至少两个微波信号，
其特征在于，
多个天线(4)被布置成以一定的角度偏移α径向地伸入到所述等离子体腔室(2)中以用于辐射线性极化的微波，其中，在所述天线(4)处施加相移的微波信号以在所述等离子体腔室(2)内形成圆极化的微波。
2.根据权利要求1所述的ECR离子源(1)，其特征在于，两个天线(4)被布置在所述等离子体腔室(2)的圆柱形横截面的圆周线上。
3.根据权利要求1所述的ECR离子源(1)，其特征在于，多对天线(4)被布置在所述圆柱形的等离子体腔室(2)的不同的横截面平面中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的ECR离子源(1)，其特征在于，所述角度偏移α被设计为90°，并且实现90°的线性极化的微波的相移。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的ECR离子源(1)，其特征在于，三个天线(4)以120°的角度偏移α被布置在所述等离子体腔室(2)的圆柱形横截面的圆周线上，并且实现了各120°的线性极化的微波的相移，或者任意数量的n个天线(4)以各(360/n)°被布置在所述等离子体腔室(2)中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的ECR离子源(1)，其特征在于，用于将所述微波信号从所述微波发生器(8)传输至所述天线(4)的同轴电缆(5)被布置在所述等离子体腔室(2)中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的ECR离子源(1)，其特征在于，用于将微波馈入所述等离子体腔室(2)中的所述天线(4)被设计成鞭状天线。
8.一种用于操作根据前述权利要求中任一项所述的ECR离子源(1)的方法，其特征在于，
将两个微波信号经由同轴电缆(5)引导至以角度偏移α布置的两个天线(4)，以及
所述天线(4)将两个线性极化的微波有相移地入射到所述等离子体腔室(2)中，
由此，使所述线性极化的微波叠加成圆极化的微波。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述线性极化的微波具有90°的相移。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，将多个线性极化的微波以90°的相移α成对地引入到所述等离子体腔室(2)中。
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