CN114828382B - 一种混合超导ecr离子源装置 - Google Patents

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张雪珍
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    • H05H15/00—Methods or devices for acceleration of charged particles not otherwise provided for, e.g. wakefield accelerators

Abstract

本发明涉及一种混合超导ECR离子源装置，包括：等离子体放电室以及固定安装在所述等离子体放电室外侧的注入系统、磁体系统和束流引出系统；所述注入系统与所述等离子体放电室的注入端密封连接，用于向所述等离子体放电室内提供微波功率和被电离材料；所述磁体系统包括依次套设在所述等离子体放电室外侧的多极永磁体和超导线圈磁体，所述超导线圈磁体用于形成轴向磁镜场，所述多极永磁体用于形成径向磁镜场；所述束流引出系统密封连接在所述等离子体放电室的引出端，用于将形成的高电荷的离子体束流引出。

Description

一种混合超导ECR离子源装置
技术领域
本发明涉及一种加速器领域，尤其涉及一种混合超导ECR离子源装置。
背景技术
ECR(Electron Cyclotron Resonance)离子源是利用电子在磁场中回旋频率与馈入微波频率相等发生共振，获得能量的电子通过逐级碰撞电离产生高电荷态离子，然后引出多种电荷态离子束。
约束磁场的强度和馈入微波频率决定了ECR离子源产生强流高电荷态离子束的性能，约束磁场由轴向磁镜场和径向多极磁场叠加而成，第一代ECR离子源运行微波频率10GHz以下，第二代运行微波频率10GHz-18GHz，第三代运行微波频率18GHz-28GHz，第四代运行微波频率28GHz以上。目前高性能的室温ECR离子源运行微波频率为18GHz，轴向磁镜场峰值仅能达到2.6T，线圈消耗的电功率约200kW；全超导ECR离子源可运行在18GHz以上的微波频率，集成超导多极线圈后结构复杂且制造难度大、周期长、造价高，运行过程中内部结构存在任何一点微小滑动都会引起失超。室温ECR离子源消耗功率高且性能无法达到全超导ECR离子源，全超导ECR离子源性能高但是制造运行维护风险高。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种混合超导ECR离子源装置，能在18GHz-24GHz频率下运行，离子源装置结构稳定可靠，且易于操作维护、造价成本低、运行功耗低的结构紧凑型混合超导ECR离子源，能产生He-U的强流高电荷态离子束。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明提供一种混合超导ECR离子源装置，包括：等离子体放电室以及固定安装在所述等离子体放电室外侧的注入系统、磁体系统和束流引出系统；
所述注入系统与所述等离子体放电室的注入端密封连接，用于向所述等离子体放电室内提供微波功率和被电离材料；
所述磁体系统包括依次套设在所述等离子体放电室外侧的多极永磁体和超导线圈磁体，所述超导线圈磁体用于形成轴向磁镜场，所述多极永磁体用于形成径向磁镜场；
所述束流引出系统密封连接在所述等离子体放电室的引出端，用于将形成的高电荷的离子体束流引出。
进一步的，所述磁体系统还包括套设在所述多极永磁体外侧的磁体有机绝缘罩，所述超导线圈磁体固定安装在所述有机绝缘罩的外侧。
进一步的，所述超导线圈磁体包括安装骨架以及沿着轴向方向间隔安装在所述安装骨架上的四组超导线圈，所述超导线圈磁体的注入端线圈用于形成最高注入磁场Binj，所述超导线圈磁体的引出端用于形成最高引出磁场Bext，所述注入端和引出端安装有两组中间线圈，两组所述中间线圈用于调节中间最低磁场Bmin。
进一步的，所述轴向磁镜场峰值能达到3.4T，多极永磁体径向磁场能达到1.4T以上。
进一步的，还包括制冷机和绝热杜瓦容器，所述制冷机固定安装在所述超导线圈的外侧，所述杜瓦容器套设在所述制冷机和超导线圈磁体的外侧，所述制冷机和绝热杜瓦容器用于为所述超导线圈提供低温环境。
进一步的，所述磁体系统还包括超导线圈外侧的软铁，所述软铁安装在四组超导线圈的外侧。
进一步的，所述杜瓦容器内低温环境可采用传导冷却或液氦浸泡式。
进一步的，所述多极永磁体为钕铁硼的N系列、M系列、H系列、SH系列、UH系列、EH系列或AH系列应用级的磁材料，结构分布可采用四极、六极、八极或十二极形式。
进一步的，所述注入系统包括注入真空腔体以及安装在所述注入真空腔体内的微波波导、电离材料馈入结构和负偏压盘，所述电离材料馈入结构包括金属固体材料馈入炉管和气体馈管。
进一步的，所述束流引出系统包括等离子体电极、抑制电极、地电极和聚焦螺线管，所述等离子体电极固定安装在所述等离子体放电室的引出端与所述等离子体放电室成为一体，所述抑制电极和地电极连接为一体，用于将所述离子体束流引出，并通过所述聚焦螺线管控制束流包络。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
本发明的混合超导ECR离子源装置由带水冷结构的等离子体放电室、注入系统、超导线圈磁体、多极永磁体、磁体有机绝缘罩和束流引出系统组成，磁场分布是由轴向非对称磁镜场和径向多极磁场组成，注入和引出两端通过机械泵和分子泵的组合方式，等离子体放电室内静态真空可达到约10e-8mbar。调试离子源磁场时只需给超导电源设定电流目标值和上升速率，到达电流目标值后打开附属的微波机、进气微调阀或加热电源、高压电源、抑制电源，后端即可获取多种电荷态离子束。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是混合超导ECR离子源装置的结构示意图。
附图中各标记表示如下：
1-微波波导；2-金属固体材料馈入炉管；3-气体馈管；4-负偏压盘；5-注入真空腔体；6-等离子体放电室；7-多极永磁体；8-磁体有机绝缘罩；9-注入端线圈；10，11-超导中间线圈1；12-引出端线圈；13-安装骨架；14-超导线圈固定软铁；15-失超保护电路；16-制冷机；17-杜瓦容器；18-等离子体电极；19-抑制电极；20-地电极；21-高压绝缘陶瓷筒；22-聚焦螺线管。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明的实施例提供了一种混合超导ECR离子源装置，包括等离子体放电室以及固定安装在所述等离子体放电室外侧的注入系统、磁体系统和束流引出系统。所述注入系统与所述等离子体放电室的注入端密封连接，用于向所述等离子体放电室内提供微波功率和被电离材料；所述磁体系统包括依次套设在所述等离子体放电室外侧的多极永磁体和超导线圈磁体，所述超导线圈磁体用于形成轴向磁镜场，所述多极永磁体用于形成径向磁镜场；所述束流引出系统密封连接在所述等离子体放电室的引出端，用于将形成的高电荷的离子体束流引出。所述混合超导ECR离子源装置能在18GHz-24GHz频率下运行，离子源装置结构稳定可靠，且易于操作维护、造价成本低、运行功耗低的结构紧凑型混合超导ECR离子源，能产生He-U的强流高电荷态离子束。
如图1所示，所述注入系统与所述等离子体放电室6的注入端密封连接，用于向所述等离子体放电室6内提供微波功率和被电离材料。所述注入系统包括注入真空腔体5以及安装在所述注入真空腔体5内的微波波导1、电离材料馈入结构和负偏压盘4。所述电离材料馈入结构包括金属固体材料馈入炉管2和气体馈管3。所述注入真空腔体5对接离子源等离子体放电室6，所述微波波导1传输一定频率微波。所述负偏压盘4用于提供额外冷电子或金属溅射靶。所述注入真空腔体5的另一端连接微波功率源、电源和进气调节系统，整个注入端与等离子体放电室6流导较好，利于获取高真空。
所述磁体系统包括依次套设在所述等离子体放电室6外侧的多极永磁体7和超导线圈磁体，所述超导线圈磁体用于形成轴向磁镜场，所述多极永磁体7用于形成径向磁镜场。所述磁体系统还包括套设在所述多极永磁体7外侧的磁体有机绝缘罩8。等离子体放电室6在引出离子束时工作在高压电位，多极永磁体7外层的磁体有机绝缘罩8是将超导线圈磁体隔离，隔离30kV左右的磁体有机绝缘罩8厚度约5mm，超导线圈磁体及相关附属设备工作在地电位。
所述超导线圈磁体包括安装骨架13以及沿着轴向方向间隔安装在所述安装骨架13上的四组超导线圈，超导线圈磁体是多组线圈组成的螺线管磁体，产生磁场区的孔径大小根据多极永磁体7外径尺寸决定，根据运行微波频率f(GHz)提供相应的磁镜场分布。所述超导线圈磁体的注入端线圈9用于形成最高注入磁场Binj，所述超导线圈磁体的引出端线圈12用于形成最高引出磁场Bext，所述注入端线圈和引出端线圈安装有两组中间线圈10,11，两组所述中间线圈10,11，用于调节中间最低磁场Bmin，所述安装骨架13固定套设在所述多极永磁体7的外侧。
所述轴向磁镜场峰值能达到3.4T，多极永磁体7径向磁场能达到1.4T以上。
为实现四组超导线圈超导状态要达到一定低温环境，所述磁体系统还包括制冷机16和绝热杜瓦容器17，所述制冷机16固定安装在所述超导线圈的外侧，所述杜瓦容器17套设在所述制冷剂16的外侧，所述制冷剂16和绝热杜瓦容器17用于为所述超导线圈提供低温环境。
所述磁体系统还包括超导线圈固定软铁14，所述超导线圈固定软铁14用将四组所述超导线圈固定安装在所述安装骨架13上。
所述磁体系统还包括失超保护电路15，所述失超保护电路15固定安装在所述超导线圈固定软铁14，用于检测超导线圈的电压值，当所述电压值超过阀值时，失超保护电路会被触发，实施失超保护。超导线圈磁体的供电和低温监测通过杜瓦容器17外部提供接口。
所述多极永磁体7优选为钕铁硼的N系列、M系列、H系列、SH系列、UH系列、EH系列和AH系列应用级的磁材料，结构分布可采用四极、六极、八极或十二极形式。在等离子体放电室6壁上产生的径向磁场Brad根据运行微波频率决定。多极永磁体7放置于超导线圈磁体产生磁场的孔径内部，两种磁体叠加在一起，在等离子体放电室6的中心平面产生类似勺子形状的三维最小磁场，多极永磁体7上的充磁磁力线分布能抵抗外部相反方向的磁场强度，整个多极永磁体7的长度和超导线圈磁体产生的磁镜长度相当。
所述束流引出系统包括等离子体电极18、抑制电极19、地电极20和聚焦螺线管22，所述等离子体电极18固定安装在所述等离子体放电室6的引出端与所述等离子体放电室6成为一体，所述抑制电极19和地电极20连接为一体，用于将所述离子束流引出，并通过所述聚焦螺线管22控制束流包络。等离子体放电室6内部产生的高电荷态离子，通过特定角度和孔径的等离子体电极，加载高压后和抑制电极形成电位差引出多种电荷态离子束，具备水冷结构的等离子体放电室6和等离子体电极可一体装配，高压端与地电位之间通过高压绝缘陶瓷筒21隔离，加速间隙的控制可通过齿轮传动结构移动抑制电极和地电极，获得能量的多种电荷态离子束进入聚焦螺线管22，控制束流传输的包络轨迹。
工作原理为：
多极永磁体7和超导线圈磁体在等离子体放电室6内合成三维磁约束场，然后将微波功率通过传输至等离子体放电室6，同时通过电离材料馈入结构将电离材料馈入至等离子体放电室6，负偏压盘4提供额外冷电子注入，在等离子体放电室6内产生等离子体后，等离子体放电室6上加载高压后通过束流引出系统引出离子束。磁体有机绝缘罩8将超导磁体系统隔离在低压端，超导螺线管22磁体包含了四个超导磁体线圈和低温系统。
本发明提供的混合超导ECR离子源装置，能在18GHz-24GHz频率下运行，离子源装置结构稳定可靠，且易于操作维护、造价成本低、运行功耗低的结构紧凑型混合超导ECR离子源，能产生He-U的强流高电荷态离子束。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种混合超导ECR离子源装置，其特征在于，包括：
等离子体放电室以及固定安装在所述等离子体放电室外侧的注入系统、磁体系统和束流引出系统；
所述注入系统与所述等离子体放电室的注入端密封连接，用于向所述等离子体放电室内提供微波功率和被电离材料；
所述磁体系统包括依次套设在所述等离子体放电室外侧的多极永磁体和超导线圈磁体，所述超导线圈磁体用于形成轴向磁镜场，所述多极永磁体用于形成径向磁镜场；
所述束流引出系统密封连接在所述等离子体放电室的引出端，用于将形成的高电荷的离子体束流引出；
所述磁体系统还包括套设在所述多极永磁体外侧的有机绝缘罩，所述超导线圈磁体固定安装在所述有机绝缘罩的外侧；
所述超导线圈磁体包括安装骨架以及沿着轴向方向间隔安装在所述安装骨架上的四组超导线圈，所述超导线圈磁体的注入端线圈用于形成最高注入磁场Binj，所述超导线圈磁体的引出端线圈用于形成最高引出磁场Bext，所述注入端线圈和引出端线圈之间安装有两组中间线圈，两组所述中间线圈用于调节中间最低磁场Bmin；
所述的混合超导ECR离子源装置还包括制冷机和绝热杜瓦容器，所述制冷机固定安装在所述超导线圈的外侧，所述杜瓦容器套设在所述制冷机和超导线圈磁体的外侧，所述制冷机和绝热杜瓦容器用于为所述超导线圈提供低温环境。
2.根据权利要求1所述的混合超导ECR离子源装置，其特征在于，所述轴向磁镜场峰值能达到3.4T，多极永磁体径向磁场能达到1.4T以上。
3.根据权利要求1所述的混合超导ECR离子源装置，其特征在于，所述磁体系统还包括超导线圈外侧的软铁，所述软铁安装在四组超导线圈的外侧。
4.根据权利要求1所述的混合超导ECR离子源装置，其特征在于，所述杜瓦容器内低温环境采用传导冷却或液氦浸泡式。
5.根据权利要求1所述的混合超导ECR离子源装置，其特征在于，所述多极永磁体为钕铁硼的N系列、M系列、H系列、SH系列、UH系列、EH系列或AH系列应用级的磁材料，结构分布采用四极、六极、八极或十二极形式。
6.根据权利要求1所述的混合超导ECR离子源装置，其特征在于，所述注入系统包括注入真空腔体以及安装在所述注入真空腔体内的微波波导、电离材料馈入结构和负偏压盘，所述电离材料馈入结构包括金属固体材料馈入炉管和气体馈管。
7.根据权利要求1所述的混合超导ECR离子源装置，其特征在于，所述束流引出系统包括等离子体电极、抑制电极、地电极和聚焦螺线管，所述等离子体电极固定安装在所述等离子体放电室的引出端与所述等离子体放电室成为一体，所述抑制电极和地电极连接为一体，用于将所述离子体束流引出，并通过所述聚焦螺线管控制束流包络。
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