CN113411942A - 一种离子源实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子源实验平台，包括线圈模块、磁铁结构模块、离子源模块、引出模块、真空模块、液压模块和离子源平台支撑模块：所述线圈模块包括线圈和线圈挡条，其中所述线圈的外侧安装有线圈挡条；所述磁铁结构模块包括上盖板、下盖板、第一下磁轭、第一上磁轭、第二上磁轭、第二下磁轭、上磁极、凸台和下磁极，其中所述上盖板和下盖板的分别位于线圈的上下两侧。该离子源实验平台，保证离子源实验区域所产生的磁力线分布与紧凑型回旋加速器的中心区域磁力线分布基本上保持一致；本发明的真空盒所提供的真空条件能够达到10^‑5Pa的量级，且易于操作，解决了传统离子源平台因真空腔壁薄结构设计而容易出现真空度达不到的问题。

Description

一种离子源实验平台

技术领域

本发明涉及应用在紧凑型回旋加速器的离子源性能研究技术领域，特别涉及到对于离子源结构优化的性能研究技术领域，具体为一种离子源实验平台。

背景技术

离子源用于在回旋加速器产生束流，堪称回旋加速器的心脏。离子源的性能指标包括束流强度、束流稳定性以及最佳工作气流等参数。其中，离子源最主要的性能指标为束流强度。为了研究离子源的性能，对于离子源能够产生束流强度大小的考虑是必不可少的，则需要一种平台，专门是用来研究离子源所能够产生束流强度的产额情况。

由于紧凑型回旋加速器中所使用的离子源属于潘宁离子源类型，需要一个外界磁场才能让电子在阳极筒内部与通入的氢气发生反应，并在外部电场的条件下将反应所生成的负氢离子进行引出，为紧凑型回旋加速器提供负氢离子的束流。为了研究不同结构的离子源所能够产生的束流强度，需要设计一个能够满足离子源运行条件的研究平台。

离子源的工作性能与磁场形状相关性很大。在传统的离子源平台中，由于磁极面的设计是一对上下的平行面，所产生的磁感线在磁极面之间是相互平行的，这与紧凑型回旋加速器中的磁感线分布并不一致。因此，使用传统离子源平台获得的研究结论并不准确。

另外，磁铁与离子源真空腔是分离的，实验研究中存在运动关系。由于涉及到离子源装配、真空腔的插入，离子源与磁极面之间的位置关系很难控制，所以实验结果的重复性较差。

大磁极面的相互平行设计，使真空腔被设计成一个较为狭窄的空间，不利于实验相关的部件安装至实验真空腔内部，导致传统的离子源平台拓展性较差。

独立的真空腔设计要求腔壁较薄，导致了实验中腔体会发生形变、漏气等问题，影响实验的真空度以及几何一致性；

狭小的上下面间距使引出电极与真空腔的上下端面极易发生打火，导致引出电压无法稳定加载，影响实验的开展。

因此，我们提出一种离子源实验平台，以便于解决上述中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离子源实验平台，以解决上述背景技术提出的目前传统的离子源平台中，由于磁极面的设计是一对上下的平行面，所产生的磁感线在磁极面之间是相互平行的，这与紧凑型回旋加速器中的磁感线分布并不一致，使用传统离子源平台获得的研究结论并不准确，磁铁与离子源真空腔是分离的，实验研究中存在运动关系，涉及到离子源装配、真空腔的插入，离子源与磁极面之间的位置关系很难控制，所以实验结果的重复性较差等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种离子源实验平台，包括线圈模块、磁铁结构模块、离子源模块、引出模块、真空模块、液压模块和离子源平台支撑模块：

所述线圈模块包括线圈和线圈挡条，其中所述线圈的外侧安装有线圈挡条；

所述磁铁结构模块包括上盖板、下盖板、第一下磁轭、第一上磁轭、第二上磁轭、第二下磁轭、上磁极、凸台和下磁极，其中所述上盖板和下盖板的分别位于线圈的上下两侧，且第一下磁轭和第一上磁轭与第二下磁轭和第二上磁轭之间呈对应左右对称设置在上盖板与下盖板之间，所述上磁极和下磁极呈上下对称设置在上盖板与下盖板之间，且上磁极和下磁极的内侧均设置有凸台；

所述离子源模块包括离子源、离子源支撑板、第一离子源支座、第二离子源支座和离子源波纹管法兰，其中所述离子源通过离子源支撑板利用定位螺钉和螺母固定安装在径向支撑组件的外侧，所述离子源的内部连接有离子源管道，且离子源管道的顶端外侧设置有第一离子源支座，其中所述第一离子源支座与第二离子源支座之间在真空盒的内部呈斜对称设置，同时所述第一离子源支座和第二离子源支座通过无磁性螺钉安装在真空盒的内部；

所述真空模块包括分子泵转接法兰和真空盒，所述真空盒装配安装在上磁极的下底面，且分子泵转接法兰的顶端贯穿上盖板并位于其上侧；

所述液压模块安装上磁极的外侧；

所述离子源平台支撑模块包括离子源平台支腿，所述离子源平台支腿对称固定在下盖板的底部，且下盖板的底部中间位置设置有底面盲板。

优选的，所述引出模块包括引出电机和控制电机，所述引出电机的内部安装有用于电流效应感应的检测装置，且所述控制电机连接在引出电机的外侧用于控制引出电机。

优选的，所述线圈通过线圈螺钉套管螺丝固定在真空盒的内侧。

优选的，所述分子泵转接法兰的顶端外侧用于连接分子泵和真空泵。

优选的，所述上磁极与上盖板之间以及下磁极与下盖板之间均通过内螺钉螺栓固定连接，并且上磁极的外侧通过定位销固定安装液压模块，并且上磁极通过液压模块在下磁极的上方构成升降结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该离子源实验平台，保证离子源实验区域所产生的磁力线分布与紧凑型回旋加速器的中心区域磁力线分布基本上保持一致；本发明的上下磁极面与环形真空盒构成实验的真空边界，所提供的真空条件能够达到10^-5Pa的量级，且易于操作，解决了传统离子源平台焊口多、壁薄形变导致密封处漏气的问题；本发明的刚性真空腔使离子源实验的几何环境更加稳定，实验重复性更高；本发明的真空盒设计多种接口，提高离子源平台的功能拓展性，增加对离子源的可操作性及数据采集的多样性；实验平台设计了中心凸台，并且在凸台外上下两磁极面的距离增加，减少引出电极与腔体的打火现象，为引出电源提供一个稳定的加载环境，提升离子源实验测试的稳定性，避免实验中的潜在风险；本发明设计一种离子源支座和离子源支撑板，能够稳定控制磁极面与离子源之间的安装位置，提升对离子源安装的稳定性以及增加离子源安装的工作效率；本发明还可以通过更改磁极形状、添加高频系统开展离子引出后的中心区束流动力学研究。

附图说明

图1为本发明一个具体实施方式的剖切结构示意图；

图2为本发明图1中局部视图结构示意图；

图3为本发明又一具体实施方式的示意图；

图4为图1所示具体实施方式中的仰视示意图；

图5为图1所示具体实施方式中的左视旋转90度后的示意图。

图中：1、定位销；2、引出模块；3、离子源；4、离子源管道；5、离子源支撑板；6、定位螺钉；7、线圈；8、离子源平台支腿；9、底面盲板；10、下盖板；11、第一下磁轭；12、径向支撑组件；13、螺母；14、第一上磁轭；15、线圈挡条；16、上盖板；17、线圈螺钉套管；18、离子源波纹管法兰；19、分子泵转接法兰；20、真空盒；21、第二上磁轭；22、第二下磁轭；23、上磁极；24、凸台；25、下磁极；26、内螺钉；27、第一离子源支座；28、第二离子源支座；29、无磁性螺钉。

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。

请参阅图1-5，本发明提供技术方案：一种离子源实验平台，包括线圈模块、磁铁结构模块、离子源模块、引出模块2、真空模块、液压模块和离子源平台支撑模块。

其中，线圈模块包括线圈7和线圈挡条15，当线圈7的铜线通入电流时，则会在磁场内部产生磁场，并且在中空的线圈7铜线中通入水进行冷却，以防线圈7温升过快导致线圈7出现异常，增加线圈7的使用寿命。

磁铁结构模块包括上盖板16、下盖板10、上磁极23、下磁极25、第一上磁轭14、第一下磁轭11、第二上磁轭21、第二下磁轭22以及凸台24，其主要功能是为了将线圈7所产生的磁场约束在磁铁内部，形成一个闭合磁回路，并且在上下两个磁极面上的凸台24间隙中产生磁感线分布，与紧凑型回旋加速器的磁感线分布基本上保持一致。

各个磁轭的作用是减少形成磁场向外界的发散损失，以增强真空腔磁隙内的磁场。凸台的作用是在磁铁结构模块中心构建所需的磁场场形，可以根据实际需要改变凸台的形状。凸台外界也存在磁场，但是较弱，这部分主要是提供实验的空间，并且这个区间磁场较小比较容易做束流动力学诊断。

凸台的材料通常采用纯铁,由于引出电极大部分处于无凸台的位置，无凸台的位置引出电极距离真空腔较远，不容易发生打火；另外，由于真空腔只有凸台位置较为狭小，其它位置气道开阔，有利于降低真空腔气压，降低打火风险。

离子源模块包含离子源3，离子源支撑板5，第一离子源支座27、第二离子源支座28和离子源波纹管法兰18，该模块是用于离子源3安装至本发明中，并且通过离子源定位支座来进行离子源3的定位功能，增加离子源3的安装精度以及便于离子源3的安装操作。

引出模块2主要有引出电极与控制电机，在引出电极与离子源3产生电场后，将离子源3内部的负氢离子在电场作用下进行引出，使用引出电机内部的电流检测装置来检测感应电流效应，从而达到检测离子源3产生的束流效果，并且通过控制电机，控制引出电极的位置，改变引出电极与离子源3的电力线分布，提高束流的引出效率。

真空模块包括真空盒20与分子泵转接法兰19，真空盒20装配至下磁极25顶面上，然后在液压机的作用下，上磁极23底面与真空盒20进行紧密接触，形成一个真空腔，在分子泵转接法兰19连接一个分子泵与机械泵进行抽真空处理，为离子源平台提供一个能够进行离子源平台相关的真空实验环境，且外端设备可通过真空盒20的接口安装至真空腔内部，便于开展离子源实验的操作以及相关数据的采集。

液压模块包括液压缸，对离子源平台进行开盖与闭合，便于维护真空腔内部的离子源3、外端安装设备以及磁极面。

所述离子源平台支撑模块包括离子源平台支腿，离子源平台支腿是用于支撑整个离子源平台，设计四条支腿，增加低端与地面的接触面积，以防支腿支撑不足而导致离子源平台倒塌，提高离子源平台的稳定性。

具体实施例：

在本实施例中，开启液压机，液压缸会将上磁极23，上盖板、上磁轭、上磁极23和线圈7抬升，执行离子源平台的开盖流程，然后在真空盒20中安装需要进行离子源实验及测量实验数据的外端设备，如离子源3，引出电极等。当实验设备安装至真空盒20内部且作好设备定位在真空腔内部时，将液压缸进行下降处理，封闭好上磁极23底面与真空盒20的接触，打开机械泵和分子泵，抽取真空腔内部的空气，为实验开展提高一个高真空度的真空条件。当真空度达到实验要求时，通入氢气气体至离子源3的阳极筒内部，然后给离子源3的阴极杆供电产生电子，在磁场的作用下阴极杆产生的电子进入至阳极筒内部振动，并与氢气进行反复碰撞，产生负氢离子。利用引出电极与离子源外壳所产生的电场，引出离子源3内部产生的负氢离子至引出电极内部，并测量其电流信号，从而得出离子源3所能够产生的束流强度大小，得到不同结构下离子源3产生束流的性能。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种离子源实验平台，其特征在于，包括线圈模块、磁铁结构模块、离子源模块、引出模块（2）、真空模块、液压模块和离子源平台支撑模块：

所述线圈模块包括线圈（7）和线圈挡条（15），其中所述线圈（7）的外侧安装有线圈挡条（15）；

所述磁铁结构模块包括上盖板（16）、下盖板（10）、第一下磁轭（11）、第一上磁轭（14）、第二上磁轭（21）、第二下磁轭（22）、上磁极（23）、凸台（24）和下磁极（25），其中所述上盖板（16）和下盖板（10）的分别位于线圈（7）的上下两侧，且第一下磁轭（11）和第一上磁轭（14）与第二下磁轭（22）和第二上磁轭（21）之间呈对应左右对称设置在上盖板（16）与下盖板（10）之间，所述上磁极（23）和下磁极（25）呈上下对称设置在上盖板（16）与下盖板（10）之间，且上磁极（23）和下磁极（25）的内侧均设置有凸台（24）；

所述离子源模块包括离子源（3）、离子源支撑板（5）、第一离子源支座（27）、第二离子源支座（28）和离子源波纹管法兰（18），其中所述离子源（3）通过离子源支撑板（5）利用定位螺钉（6）和螺母（13）固定安装在径向支撑组件（12）的外侧，所述离子源（3）的内部连接有离子源管道（4），且离子源管道（4）的顶端外侧设置有第一离子源支座（27），其中所述第一离子源支座（27）与第二离子源支座（28）之间在真空盒（20）的内部呈斜对称设置，同时所述第一离子源支座（27）和第二离子源支座（28）通过无磁性螺钉（29）安装在真空盒（20）的内部；

所述真空模块包括分子泵转接法兰（19）和真空盒（20），所述真空盒（20）装配安装在上磁极（23）的下底面，且分子泵转接法兰（19）的顶端贯穿上盖板（16）并位于其上侧；

所述液压模块安装上磁极（23）的外侧；

所述离子源平台支撑模块包括离子源平台支腿（8），所述离子源平台支腿（8）对称固定在下盖板（10）的底部，且下盖板（10）的底部中间位置设置有底面盲板（9）。

2.根据权利要求1所述的一种离子源实验平台，其特征在于：所述引出模块（2）包括引出电机和控制电机，所述引出电机的内部安装有用于电流效应感应的检测装置，且所述控制电机连接在引出电机的外侧用于控制引出电机。

3.根据权利要求1所述的一种离子源实验平台，其特征在于：所述线圈（7）通过线圈螺钉套管（17）螺丝固定在真空盒（20）的内侧。

4.根据权利要求1所述的一种离子源实验平台，其特征在于：所述分子泵转接法兰（19）的顶端外侧用于连接分子泵和真空泵。

5.根据权利要求1所述的一种离子源实验平台，其特征在于：所述上磁极（23）与上盖板（16）之间以及下磁极（25）与下盖板（10）之间均通过内螺钉（26）螺栓固定连接，并且上磁极（23）的外侧通过定位销（1）固定安装液压模块，并且上磁极（23）通过液压模块在下磁极（25）的上方构成升降结构。

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