CN114899067A - 一种八极永磁体结构天线内置式rf离子源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种八极永磁体结构天线内置式RF离子源，属于离子源技术领域，有效解决了现有天线外置式RF离子源存在功率利用效率低和高频电磁辐射信号对紧凑型中子发生器电源及控制系统干扰的问题，包括放电腔体，所述放电腔体外侧壁上通过磁场线包支架设置有馈入端磁场线包、八极永磁体和引出端磁场线包，放电腔体的尾端可拆卸安装有束流引出端封装组件，其有益效果在于：通过采用前后端磁场线包和八极永磁体耦合的方式，产生的耦合磁场可形成有效地约束磁场，减小了离子源放电腔内高密度等离子体对离子源放电腔体的轰击概率，延长了离子源的使用寿命，同时通过利用束流引出端封装组件实现引出端的可拆卸安装，便于RF内置天线的安装更换。
Description
技术领域
本发明属于离子源技术领域，具体涉及一种八极永磁体结构天线内置式RF离子源。
背景技术
强流氘氘(D-D)和氘氚(D-T)聚变反应加速器中子源是重要的单能中子源(简称中子发生器)，可广泛应用于核数据测量、核聚变堆基础研究、军工基础研究、快中子应用技术等领域。D-D和D-T聚变反应的特点是，在较低的D束流能量下，有较大的反应截面，即可用低能加速器加速D离子束，轰击氘钛(TiD)靶或氚钛(TiT)靶发生氘氘(D-D)或氘氚(D-T)聚变反应产生强的快中子。为了开展中子活化分析、中子照相和爆炸物检测等中子应用技术工作，急需可移动式、高产额、紧凑型中子发生器的成功研制。
目前，国内包含兰州大学在内的几家研究机构已研制出了紧凑型中子发生器，但其D-D和D-T中子产额仅达到了108n/s和1010n/s量级，中子产额偏低，还不能完全和很好地满足中子应用技术开发的实际需求。研制中子产额更高(D-D和D-T中子产额达到109n/s和1011n/s量级)的紧凑型中子发生器已成为中子应用技术开发的迫切需要。
紧凑型中子发生器的中子产额与前端的离子源引出束流强度和束流中的单原子离子比密切相关。实验研究发现，在一定范围内，可以通过增加束流强度来提高紧凑型中子发生器的产额。但是，增大束流强度会给紧凑型中子发生器靶面的冷却带来极大的挑战，这限制了紧凑型中子发生器在高产额下长时间稳定运行。而研制出单原子离子比高的先进离子源可有效解决该问题，使得紧凑型中子发生器的D-D和D-T中子产额达到109n/s和1011n/s量级。
目前常用的离子源有潘宁离子源、双等离子源、ECR离子源和高频(RF)离子源。其中，潘宁源和双等离子源单原子离子比较低(<50％)；ECR离子源单原子离子比较高，但ECR离子源需要较为复杂和体积偏大的微波系统，造价昂贵且不易小型化；传统天线外置式RF离子源存在功率利用效率低和高频电磁辐射信号对紧凑型中子发生器电源及控制系统干扰的问题。
目前市场上出现了一些天线内置式离子源，如申请号为201810932686.6公开的中国发明专利《一种内置天线式高频离子源装置》，该装置采用的是前后端12级永磁体加中间磁场线包的方式，经模拟验证其描述磁场设计达不到轴向和径向磁镜场分布，不能有效约束放电腔内的高密度等离子体。并且，引出系统不利于引出加速聚焦离子束，拆卸安装较为麻烦。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种八极永磁体结构天线内置式RF离子源，通过采用了高频(RF)天线内置、内置式天线涂瓷、磁场线包和八极永磁体形成耦合场和引出端封装等技术，实现了目前的紧凑型中子发生器产额提高一个量级的目标，能够使得紧凑型中子发生器的D-D和D-T中子产额达到109n/s和1011n/s量级。同时，在八极永磁体结构天线内置式RF离子源的引出端采用了可拆卸式结构，可方便更换内置天线。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种八极永磁体结构天线内置式RF离子源，包括放电腔体23、RF内置天线10、馈入端磁场线包11、引出端磁场线包14、八极永磁体13、束流引出端封装组件、屏蔽罩1、进气孔5和冷却系统，其特征在于：所述放电腔体23前端设置有馈入端封闭板8，放电腔体23内部设置有RF内置天线10，放电腔体23外侧壁上设置有磁场线包支架21，磁场线包支架21内部从前端到尾端依次设置有馈入端磁场线包11、八极永磁体13和引出端磁场线包14，所述放电腔体23的尾端可拆卸安装有束流引出端封装组件，束流引出端封装组件的外沿处通过引出端磁轭15固定连接有屏蔽罩1。
所述束流引出端封装组件由钼制引出板18、一级固定封装法兰20和二级固定封装法兰17组成，钼制引出板18位于放电腔体23尾端内部，钼制引出板18的中间位置上设置有束流引出孔19，钼制引出板18的外沿处卡合设置有引出端磁轭15，引出端磁轭15可拆卸固定设置在放电腔体23上，所述一级固定封装法兰20通过二级固定封装法兰17安装固定在引出端磁轭15上。
所述钼制引出板18靠近RF内置天线一端的内壁为倾斜状，且其与放电腔体23内壁之间的夹角为100°。
所述磁场线包支架21外侧包裹设置有磁场线包磁轭12。
所述馈入端磁场线包11、八极永磁体13和引出端磁场线包14之间均设置有凸起的支架，支架固定设置在磁场线包支架21上。
所述八极永磁体13的单级极扇形角为40°，相邻永磁体之间留有用于安装八极永磁体支架的缝隙，八极永磁体支架固定设置在磁场线包支架21上。
所述放电腔体23尾端设置有密封槽，密封槽内放置有引出端真空封装“O”型密封圈16。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)通过采用前后端磁场线包和八极永磁体耦合的方式，产生的耦合磁场可形成有效地约束磁场，减小了离子源放电腔内高密度等离子体对离子源放电腔体的轰击概率，延长了离子源的使用寿命；
2)通过在引出端设置束流引出端封装组件，实现了引出端的可拆卸安装，便于RF内置天线的安装更换，降低了后期维护成本，具有良好的经济效益；
3)本发明结构紧凑，解决了传统天线外置式RF离子源存在功率利用效率低和高频电磁辐射信号对紧凑型中子发生器电源及控制系统干扰的问题，保证了在紧凑型中子发生器束流强度大于4mA的前提下，使得引出束流中的单原子离子比大于80％，能够让紧凑型中子发生器的D-D和D-T中子产额达到109n/s和1011n/s量级，保证了紧凑型中子发生器的稳定运行。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例图1中A处的局部放大结构示意图。
图3是本发明实施例中八极永磁体分布和充磁方向示意图。
图4是本发明实施例的放电腔内轴向磁场分布图。
图5是本发明实施例的放电腔内径向磁场分布图。
图6是本发明实施例的引出端电势等位面分布图。
图7是本发明实施例的引出端电场分布图。
附图序号及名称：屏蔽罩1、腔体冷却液入口2、馈入端真空封装“O”型密封圈3、天线冷却液入口4、进气孔5、绝缘陶瓷封接件6、天线冷却液出口7、馈入端封闭板8、腔体冷却液出口9、RF内置天线10、馈入端磁场线包11、磁场线包磁轭12、八极永磁体13、引出端磁场线包14、引出端磁轭15、引出端真空封装“O”型密封圈16、二级固定封装法兰17、钼制引出板18、束流引出孔19、一级固定封装法兰20、磁场线包支架21、八极永磁体支架22、放电腔体23、放电腔24。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明所述的一种八极永磁体结构天线内置式RF离子源，包括放电腔体23、RF内置天线10、馈入端磁场线包11、引出端磁场线包14、八极永磁体13、束流引出端封装组件、屏蔽罩1、进气孔5和冷却系统，其特征在于：所述放电腔体23前端设置有馈入端封闭板8，放电腔体23内部设置有RF内置天线10，放电腔体23外侧壁上设置有磁场线包支架21，磁场线包支架21外侧包裹设置有磁场线包磁轭12，所述磁场线包支架21内部从前端到尾端依次设置有馈入端磁场线包11、八极永磁体13和引出端磁场线包14，馈入端磁场线包11、八极永磁体13和引出端磁场线包14之间均设置有凸起的支架，支架固定设置在磁场线包支架21上；所述放电腔体23的尾端可拆卸安装有束流引出端封装组件，束流引出端封装组件的外沿处通过引出端磁轭15固定连接有屏蔽罩1，所述八极永磁体结构天线内置式RF离子源的整体外形尺寸为：长度L＝300mm，直径Φ＝280mm。
如图2所示，所述束流引出端封装组件由钼制引出板18、一级固定封装法兰20和二级固定封装法兰17组成，钼制引出板18位于放电腔体23尾端内部，钼制引出板18的中间位置上设置有束流引出孔19，钼制引出板18的外沿处卡合设置有引出端磁轭15，引出端磁轭15可拆卸固定设置在放电腔体23上，所述一级固定封装法兰20通过二级固定封装法兰17安装固定在引出端磁轭15上。
所述放电腔体23尾端设置有密封槽，密封槽内放置有引出端真空封装“O”型密封圈16。
本发明的工作原理为：在八极永磁体结构天线内置式RF离子源产生等离子体之前，首先需要将冷却液以固定流速通过腔体冷却液入口2注入到RF离子源的冷却通道内，最后通过腔体冷却液出口9流出。对由外径8mm、内经6mm的铜管绕制而成的RF内置天线10，冷却液通过天线冷却液入口4流入到天线冷却通道内，最后由天线冷却液出口7流出，以实现天线的良好冷却。通过同时采用两路冷却系统对放电腔24进行降温，能够有效实现放电腔24的降温效率，保证离子源内部的稳定可靠运行。
为减小等离子体对RF内置天线10的轰击，将在处于放电腔24内的天线铜管外表面涂一层薄的陶瓷，提高了天线的使用寿命，RF内置天线10通过陶瓷金属封接工艺安装在铁质的馈入端封闭板8上。
待八极永磁体结构天线内置式RF离子源的整体冷却系统开启后，将工作气体(氘气)以可控流速从进气孔5通入到RF离子源放电腔24内；功率可调的高频电源(最大功率1000W、工作频率为12.56MHz)通过天线前端安置的自动匹配器将高频功率馈入到RF内置天线10上，RF内置天线10在RF离子源放电腔24内产生高频电磁场，电子在高频电磁场的作用下将沿着RF离子源的轴向作往复式螺旋运动。在此过程中，电子将电离氘气，产生高密度等离子体。产生的高密度等离子体会轰击RF离子源放电腔体23和RF内置天线10，使RF离子源放电腔体23和RF内置天线10的温度升高，因此，需要在离子源工作之前，首先开启整体冷却循环系统，保证RF离子源的稳定运行。
为了解决离子源放电腔24内等离子体的约束问题，减小离子源放电腔24内高密度等离子体对离子源放电腔体23的轰击概率，延长离子源的使用寿命。采用了馈入端线包11、引出端线包14和八极永磁体13相耦合的独特设计方案，设计的离子源放电腔24内径为80mm，轴向长度125mm；引出端线包14轴向厚度25mm、径向厚度为50mm；馈入端线包11轴向厚度45mm、径向厚度50mm；八极永磁体13的轴向长度为45mm，径向厚度30mm，充磁强度1T，充磁方向如图3中黑色箭头所示。所述八极永磁体13的单极扇形角为40°，永磁体之间留有角向间距5mm缝隙用于安装八极永磁体支架22。
馈入端线包11、引出端线包14和八极永磁体13产生的耦合磁场对离子源放电腔24内的等离子体实现轴向和径向约束。利用有限元软件模拟了离子源放电腔24内的轴向磁场分布如图4所示，径向磁场分布如图5所示。由模拟结果可知，离子源放电腔24内产生的磁场可达到1750Guss，完全可以达到约束电子的目的。轴向的磁场约束有利于高密度等离子体的产生，径向的磁场约束可减小等离子体对离子源放电腔体23的轰击概率，增长离子源的使用寿命。
同时，耦合磁场对离子源放电腔24内等离子体的约束可保证在引出束流强度大于4mA的前提下，单原子离子比可达80％以上。能够实现目前的紧凑型中子发生器产额提高一个量级的目标，使得紧凑型中子发生器的D-D和D-T中子产额达到109n/s和1011n/s量级。
在RF内置天线10和耦合磁场共同作用下产生的等离子体在加速电极的作用下通过束流引出孔19被引出，引出孔19的内径为3mm，轴向长度为4mm。离子源放电腔体内24引出端设置有由金属钼制成的内置引出板18，相比于其他材质，钼制引出板18可在一定程度降低等离子体轰击造成的表面结构损伤。如图2所示，采用的钼制引出板18设计有100°的倒角结构，利于离子束的引出，引出端采用可拆卸的束流引出端封装组件，可方便地进行RF内置天线10的更换操作。
从图6所示的八极永磁体结构天线内置式RF离子源引出端电势等位面分布可以看出，束流引出孔19的下圆锥形结构在引出加速电极作用下形成一个更加理想的弯月面，利于离子束的聚焦引出。同时，从图7所示的八极永磁体结构天线内置式RF离子源引出端电场等位面分布可以看出，加速腔内的最大电场不大于70kV/cm，小于高真空击穿电场100kV/cm的限值，可保证紧凑型中子发生器稳定运行。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理。
Claims (6)
1.一种八极永磁体结构天线内置式RF离子源，包括放电腔体(23)、RF内置天线(10)、馈入端磁场线包(11)、引出端磁场线包(14)、八极永磁体(13)、束流引出端封装组件、屏蔽罩(1)、进气孔(5)和冷却系统，其特征在于：所述放电腔体(23)前端设置有馈入端封闭板(8)，放电腔体(23)内部设置有RF内置天线(10)，放电腔体(23)外侧壁上设置有磁场线包支架(21)，磁场线包支架(21)内部从前端到尾端依次设置有馈入端磁场线包(11)、八极永磁体(13)和引出端磁场线包(14)，所述放电腔体(23)的尾端可拆卸安装有束流引出端封装组件，束流引出端封装组件的外沿处通过引出端磁轭(15)固定连接有屏蔽罩(1)。
2.根据权利要求1所述的一种八极永磁体结构天线内置式RF离子源，其特征在于：所述束流引出端封装组件由钼制引出板(18)、一级固定封装法兰(20)和二级固定封装法兰(17)组成，钼制引出板(18)位于放电腔体(23)尾端内部，钼制引出板(18)的中间位置上设置有束流引出孔(19)，钼制引出板(18)的外沿处卡合设置有引出端磁轭(15)，引出端磁轭(15)可拆卸固定设置在放电腔体(23)上，所述一级固定封装法兰(20)通过二级固定封装法兰(17)安装固定在引出端磁轭(15)上。
3.根据权利要求2所述的一种八极永磁体结构天线内置式RF离子源，其特征在于：所述钼制引出板(18)靠近RF内置天线一端的内壁为倾斜状，且其与放电腔体(23)内壁之间的夹角为100°。
4.根据权利要求1所述的一种八极永磁体结构天线内置式RF离子源，其特征在于：所述馈入端磁场线包(11)、八极永磁体(13)和引出端磁场线包(14)之间均设置有凸起的支架，支架固定设置在磁场线包支架(21)上。
5.根据权利要求4所述的一种八极永磁体结构天线内置式RF离子源，其特征在于：所述八极永磁体(13)的单级极扇形角为40°，相邻永磁体之间留有用于安装八极永磁体支架的缝隙，八极永磁体支架固定设置在磁场线包支架(21)上。
6.根据权利要求1所述的一种八极永磁体结构天线内置式RF离子源，其特征在于：所述放电腔体(23)尾端设置有密封槽，密封槽内放置有引出端真空封装“O”型密封圈(16)。
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| CN202210292012.0A CN114899067A (zh) | 2022-03-24 | 2022-03-24 | 一种八极永磁体结构天线内置式rf离子源 |
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|---|---|
| CN114899067A true CN114899067A (zh) | 2022-08-12 |
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|---|---|---|---|---|
| US4906900A (en) * | 1989-04-03 | 1990-03-06 | Board Of Trustees Operating Michigan State University | Coaxial cavity type, radiofrequency wave, plasma generating apparatus |
| US20030184205A1 (en) * | 2000-11-03 | 2003-10-02 | Johnson Wayne L. | Hall effect ion source at high current density |
| CN109216151A (zh) * | 2018-08-16 | 2019-01-15 | 兰州大学 | 一种内置天线式高频离子源装置 |
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-
2022
- 2022-03-24 CN CN202210292012.0A patent/CN114899067A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4906900A (en) * | 1989-04-03 | 1990-03-06 | Board Of Trustees Operating Michigan State University | Coaxial cavity type, radiofrequency wave, plasma generating apparatus |
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| CN217562512U (zh) * | 2022-03-24 | 2022-10-11 | 兰州大学 | 一种八极永磁体结构天线内置式rf离子源 |
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