CN112424901A - 用于回旋加速器的低腐蚀内部离子源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低腐蚀射频离子源，包括：中空主体(11)，所述中空主体(11)具有限定圆柱形腔(13)的导电内壁，具有用于形成等离子体的气体的供气入口(14)以及用于将射频能量注入所述腔(13)中的电源入口(21)。膨胀室(16)，所述膨胀室(16)借助等离子体出口孔(17)连接到所述腔(13)。离子提取孔口(18)，所述离子提取孔口(18)与所述膨胀室(16)接触。同轴导体(15)，所述同轴导体(15)设置在所述腔(13)中，平行于其纵向轴，所述同轴导体(15)的一端或两端与所述主体(11)的圆形内壁接触，从而形成同轴共振腔；所述同轴导体(15)具有与所述等离子体出口孔(17)相对并径向地延伸到所述腔(13)中的导电突起(22)。其大幅减少了导电材料的腐蚀。

Description

用于回旋加速器的低腐蚀内部离子源

技术领域

本发明落入用于粒子加速器的离子源的领域内。

背景技术

离子源是粒子加速器的部件，其中气体被电离，从而转变成等离子体，并且然后带电粒子从离子源中被提取以被加速。离子源主要被用作回旋加速器中的内部源，以产生轻量级的正离子和负氢。这些类型的机器传统上已在研究界中被用作在多个领域中使用的多用途射束机。它们最近已被用于用在肿瘤的治疗的质子/强子治疗机中的、以及放射性药物应用中的放射性同位素合成。

传统上，离子源在不同领域的研究界中非常常见，包括它们在粒子加速器中的使用，以及在物质的结构或材料的研究中。为了产生离子，一个人以将材料电离(通常，气体)开始，并且借助以下处理中的一个或多个使电子被去除或被添加到原子：电子撞击(直接电离和/或电荷交换)、光致电离和表面电离。

在其最简单的方案中，离子源由在其中发生处理的主室、要电离的材料(先前或连续引入的)、用于电离的能量源和提取系统构成。根据所遵循的处理，可以对不同类型的离子源进行大体分类：

·电子轰击：它们使用通常在一定温度下在阴极中产生的加速的电子，这些加速的电子撞击材料并使其原子和/或分子电离。

·DC/脉冲等离子体放电：它们与先前的源的相似之处在于它们使用由阴极产生的电子束，但是在这种情况下，它们操作所处的压力更高。因为这个原因，产生等离子体，快电子负责通过以碰撞的形式沉积能量来维持该等离子体。这个类别包括等离子管、双等离子管、磁控管和潘宁源(Penning source)。它们通常使用磁场来约束快电子的路径并增加电离。这些源的缺点是由于加速电子所必需的阴极的高电势差而导致的阴极上的腐蚀，该高电势差造成离子在相反方向上被加速并撞击阴极，从而去除了材料(溅射)并限制了所述阴极的寿命。

·射频放电：它们是DC源的演变，因为它们使用交流电场而非连续电场来加速电子。存在取决于等离子体和电场如何产生的两种类型的这些源：电容耦合等离子体(CCP)放电和电感耦合等离子体(ICP)放电。在低频下，由于等离子体与金属介质之间的高电势，导致它们持续产生在“阴极”上的溅射；然而，在高频下，这个电势降低至低于一定阈值并且实际上不存在溅射，从而显著增加了所述“阴极”的寿命。

·电子回旋共振(ECR/ECRIS)：特定的射频放电设计，因为它是基于用具有合适圆极化的波激发位于磁场中的电子的回旋共振，其造成共振区域中的电磁场能量的高度有效地吸收，这导致了高度电离。

·激光：激光离子源中使用的方法是借助若干个高功率激光进行光致电离，该高功率激光的波长被调谐到不同的电子跃迁，从而实现了对要电离的原子的电子的连续激发。

·表面电离：用于产生离子的方法涉及加热高功函数材料并注入要电离的材料。

·电荷交换：这种类型的源使用具有高电子传输速率的金属蒸汽，通过该金属蒸汽传递期望原子的离子，使得其变得带负电。

在用于回旋加速器的内部离子源的情况下，由于回旋加速器的内部配置，本发明的优选应用领域具有非常小的可用于内部耦合离子源的空间且在垂直方向上具有非常高的磁场，该磁场捕获电子的路径而不让它们自由地移动，迄今为止回旋加速器使用的仅有的内部源是潘宁源。潘宁离子源具有放置在垂直端处的两个阴极和围绕它们的平行于磁场的中空管。所述阴极可以被外部地加热或者保持初始冷却，并且然后用来自放电的离子轰击加热。由于阴极和磁场的对称配置，电子被发射并加速，从而在增加电离的螺旋路径中移动，并且当到达相对端时，电子由于电场而被反射。快电子与所注入气体的碰撞导致等离子体的产生，可以从等离子体中提取正离子和负离子二者。潘宁离子源具有阴极溅射的缺点，尽管阴极通常由具有高电阻和高电子发射的材料(诸如，钽)制成，但它们遭受过度损耗，使得必须频繁地更换。

使用DC放电，潘宁离子源非常简单且紧凑。外部源的使用向系统增加了更大的复杂度，尽管它允许使用其它方法来产生等离子体，使得制造商常常不将它们包括在其商用回旋加速器中。所有使用DC放电的源的问题在于，这种类型的放电在等离子体活动的同时腐蚀阴极，从而意味着它们必须被定期地更换，而在用于医疗应用的这些机器中，通常期望使其不间断地尽可能长地运行。此外，在产生H^-的情况下，来自DC放电的高能电子是对H^-的破坏贡献最大的粒子，使得所汲取的电流减小。

因此，必须具有解决这些缺点的用于回旋加速器的内部离子源。

发明内容

本发明涉及尤其用于用作回旋加速器的内部离子源的低腐蚀射频离子源。

该离子源包括：

-中空主体，所述中空主体的内壁限定了圆柱形腔。所述主体具有供气入口，通过所述供气入口将形成等离子体的气体引入所述腔中。所述主体具有电源入口，通过所述电源入口将射频能量注入到所述腔中。所述主体的内壁是导电的(优选地，整个主体是导电的)。

-膨胀室，所述膨胀室通过在所述主体中制成的等离子体出口孔连接到所述腔。

-离子提取孔口，所述离子提取孔口与所述膨胀室接触。

-同轴导体，所述同轴导体设置在所述主体的所述腔中，平行于所述腔的纵向轴布置。所述同轴导体的端中的至少一个端与所述主体的至少一个圆形内壁接触，从而形成同轴共振腔。所述同轴导体具有径向地延伸到所述腔中的导电突起。所述导电突起与所述等离子体出口孔相对。

在一个实施例中，所述离子源包括可移动部，所述可移动部通过在所述主体中制成的开口部分地径向引入到所述腔中，以精细地调整所述共振腔的频率。移动部优选地由导电材料或电介质材料制成。

射频能量供应是通过电容耦合或电感耦合来提供的。借助其内部导体通过电源输入被部分地引入到所述腔中的同轴波导来执行电容耦合。借助将所述主体的内壁与通过所述电源输入引入的同轴波导的内部导体短路的环路来执行电感耦合。

在一个实施例中，所述同轴导体的第一端与所述主体的圆形内壁接触，所述同轴导体的第二端是自由的。在这个实施例中，所述导电突起优选地设置在所述同轴导体的第二端处。所述膨胀室优选地是圆柱形的，并且被布置成使得其纵向轴垂直于所述腔的纵向轴。可替换地，所述膨胀室可以被布置成使得其纵向轴平行于所述腔的纵向轴。

在另一个实施例中，所述同轴导体的两端分别与所述主体的两个圆形内壁接触。在这个实施例中，所述导电突起优选地设置在所述同轴导体的中央部分中。

离子源可以具有双腔，包括形成第二同轴共振腔的第二主体和第二导体。两个主体的腔通过公共的膨胀室彼此连接。

本发明的离子源使得能够解决回旋加速器中使用的潘宁内部离子源的缺点，其中产生等离子体从而造成导电材料上的腐蚀。因为等离子体带正电，因此电子被吸引到等离子体，而正离子被排斥并通过等离子体与壁之间的电势差而被加速，所以发生腐蚀。因此，如果与壁碰撞时离子的能量足够高(>>1eV)，则当离子与导电材料碰撞时，原子被从材料中去除。所去除的原子的数目取决于导电材料。

在所提出的离子源中，产生等离子体，而在离子源中使用的导电材料(即，电极)上没有产生腐蚀，使得与在潘宁源的情况下相比，当源在操作时产生的维护和中断少得多。因此，在借助电容放电使用射频能量源的本发明的实施例中，在足够高的频率(例如，2.45GHz)下工作，在源材料上没有发生腐蚀。等离子体放电可以按两种不同的模式操作：阿尔法模式(alpha mode)，在该模式下由于阴极(或当时充当阴极的部分)发射的二次电子，放电被维持；以及伽玛模式(gamma mode)，在该模式下用于加热等离子体的机构是无碰撞加热的。阿尔法模式发生在DC放电中以及在低频下的RF中，并且在取决于等离子体的特性的一定频率开始，发生到伽玛模式的转变。

共振器或同轴共振腔的形成使得增加电场并促成点燃是可能的，使得本发明的离子源进一步实现了低得多的能量损耗。

在本发明的离子源中，也不必具有在2000K的量级的温度下的热阴极；因此，代替使用诸如钽之类的具有高电阻和高电子发射率的导电材料，可以使用诸如铜之类的其他较便宜的材料。由于离子与阴极的碰撞，其动能被转换成热能，这增加了阴极的温度，该阴极通过热电子效应(thermionic effect)发射电子，这是在潘宁源中维持DC放电所必需的。如同本发明中的，与阴极的碰撞能量少得多，阴极的加热低得多，并且可以使用诸如铜之类的较少热限制的导电材料(即，具有较低的熔融温度和较高的导电率)。

此外，在产生H-的情况下，由于目前的离子源不产生等离子体中的高能电子，因此所汲取的电流显著增加。产生H-的截面在低能量(1-10eV)下最高；在较高的能量下，用于产生的截面显著减小，而产生破坏H-的截面明显增加，如H.Tawara的“Cross Sections andRelated Data for Electron Collisions with Hydrogen Molecules and Molecularlons”中详细解释的。

附图说明

下面是对一系列附图的非常简要的描述，其有助于更好地理解本发明，并且清楚地与所述发明的通过其非限制示例呈现的实施例相关。

图1示出了根据现有技术的双腔潘宁离子源的纵向截面的前视图。

图2示出了根据现有技术的双腔潘宁离子源的纵向截面的透视图。

图3、图4、图5和图6示出了根据本发明的可能实施例的离子源的不同截面视图。

图7和图8示出了根据本发明的可能实施例的双腔离子源的截面视图。

图9表现了尤其适用于具有轴向配置的回旋加速器的离子源的另一可能的实施例。

图10和图11示出了具有用于引入离子源的轴向配置的回旋加速器。

图12和图13示出了具有用于引入离子源的径向配置的回旋加速器。

图14示出了与图6中示出的离子源类似的离子源的实施例，但用电感耦合取代了电容耦合。

图15和图16示出了具有不同类型的耦合(矩形波导耦合)的离子源的实施例。

图17、图18、图19和图20示出了根据另一可能实施例的离子源的不同的局部截面视图。

图21以示例的方式图示了其中可以使用本发明的离子源的完整的射频系统。

具体实施方式

本发明涉及主要被设计用作回旋加速器中的内部源的离子源。

目前，潘宁离子源被用作用于回旋加速器的内部源，诸如例如图1(纵向截面前视图)和图2(纵向截面透视图)中表现的与双腔离子源对应的内部源之类。

双腔潘宁离子源包括两个中空主体，每个中空主体由两部分构成，即装配在一起使得其内壁限定圆柱形腔(3、3’)的界限的导电部(1、1’)和绝缘部(2、2’)。导电部1中的至少一个具有供气入口4，通过供气入口4将形成等离子体的气体引入到其相应的腔3中。在每个腔(3、3')中，存在设置在主体(1、1')的腔(3、3')中的同轴导体(5、5')，平行于圆柱形腔(3、3')的纵向轴布置。

两个腔(3、3’)借助公共的圆柱形膨胀室(6)通过在导电部(1、1’)的壁中制成的相应孔(7、7’)互连。设置在限定膨胀室(6)的界限的壁的中央部分中的离子提取孔口(8)使得从由引入到腔(3、3')的气体产生的等离子体中提取离子是可能的。

在每个腔(3、3’)中引入穿透绝缘部(2、2’)并与腔的同轴导体(5、5’)电接触的导电元件(9、9’)。用大约3000V的DC电压激发导电元件(9、9’)。为了开始放电，必需使气体流打开并在阳极和阴极(即，导电部1/1'和同轴导体5/5’)之间施加数千伏的电势差。在进行等离子体点燃之后，电源通过以几百毫安的电流保持500-1000V之间的电势差来稳定等离子体。建立的放电是DC类型的，从而需要从导电材料发射二次电子(使得它们必须处于高温并且是具有高电子发射率的材料)以及在高能下加速从等离子体中排出的离子，从而造成阴极的腐蚀。

图3示出了本发明的装置对象(离子源10)的实施例的根据垂直于X轴的切割平面的垂直截面，其中，(当安装了并在运行离子源时电磁体或永磁体一般产生的)外部磁场B与参考系统的垂直Z轴对准。

离子源10的操作是基于同轴共振腔的。图4示出了离子源10的根据穿过共振腔的轴的XY水平面的截面。中空主体11的内壁(11a、11b、11c)是导电的并限定了圆柱形腔13。在一个实施例中，整个主体11是导电的，优选地由铜制成。

主体11具有三个内壁：圆形几何形状的第一内壁11a、也是圆形的并与第一内壁11a相对的第二内壁11b以及将两个圆形内壁(11a、11b)连接的圆柱形几何形状的第三内壁11c。

同轴导体15设置在主体11的腔13中，平行于圆柱形腔13的纵向轴布置。同轴导体15的端(15a、15b)中的至少一个端与主体11的圆形内壁(11a、11b)中的一个内壁接触，从而形成同轴共振腔。以这种方式，同轴导体15可以使两个内壁(11a、11b)短路以获得λ/2同轴共振腔，从而在中心处获得最大电场，或者它将单个内壁短路，以获得λ/4同轴共振腔(在导体的相对端处具有最大电场)。在图3和图4的示例中，同轴导体15的端中的仅一个端(具体地，第一端15a)将主体11的圆形内壁中的一个内壁(具体地，第一内壁11a)短路，主体11与同轴导体15因而形成λ/4同轴共振腔，具有在同轴导体15的第二端15b处的最大电场。

主体11具有供气端口或入口14(即，在其壁中的一个壁中制成的孔或开口)，通过该供气端口或入口14将形成等离子体的气体引入到腔13中。图4示出了与供气入口14密封地耦合的管20，通过管20将气体引入到腔13中。这些类型的离子源通常与氢气一起工作，并且在较小程度上与氘和氦一起工作，取决于要提取的离子。

主体11还具有电源入口21，通过电源入口21将射频能量注入到腔13中。

膨胀室16通过在主体11的壁中的一个壁中制成的等离子体出口孔17连接到腔13。离子提取孔口18设置在膨胀室16的壁中的一个壁中。离子源10在真空下被引入到回旋加速器的室中，并且注入的气体被部分地转变成等离子体，而其余的通过离子提取孔口18逸出。

同轴导体15具有相对于圆柱形腔的轴径向(即，垂直于所述轴)延伸到腔13中的导电突起22，所述导电突起22与主体11的等离子体出口孔17相对，等离子体出口孔17将腔13连接到膨胀室16(即，导电突起22与膨胀室16相对)。导电突起22不与主体11的内壁接触，尽管它保持非常紧密，通常小于5毫米；这个分离距离将很大程度上取决于共振腔的尺寸。点燃电压(在RF的情况下，所注入的功率)将转而取决于这个分离距离和所注入气体的密度。

取决于将在何处产生等离子体，主体11通过内部同轴导体15在一个端15a或两个端(15a、15b)处短路。同轴导体15是内部导体，其起到与外部导体(主体11的内壁)相对的电极的作用，以这样的方式，当注入功率时，腔13进入共振并且在两个导体(11、15)之间的间隙中建立的电场改变符号。

在图3和图4的示例中，借助指向膨胀室16的导电突起或突出物22来修改同轴导体15的自由端(第二端15b)的一部分，以便在其中要产生等离子体的区域(等离子体产生区域)中产生电场的集中和增加。所产生的等离子体从腔13通过等离子体出口孔17朝向膨胀室16逸出，从而形成与磁场B对准的等离子体柱23，使用离子提取孔口18从等离子体柱23中提取离子。膨胀室16是优选地也具有圆柱形几何形状的腔，其执行用于等离子体柱23的膨胀室的功能。在施加到回旋加速器的离子源中，膨胀室16是具有小半径的圆柱形腔，使得在通过离子提取孔口18提取粒子并使它们在第一轮中加速之后，它们不与源碰撞并且被丢出。膨胀室16还充当机械支撑件，从而在离子源的两个对称部分是双腔离子源(如图1和图2中所示)时保持它们分开。

如图4的实施例中所示，传输射频/微波能量的同轴波导24通过电源接入口、端口或入口21耦合，该耦合有可能是电(电容)型或磁(电感)型的。图4示出了典型的电容耦合，其中，围绕同轴波导24的内部导体26的电介质25使得能够对电源入口21进行密封地封闭(使得所注入气体的一部分没有通过所述入口逸出)，并且其中，同轴波导24的内部导体26从电介质25突出，从而部分地进入腔13中。与这种电容耦合不同，典型的电感耦合使用将同轴波导的内部与共振腔短路的环路。

可以借助部分引入到腔13中的插入件或移动部27来调整共振腔的频率。移动部27可以在初始配置离子源10的时刻径向(即，垂直于圆柱形腔13的轴)移位，因而允许基于引入到腔13中的可移动部27的量精细地调整共振频率。移动部27是可选的元件，对于离子源的操作而言不是严格必需的，尽管它通过使得更容易调整共振频率来改善操作。取决于要实现的频率变化和行为，移动部27可以由导电材料(优选地，铜)或电介质材料(诸如，氧化铝)制成。

图5和图6示出了根据一个可能实施例的离子源10的两个附加视图。图5图示了离子源10的前视图，其中，腔13的轴上方的部分被以中间截面示出。图6示出了离子源10的三维视图。在图6中不能看到供气入口14，因为在这个视图中供气入口14设置在主体11的后方。图6中示出的突出部70是具有与图4的可移动部27相同的功能的元件，借助该元件精细地调整共振腔的频率。在这种情况下，突出部70被集成到离子源的主体中，但是可以将它设计为单独的主体。

图7和图8分别并根据另一实施例示出了双腔离子源30的前截面和透视截面，在离子提取孔口18的中央部分中具有对称平面31，两个腔(13、13’)通过公共的膨胀室16而连接，该公共的膨胀室16允许在每个腔(13、13’)中产生的等离子体柱23的膨胀。用于两个腔(13、13')中的每个腔的离子源30的元件与用于具有单个腔的离子源10的图3至图6中示出的元件(第一主体11和第二主体11’、第一同轴导体15和第二同轴导体15’、第一导电突起22和第二导电突起22’、第一等离子体出口孔17和第二等离子体出口孔17’等)相同，在这种情况下特别的是两个腔(13、13')彼此相对并共享膨胀室16。使用双腔离子源30更容易地获得等离子体并增加粒子的产生，使得在两端处存在在对称平面31的高度处会聚的两个等离子体射流，从而在中央部分中形成单个等离子体柱23，其中，离子提取孔口18被定位成移去所期望的粒子，无论它们是正离子还是负离子。

在共振腔在一端处短路(四分之一波腔)的情况下，共振腔的长度(沿着Y轴)为λ/4或小于λ/4的量级(其中，λ是与由比率λ＝f/c给出的振荡电磁场相关联的波长，其中，f是振荡频率并且c是光速)。在两端处短路并在等离子体形成在内部导体的中央部分中的半波共振腔的情况下，共振腔的长度将为λ/2或小于λ/2的量级。横向尺寸以及用于集中电场的导电突起22的横向尺寸是由要获得的共振腔的具体参数(主要是品质因数Q和特性阻抗R/Q)确定的，并且它们还将对腔的共振频率有影响。

主体11的内壁由具有低电阻率和高导热率的导电材料(通常是铜或沉积在另一种金属上的铜)制成，因为存在期望Q因数高并且沉积在壁上的功率迅速地耗散。

为了操作离子源(10；30)，一个人从初始状态开始，在初始状态下腔13或多个腔(13、13’)中没有能量。引入到腔中的射频能量是在发生器中产生的，发生器可以是固态的电子管(磁控管、TWT、回旋管、速调管等)或线圈和电容器共振电路，取决于频率、功率和所需的工作模式。所述功率通过通常同轴或中空(例如，矩形)的波导行进到腔，其中，功率通过耦合(电、电感或穿通孔)传递到共振腔，从而使反射和功率损耗最小。随着电磁能量被引入到腔中(其中频率等于腔的共振频率)，电场值的大小增加，以这种方式，它到达当等离子体点燃时的点(振荡电磁场的帕邢曲线(Paschen curve))。一旦形成了通过沿着由电磁体或永磁体产生的磁场线伸展的等离子体出口孔17膨胀的等离子体，腔的共振频率就偏移，使得如果供应到腔的电磁场的频率保持恒定，则由于阻抗的差异，导致功率开始被反射，从而达到除了保持放电并补偿腔的壁中的损失所必需的功率之外的所有功率都将被反射时的点，从而使系统稳定于稳定状态。

根据可能的实施例，本发明的具体设计使用在2.45GHz的频率下大致3cm长的λ/4同轴共振腔，其中一端被短路而另一端开路，并由铜制成。在内部同轴导体15的开路端的部分中，存在在与磁场相同的方向(在垂直方向Z)上突出的导电突起22，导电突起22与等离子体出口孔17相对并允许该区域中的电场增大以用较低功率实现等离子体形成。等离子体通过等离子体出口孔17离开，并进入膨胀室16，在膨胀室16中等离子体主要在磁场线的方向上(平行于Z轴)膨胀从而形成等离子体柱23，并在离子提取孔口18附近穿过，在离子提取孔口18中借助电场提取离子。

在图中示出的实施例中，供气入口14是借助连接到管20的简单孔实现的，而射频系统的耦合是利用借助连接到同轴波导24的内部导体26的突出圆柱体(电介质25)进行电耦合来实行的。用于引入功率的其他替代方案是通过波导中制成的孔或环路进行的磁耦合。通过移动部27来调整腔的共振频率。

图9图示了根据另一可能实施例的离子源40，其中，等离子体出口孔17的位置(在这种情况下，其位于圆形的第二内壁11b中)和膨胀室16的方向关于腔13改变。此外，这个实施例的离子源40的导电突起22优选地具有圆形截面，由此在腔13中保持内部对称(图9的导电突起22在同轴导体15的每一侧、顶部和底部突出)。然而，取决于腔、同轴导体和等离子体出口孔的几何形状和尺寸，图3的导电突起22可以具有不同类型的截面(可以借助模拟来优化截面，以在等离子体出口孔17的相对处获得有利于等离子体的形成和稳定性的更大的电场的集中)，使得导电突起22仅在一侧上在顶部突出。图9中图示的上部圆圈表现了当离子源40在操作时形成的共振器12(即，同轴共振腔)。

尽管在图3至图6的离子源10中，膨胀室16的主轴垂直于圆柱形腔13的轴设置，但在图9的离子源40中，这两条轴是平行的(在图9的示例中，它们重合)，其允许离子源在回旋加速器中轴向地耦合。

用于回旋加速器的内部离子源可以被径向地或轴向地引入到回旋加速器中。图10和图11分别示出了具有用于引入离子源的轴向配置的回旋加速器41(在回旋加速器的图中，诸如磁体线圈、射频加速系统、提取系统以及铁的真空和打开系统之类的部件已被省略)的前视图和透视图(部分截取的)。在图10和图11的回旋加速器41中，以图9的轴向配置引入离子源，其中，离子源的电磁和机械设计更简单。图12和图13示出了具有用于引入离子源的径向配置的回旋加速器46，其中，离子源的设计更复杂(其对应于图3至图6中表现的离子源)。在图10、图11、图12和图13中，使用了以下附图标记：

41和46-回旋加速器。

42和47-离子源法兰。它具有气体套管、波导和液体冷却(如有必要)。它还形成了真空密封。

43-气体管、波导和冷却。它们充当用于离子源的机械支撑件并可以被集成或者是独立的。如有必要，它可以包括专用支持架。在径向插入的情况下，它们通常被屏蔽，以承受被丢失的粒子的冲击。

44-磁铁。它引导磁场并被用于衰减辐射。

45-磁极(可以加工圆形部分以改变磁场)。

48-离子源。

如以上在图4的描述中所指出的，传输射频/微波能量的同轴波导24通过电源输入21耦合。耦合可以是电/电容的或磁/电感的。图14示出了如同图6中示出的实施例的实施例，但用磁耦合取代了电容耦合，其中，环路49使同轴波导24的内部导体26与主体11的内壁短路。图15和图16在两个不同的视图(顶视图和透视图，具有部分截面)中示出了另一种类型的耦合，即，通过矩形波导71进行的耦合。在这种情况下，借助将腔13接合到矩形波导71的真空的孔72执行耦合。它将充当在两侧辐射的电偶极子和磁偶极子，使得如果在一侧存在较高的能量密度，则能量就会转移到另一侧，直到它们达到平衡。在这个实施例中，由于也必须在真空下的矩形波导71，离子源10具有更大的尺寸。

图17、图18、图19和图20示出了离子源10的实施例的不同的局部截面视图(具体地，分别是前视图、顶视图、前透视图和后透视图)，其中，同轴导体15的两端(15a、15b)分别与主体11的两个圆形内壁(11a、11b)接触，因而获得λ/2同轴共振腔。

图21以示例的方式示出了其中可以使用本发明的离子源(10；30；40)的完整的射频系统50。射频系统包括具有充足功率和可调整参数以实现等离子体点燃的发生器51、具有负载53以吸收反射功率的环行器52以及具有功率计55以监视入射和反射功率的定向耦合器54。

将离子源(10；30；40)放置成浸没在由电磁体或永磁体56产生的磁场中，其中，场线的方向并不重要，仅其移动是重要的。离子源(10；30；40)通过供气入口14接合到气体注入系统57，该气体注入系统57包括气体贮存器或储气罐58并是借助调节系统59进行配量的。离子源(10；30；40)设置在具有充足真空的室60中，使得离子未被残留气体中和并且可以被加速以供后续使用。

发生器51提供必要的射频功率，并且利用连接到定向耦合器54的功率计55测量所发射的功率。发生器51被用环行器52的保护，环行器52将由离子源(10；30；40)反射的功率转移到负载53。

Claims (13)

1.一种用于回旋加速器的低腐蚀内部离子源，包括：

中空主体(11)，所述中空主体(11)的内壁(11a、11b、11c)限定圆柱形腔(13)，其中，所述主体(11)具有供气入口(14)，通过所述供气入口(14)将形成等离子体的气体引入所述腔(13)中；

同轴导体(15)，所述同轴导体(15)设置在所述主体(11)的所述腔(13)中并平行于所述腔(13)的纵向轴布置；

膨胀室(16)，所述膨胀室(16)通过在所述主体(11)中制成的等离子体出口孔(17)连接到所述腔(13)；

离子提取孔口(18)，所述离子提取孔口(18)与所述膨胀室(16)接触；

其特征在于：

所述主体(11)具有电源输入(21)，通过所述电源输入(21)将射频能量注入到所述腔(13)中；

所述主体(11)的内壁是导电的；

所述同轴导体(15)的端(15a；15b)中的至少一个端与所述主体(11)的至少一个圆形内壁(11a、11b)接触，从而形成同轴共振腔；

所述同轴导体(15)具有径向地延伸到所述腔(13)中的导电突起(22)，所述导电突起(22)与所述等离子体出口孔(17)相对。

2.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述离子源包括可移动部(27)，所述可移动部(27)通过在所述主体(11)中制成的开口部分地径向地引入到所述腔(13)中，以精细地调整所述共振腔的频率。

3.根据权利要求2所述的离子源，其特征在于，移动部(27)由导电材料制成。

4.根据权利要求2所述的离子源，其特征在于，移动部(27)由电介质材料制成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的离子源，其特征在于，所述射频能量供应是借助同轴波导(24)通过电容耦合来提供的，所述同轴波导(24)的内部导体(26)通过所述电源输入(21)被部分地引入到所述腔(13)中。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的离子源，其特征在于，所述射频能量供应是借助环路(49)通过电感耦合来提供的，所述环路(49)将所述主体(11)的内壁与通过所述电源输入(21)引入的同轴波导(24)的内部导体(26)短路。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的离子源，其特征在于，所述同轴导体(15)的第一端(15a)与所述主体(11)的圆形内壁(11a)接触，所述同轴导体的第二端(15b)是自由的，并且其中，所述导电突起(22)设置在所述同轴导体(15)的所述第二端(15b)处。

8.根据权利要求7所述的离子源，其中，所述膨胀室(16)是圆柱形的，其特征在于，所述腔(13)的纵向轴垂直于所述膨胀室(16)的纵向轴布置。

9.根据权利要求7所述的离子源，其中，所述膨胀室(16)是圆柱形的，其特征在于，所述腔(13)的纵向轴平行于所述膨胀室(16)的纵向轴布置。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的离子源，其特征在于，所述同轴导体(15)的两端(15a、15b)分别与所述主体(11)的两个圆形内壁(11a、11b)接触。

11.根据权利要求10所述的离子源，其特征在于，所述导电突起(22)设置在所述同轴导体(15)的中央部分中。

12.根据前述权利要求中任一项所述的离子源，其特征在于，整个主体(1)是导电的。

13.根据前述权利要求中任一项所述的离子源，其特征在于，所述离子源包括形成第二同轴共振腔的第二主体(11')和第二导体(15')；两个主体(11、11')的腔(13、13’)通过公共膨胀室(16)彼此连接。

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