CN116582997A - 一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源，包括：离子源灯丝、离子源上盖板、离子源灯丝杆、离子源内腔体、离子源外腔体、位于离子源内腔体和离子源外腔体之间的永磁铁阵列、离子源引出结构、位于该永磁铁阵列第二层和最底层以及离子源引出结构的离子源复合结构过滤场；所述离子源复合结构过滤场为磁场增厚设计的离子源复合结构过滤场，该磁场增厚设计的复合结构过滤场在过滤场最高点叠加磁场且过滤快电子；所述离子源灯丝为螺旋状四灯丝结构；所述离子源引出结构为在40kV高压下引出高于30mA负氢流强的离子源引出结构；本发明通过增强磁场强度、增厚磁场厚度的方法，解决了现有技术因为过滤磁场偏薄、偏小、导致产额不能提高的问题。

Description

一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源

技术领域

本发明属于灯丝离子源技术领域，尤其涉及一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源。

背景技术

在回旋加速器中，离子源技术是一项关键技术，离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。离子源是束流的源头，决定着束流品质，也直接影响着回旋加速器的性能。

灯丝离子源和内置天线离子源相比应用场合不同，前者为连续工作模式、后者为脉冲工作模式，连续工作模式的强流负氢灯丝离子源是近年来广泛需求的一种高产额高流强长寿命离子源，其引出流强在30mA以上，要求使用寿命大于半年，与现有技术的低产额低流强短寿命的灯丝离子源相比，高产额高流强长寿命离子源实现难点在于：

1、高产额和低产额相比，高产额产出的电子数量太多太多了，电子数量多则电子和氢气碰撞产生的快电子就多、快电子太多导致原先的磁场根本过滤不掉这么多快电子，快电子进入到引出区以后，快电子再和已经产生的负氢离子碰撞负氢离子就消失了，使得产额下降；

2、现有技术之所以“快电子太多导致原先的磁场根本过滤不掉这么多的快电子”，是因为现有技术多峰场虚拟过滤场磁场偏薄(所谓过滤场就是磁场改变方向，由竖直方向变为水平方向，由此对竖直向下的快电子进行拦截)。所述过滤场磁场偏薄是因为过滤磁场布设在接近引出口的地方，也就是在接近引出口的地方从N极到S极只有很短一端距离，理想情况下快电子遇到过滤场会180度转弯被完全弹回来，而快电子改变方向的原理是磁场使得快电子改变方向，当过滤场偏薄的时候，快电子只有一次机会改变方向，在一次机会中总有一部分达不到180度的偏转例如只有150度的偏转，当N极到S区比较长时，即使转弯度不够大也不会进入引出结构而还是在腔体内部，但是当过滤场磁场偏薄时，如果不能180度全反射回来就会有一部分快电子直接进入引出区域，由此导致快电子和引出区的负氢离子碰撞后使得负氢离子消失，重新还原为初始状态，因此负氢离子产额降低。

3、现有技术之所以“快电子太多导致原先的磁场根本过滤不掉这么多的快电子”，是因为现有技术多峰场虚拟过滤场磁场偏小。提高产额则灯丝的面积加大，加大灯丝面积就提高了灯丝电流和弧功率，因此产生的高能电子的能量就更高、高能电子能量更高对磁场强度要求更高，而现有技术的离子源虚拟过滤场磁偏小。

1)现有技术虚拟过滤场磁场偏小的原因之一是：过滤场最高峰不在腔体内。如专利号：201020700147.9、专利名称：产生虚拟过滤磁场的磁铁结构，其虚拟过滤磁场位于腔体以内、但其磁场场强的最高点位于腔体以外的引出区域的等离子体电极的下表面。由于过滤掉电子依赖于该区域的磁场场强，当磁场场强最高处不在所述腔体内时，其过滤掉的块电子也就不够充分、则有一部分快电子由于过滤不到位而进入了引出区域，由于引出区域负氢离子中掺杂了快电子，快电子就会破坏掉一部分负氢离子、使得引出区域负氢离子重新还原为初始状态，导致引出区域的负氢离子的产额减少；

2)现有技术虚拟过滤场磁场偏小的原因之二是：最新理论研究表明，高温激发态的H2*与0.5eV的慢电子相互作用产生的H-产额更高，而非先前认为的1eV，这就要求进一步提高磁场强度才能把1eV的电子也过滤掉，而现有的虚拟过滤场磁场是基于过滤掉1eV的电子而设计的，0.5eV的电子和1eV的电子相比，1eV的电子仍然能够把引出区的负氢离子破坏掉，因此，现有技术基于过滤1eV的虚拟过滤场磁场显得偏小。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源，目的在于解决高产额高流强长寿命离子源实现过程中过滤磁场偏薄和偏小，难于实现高产额的问题。

本发明为解决其技术问题，提出以下技术方案：

一种长寿命多灯丝强流多峰场负氢离子源1，其从上至下从外到内包括：离子源灯丝2、离子源上盖板1-1、离子源灯丝座1-2、离子源内腔体1-3、离子源外腔体1-4、位于离子源内腔体1-3和离子源外腔体1-4之间的永磁铁阵列3、离子源引出结构4、位于该永磁铁阵列第二层和最底层以及离子源引出结构的离子源复合结构过滤场；

所述离子源灯丝2用于产生直流电场，其外接稳流源，大电流经由位于离子源灯丝座1-2上的离子源灯丝2相连接，使得离子源灯丝2受热离子源发射电子；所述离子源灯丝2受热所发射的电子在加于离子源上盖板1-1的弧压作用下，与通入离子源的氢气发生碰撞产生负氢离子；

所述永磁铁阵列3用于提供离子源内腔体1-3的约束磁场；该永磁铁阵列3包括沿着圆周方向间隔布设的、从顶层到底层的径向磁铁阵列和切向磁铁阵列，以及最后一层过滤磁铁阵列3-1。

所述离子源复合结构过滤场用于形成复合的横向磁场进而过滤掉快电子，该离子源复合结构过滤场由过滤磁铁阵列3-1和引出结构吸极磁铁4-3组成；

其特点是：所述离子源复合结构过滤场为磁场增厚设计的离子源复合结构过滤场，该磁场增厚设计的复合结构过滤场在过滤场最高点叠加磁场且过滤快电子；所述离子源灯丝为螺旋状四灯丝结构；所述离子源引出结构4为在40kV高压下引出高于30mA负氢流强的离子源引出结构。

进一步地，所述过滤磁铁阵列3-1用于将过滤磁场最高处的位置调整于等离子体电极之前、使得快电子在到达引出结构之前被充分过滤掉、且过滤磁铁阵列3-1还用于增厚过滤磁场在轴向的分布。

进一步地，所述过滤磁铁阵列3-1将过滤磁场最高处的位置调整于等离子体电极之前，是指将过滤磁铁阵列3-1最底层中间的径向磁铁和其两侧的切向磁铁同极性并抬高、使得引出区吸极磁铁形成的磁场和过滤磁铁阵列3-1最底层中间以及两侧同极性并抬高以后形成的磁铁磁场叠加，从而实现在叠加磁场的最高点形成过滤磁场。

进一步地，所述过滤磁铁阵列3-1增厚过滤磁场在轴向的分布，是指永磁铁阵列3从上到下的第二层处，也就是灯丝位置处，加入相反极性的切向磁铁b4和切向磁铁b5以增厚过滤场，过滤磁场在轴向分布的厚度约为100mm，余下的永磁铁阵列3径向磁铁及切向磁铁用于形成约束等离子体的多峰场。

进一步地，所述将过滤磁铁阵列3-1最底层中间的径向磁铁和该径向磁铁两侧的切向磁铁同极性并抬高，具体为：过滤磁铁阵列3-1设有将永磁铁阵列3最底层的两条相对的径向磁铁替换为极性翻转的径向磁铁b2，以及在极性翻转后的径向磁铁b2两侧加入相同极性的切向磁铁b1和切向磁铁b3，抬高该径向磁铁b2、切向磁铁b1、切向磁铁b3与底面的距离，使得三个磁铁抬高的距离均为18mm。

进一步地，所述离子源引出结构4设有沿着轴向依次布设在离子源腔体底部的等离子体电极4-1、吸极4-2、吸极磁铁4-3、吸级挡板4-4、等离子体电极固定件4-5、吸极固定件4-6、地电级4-7；所述等离子体电极4-1用于接收待引出的粒子并让粒子从中间的开孔中通过；所述吸级4-2用于改善负氢离子引出的包络形状，使得该包络形状即不发散也不收缩，该吸级4-2带有尖角伸出、尖角伸向等离子体电极的下表面；所述吸极磁铁4-3用于导引负氢离子引出的轨道为直线轨道、并且使负氢束流中的电子偏转至吸级挡板；该吸极磁铁4-3分上下两层布设在吸极4-2的中间，每一层为相互倾斜的一对永磁体；所述地电级用于和等离子体电极形成负氢离子引出的电压场；其中，电极之间由绝缘体隔开，在吸极4-2与等离子体电极4-1之间加有可调的吸级电压以调节束流分布。

进一步地，上层的一对相对而设的八字形45度倾角的吸极磁铁4-3，它们各自一个方向的磁场分量方向和所述过滤磁铁阵列3-1的过滤磁场方向一致、并且两个磁场叠加在一起，由此形成过滤快电子的叠加磁场；上层的一对相对而设的八字形45度倾角的吸极磁铁4-3，它们各自另一个方向的磁场分量用于使负氢束流中的慢电子偏转至吸级挡板，实现电子与负氢离子的分离。

进一步地，所述吸极4-2与等离子体电极4-1轴向距离为4mm，吸极厚度为15mm(3*5mm)，中间嵌入两对3*5*25mm的永磁体。

进一步地，所述等离子体电极4-1中间的开孔张角约为62.5°，厚度为3mm，孔径为14mm，其对地电压为40kV；所述吸极4-2与等离子体电极4-1轴向距离为4mm，厚度为15mm(3*5mm)，中间嵌入两对3*5*25mm的永磁体；其第一孔径为10mm，尖角与等离子体电极上表面轴向距离为2.5mm，尖角伸出处孔径为22mm；第二孔径为18mm；第三孔径为14mm，为圆角，其对地电压为30-34kV，即等离子体电极与吸级之间的吸级电压为6-10kV；所述地电级厚度为5mm，与吸极轴向距离为14mm。

进一步地，所述离子源灯丝为钽丝，直径为3mm，长度约15-20cm，采用四灯丝结构，绕制成螺旋状，螺旋数量为10-12圈，螺旋圈径为8-10mm；运行时，将通入大于600A的灯丝电流。

本发明的优点效果

1、本发明通过增强磁场强度、增厚磁场厚度的方法，也就是抬高过滤场的位置、使其最高处恰好处在引出结构之前、并在此基础上增厚过滤场的方法，解决了现有技术因为过滤磁场偏薄、偏小而不能使得太多台多的快电子被拦截住，导致产额不能提高的问题。

2、本发明通过复合结构的叠加磁场增强了过滤场、进一步解决了现有技术因为过滤磁场偏薄、偏小而不能使得太多台多的快电子被拦截住、导致产额不能提高的问题:通过将上层的一对吸极磁铁4-3的磁场方向和腔体内的过滤磁铁阵列3-1的磁场方向一致时，满足了磁场叠加的条件之一；通过将两个磁场的叠加达到叠加最好的状态，满足了磁场叠加的条件之二，也就是等离子体电极4-1的厚度、以及吸极4-2到等离子体电极4-1的轴向距离，这个轴向距离为一个折中的距离：一方面兼顾电场比较好，一方面兼顾磁场也比较好、还要兼顾不会因为距离太近打火，因此选择了吸极4-2和等离子体电极之间的距离为4mm。通过以上的设计进一步实现了高产额高流强长寿命离子源的目标。

附图说明

图1为本发明负氢离子源装置示意图；

图2为本发明离子源灯丝示意图；

图3a为现有技术多峰场负氢离子源内的多峰场磁铁剖面图；

图3b为现有技术多峰场负氢离子源内的多峰场磁铁俯视图；其中a为径向磁铁阵列、b为切向磁铁阵列；

图3c为本发明多峰场负氢离子源内的过滤磁铁阵列剖面图；

图3d为本发明多峰场负氢离子源内的过滤磁铁阵列俯视图；

图4a为本发明离子源引出结构剖面图；

图4b为本发明离子源引出结构尺寸图；

图4c为本发明多峰场负氢离子源复合结构过滤场叠加磁场示意图；

图4d为本发明离子源引出结构引出30mA离子仿真束流包络线示意图。

图4e为本发明离子源引出结构下层吸极磁铁反方向磁场纠正负氢离子引出轨迹示意图；

图中：1：负氢离子源；1-1：灯丝离子源上盖板；1-2：离子源灯丝座；1-3：离子源内腔体；1-4：离子源外腔体；2：离子源灯丝；3:永磁铁阵列；4:离子源引出结构；3-1:过滤磁铁阵列；4:离子源引出结构；4-1:等离子体电极；4-2:吸极；4-3:吸极磁铁；4-4:吸级挡板；4-5:等离子体电极固定件；4-6:吸极固定件；4-7:地电级。

具体实施方式

本发明设计原理

1、解决现有技术过滤磁场偏薄问题的设计__本发明高产额强流负离子源增厚过滤磁场的设计原理：过滤磁场增厚要同时配合二个条件才能真正起到增厚的作用。增厚的目的是把太多太多的快电子拦截在离子源腔体内，使得快电子不会进入引出区。把太多太多的快电子拦截在离子源腔体内，靠的是过滤磁场的强度和过滤磁场的厚度。增加磁场厚度的目的就是将快电子的转弯由一次转弯变成多次转弯，多次转弯才能形成最后的180度大转弯，但如果磁场的强度不够，每次转弯的角度小或者被转弯的快电子数量少，那么到达引出口终点时仍然有一部分快电子不能完全被拦截而会进入引出结构。因此，过滤磁场的强度和厚度二者是相辅相成的。

本发明增强过滤场磁场强度的方法就是抬高过滤场的位置，使其最高处恰好处在引出结构之前，在此基础上增厚过滤场。①过滤场的形成：本发明过滤场如图3c、3d所示，在图3c中，过滤场方向是与计算机屏幕垂直的方向、也就是穿入纸面的方向。将图3c顺时针旋转的90度并从俯视角度看就是图3d的方向，图3d所示过滤场为横向过滤场。过滤场的形成方法是采用将最底层的3块磁铁为同极性磁铁、并且是180度相对布设，即：同极性S的180度的另一端即为极性为N的3块磁铁；在图3d的横向过滤场中，N极在右S极在左，由此形成了指向左边的过滤场横向磁场。由于横向磁场垂直于与它垂直的竖直方向的磁场、改变了磁场方向，因此能够拦截快电子使快电子改变方向。②抬高过滤场使其最高点位于引出结构前：为了阻止快电子进入到引出结构破坏负氢离子，需将图3c的过滤场抬高，过滤场抬高如图3c中间的b1、b2、b3磁极被抬高所示，经过计算，本发明将3块磁铁抬高于底层18mm，此时过滤场最高处恰好处在引出结构之前。③增厚过滤场：由于灯丝离子源其电子路径较长，而较厚的过滤场可以更好地过滤电子，因此需将图3d的过滤场增厚，过滤场增厚如图3c中间的5、6磁极被抬高所示，经过计算，本发明将2块与1、2、3磁铁反向的磁铁抬高于多峰场磁铁第二层处(灯丝所处位置)可使得过滤场厚度为100mm。

2、解决现有技术过滤磁场偏小问题的设计__本发明高产额强流负离子源复合结构过滤场的设计：

①形成用于约束等离子体的多峰场：本发明的多峰场磁铁既包括径向磁铁也包括切向磁铁(所述径向磁铁就是极性指向半径方向，所述切向磁铁就是极性指向圆周的切向方向)，形成用于约束等离子体的约束场。与现有技术相比，本发明的最后一层多峰场磁铁，既有径向磁铁也有切向磁铁，多峰场磁铁最底层如图3c所示。

②形成用于过滤高能电子的过滤场：对于多峰场负氢离子源而言，离子源等离子体腔由上到下分为高温放电腔和低温离子引出区两部分。在高温放电腔中，真空中残存电子在灯丝处产生的直流电场加速下与氢气分子或氢原子相互碰撞产生高能激发态的H2*。激发态的H2*与慢电子在放电腔中相互作用产生负氢离子H-，此反应称为离解吸附反应。但负氢离子H-会被快电子破坏。由此高温放电腔和低温离子引出区被过滤磁场分割成两部分，过滤场的作用是保证放电腔中的慢电子进入到引出区以便于产生负氢离子，同时阻止快电子进入到引出区破坏已形成的负氢离子。它是多峰场负氢离子源极为关键的一环，它的结构直接影响着负氢离子的产额。

③本发明抬高过滤场使其最高处恰好处在引出结构之前，并增厚过滤场。所述抬高最底层3块磁极以后使得过滤磁场恰好处在引出结构之前，如图4a所示，既是落在等离子电极4-1的上表面或者上表面附近的区域。现有技术由于没有抬高3块磁极相对于底面的距离，并且由于吸极磁铁的场强大于底层3块磁铁的场强，使得叠加后的过滤磁场的最高点落在等离子体电极的下表面，这样，腔体内的过滤磁场就不是过滤磁场的最高点，且现有技术采用过滤场减薄设计，使得现有技术的过滤磁场偏弱。

④叠加磁场的设计原理：复合结构的叠加磁场增强了过滤场、进一步提高了产额:吸极磁铁4-3分上下两层布设在吸极4-2的中间，每一层为相互倾斜的一对永磁体，当上层的一对吸极磁铁4-3的磁场方向和腔体内的过滤磁铁阵列3-1的磁场方向一致时，则满足了磁场叠加的条件之一；磁场叠加的条件之二是将两个磁场的叠加达到叠加最好的状态，而决定两个磁场的叠加达到叠加最好的状态取决于等离子体电极4-1的厚度、以及吸极4-2到等离子体电极4-1的轴向距离，当等离子体电极的厚度越厚或者吸极4-2到等离子体电极4-1的轴向距离越远时，两个磁场叠加得越弱。同时在电位差一定的条件下(等离子体电极对地电位为40kv，吸极电极对地电位为34kv)，两个电极的距离越远则电场对等离子体鞘层形状影响越小，但是距离太近了就容易击穿。因此本发明选择了一个折中的数字：一方面兼顾电场比较好，一方面兼顾磁场也比较好、还要兼顾不会因为距离太近打火，因此选择了吸极4-2和等离子体电极之间的距离为4mm。

3、高产额强流负氢离子源引出结构的设计：①吸级场的设计原理：当离子源腔体内产生大量等离子体，此时40kV高压将等离子体引出，引出的等离子体将在等离子体电极上形成等离子体鞘层，由此决定等离子体发射面形状，进而改变引出束流的形状。本发明采用吸级场可在不改变引出能量的前提下影响等离子体鞘层形状，从而改善束流引出状态。②等离子体电极4-1厚度的设计原理：若等离子体电极过厚，以及等离子体电极4-1上表面与吸级4-2之间的吸级电压太弱，则吸级场不能很好地渗入发射孔内，引出能力降低，因此本设计中，在不影响结构强度的前提下，应尽量减小等离子体电极4-1的厚度，并选取合适的吸级电压。③吸极4-2尖角的设计原理：吸级带有尖角伸出，可增强渗入发射孔内的吸级场，同时由于空间电荷效应，吸极4-2的厚度及其与等离子体电极4-1的轴向距离的增大均使散角增大，因此本设计中，吸级的厚度及其与等离子体电极的轴向距离应在冷却与避免击穿的条件下取最小值。④吸极4-2磁铁的设计原理：根据研究表明，当负氢离子引出时会伴有100倍的电子束(慢)被引出，因此本设计中，需在满足吸级4-2尺寸的情况下，在吸级嵌入合适的磁铁，使电子偏转至吸级挡板上。⑤地电级4-7的设计原理：孔径大小对引出束的性能影响不大，但其孔径决定了最终注入加速器的束流半径。

4、高产额强流负氢离子源灯丝结构设计：①多灯丝设计：本发明采用的灯丝为钽丝，在真空中钽丝与钨丝的电子发射特性基本相同，但在实践中发现，由钽丝产生的负氢离子束流更亮，流强更高，但在更高的电弧电流下比钨灯丝退化得更快。灯丝数量的增加即意味着发射电子数量的增加，等离子体电离程度更高，引出流强大。②螺旋状增粗灯丝的设计：采用螺旋形状的、增粗灯丝，是因为在有限的空间内增粗的灯丝螺旋缠绕后总体长度更长，在通入大电流运行时材质损耗较小，即使用寿命大大增加。此外，螺旋缠绕后的灯丝电子发射面积更大，增加了电子发射数量。

基于以上发明原理，本发明设计了一种长寿命多灯丝强流多峰场负氢离子源1

一种长寿命多灯丝强流多峰场负氢离子源1如图1、图2，其从上至下从外到内包括：离子源灯丝2、灯丝离子源上盖板1-1、离子源灯丝座1-2、离子源内腔体1-3、离子源外腔体1-4、位于离子源内腔体1-3和离子源外腔体1-4之间的永磁铁阵列3、离子源引出结构4、位于该永磁铁阵列第二层和最底层以及离子源引出结构的离子源复合结构过滤场；

所述离子源灯丝2用于产生直流电场，其外接稳流源，大电流经由位于离子源灯丝座1-2上的离子源灯丝2相连接，使得离子源灯丝2受热离子源发射电子；所述离子源灯丝2受热所发射的电子在加于灯丝离子源上盖板1-1的弧压作用下，与通入离子源的氢气发生碰撞产生负氢离子；

所述永磁铁阵列3用于提供离子源内腔体1-3的约束磁场；该永磁铁阵列3包括沿着圆周方向间隔布设的、从顶层到底层的径向磁铁阵列和切向磁铁阵列，以及最后一层过滤磁铁阵列3-1。

所述离子源复合结构过滤场用于形成复合的横向磁场进而过滤掉快电子，该离子源复合结构过滤场由过滤磁铁阵列3-1和引出结构吸极磁铁4-3组成；

其特点是：所述离子源复合结构过滤场为磁场增厚设计的离子源复合结构过滤场，该磁场增厚设计的复合结构过滤场在过滤场最高点叠加磁场且过滤快电子；所述离子源灯丝为螺旋状四灯丝结构；所述离子源引出结构4为在40kV高压下引出高于30mA负氢流强的离子源引出结构。

进一步地，如图3c、图4c所示，所述过滤磁铁阵列3-1用于将过滤磁场最高处的位置调整于等离子体电极之前、使得快电子在到达引出结构之前被充分过滤掉、且过滤磁铁阵列3-1还用于增厚过滤磁场在轴向的分布。

进一步地，如图3c、图4c所示，所述过滤磁铁阵列3-1将过滤磁场最高处的位置调整于等离子体电极之前，是指将过滤磁铁阵列3-1最底层中间的径向磁铁和其两侧的切向磁铁同极性并抬高、使得引出区吸极磁铁形成的磁场和过滤磁铁阵列3-1最底层中间以及两侧同极性并抬高以后形成的磁铁磁场叠加，从而实现在叠加磁场的最高点形成过滤磁场。

进一步地，如图3c所示，所述过滤磁铁阵列3-1增厚过滤磁场在轴向的分布，是指永磁铁阵列3从上到下的第二层处，也就是灯丝位置处，加入相反极性的切向磁铁b4和切向磁铁b5以增厚过滤场，过滤磁场在轴向分布的厚度约为100mm，余下的永磁铁阵列3径向磁铁及切向磁铁用于形成约束等离子体的多峰场。

进一步地，如图3c所示，所述将过滤磁铁阵列3-1最底层中间的径向磁铁和该径向磁铁两侧的切向磁铁同极性并抬高，具体为：过滤磁铁阵列3-1设有将永磁铁阵列3最底层的两条相对的径向磁铁替换为极性翻转的径向磁铁b2，以及在极性翻转后的径向磁铁b2两侧加入相同极性的切向磁铁b1和切向磁铁b3，抬高该径向磁铁b2、切向磁铁b1、切向磁铁b3与底面的距离，使得三个磁铁抬高的距离均为18mm。

进一步地，如图4a、4b所示，所述离子源引出结构4设有沿着轴向依次布设在离子源腔体底部的等离子体电极4-1、吸极4-2、吸极磁铁4-3、吸级挡板4-4、等离子体电极固定件4-5、吸极固定件4-6、地电级4-7；所述等离子体电极4-1用于接收待引出的粒子并让粒子从中间的开孔中通过；所述吸级4-2用于改善负氢离子引出的包络形状，使得该包络形状即不发散也不收缩，该吸级4-2带有尖角伸出、尖角伸向等离子体电极的下表面；所述吸极磁铁4-3用于导引负氢离子引出的轨道为直线轨道、并且使负氢束流中的电子偏转至吸级挡板；该吸极磁铁4-3分上下两层布设在吸极4-2的中间，每一层为相互倾斜的一对永磁体；所述地电级用于和等离子体电极形成负氢离子引出的电压场；其中，电极之间由绝缘体隔开，在吸极4-2与等离子体电极4-1之间加有可调的吸级电压以调节束流分布。

进一步地，如图4a、4b所示，上层的一对相对而设的八字形45度倾角的吸极磁铁4-3，它们各自一个方向的磁场分量方向和所述过滤磁铁阵列3-1的过滤磁场方向一致、并且两个磁场叠加在一起，由此形成过滤快电子的叠加磁场；上层的一对相对而设的八字形45度倾角的吸极磁铁4-3，它们各自另一个方向的磁场分量用于使负氢束流中的慢电子偏转至吸级挡板，实现电子与负氢离子的分离。

进一步地，如图4a、4b所示，所述吸极4-2与等离子体电极4-1轴向距离为4mm，吸极厚度为15mm(3*5mm)，中间嵌入两对3*5*25mm的永磁体。

进一步地，所述等离子体电极4-1中间的开孔张角约为62.5°，厚度为3mm，孔径为14mm，其对地电压为40kV；所述吸极4-2与等离子体电极4-1轴向距离为4mm，厚度为15mm(3*5mm)，中间嵌入两对3*5*25mm的永磁体；其第一孔径为10mm，尖角与等离子体电极上表面轴向距离为2.5mm，尖角伸出处孔径为22mm；第二孔径为18mm；第三孔径为14mm，为圆角，其对地电压为30-34kV，即等离子体电极与吸级之间的吸级电压为6-10kV；所述地电级厚度为5mm，与吸极轴向距离为14mm。

进一步地，所述离子源灯丝为钽丝，直径为3mm，长度约15-20cm，采用四灯丝结构，绕制成螺旋状，螺旋数量为10-12圈，螺旋圈径为8-10mm；运行时，将通入大于600A的灯丝电流。

需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源(1)，其从上至下从外到内包括：离子源灯丝(2)、灯丝离子源上盖板(1-1)、离子源灯丝座(1-2)、离子源内腔体(1-3)、离子源外腔体(1-4)、位于离子源内腔体(1-3)和离子源外腔体(1-4)之间的永磁铁阵列(3)、离子源引出结构(4)、位于该永磁铁阵列第二层和最底层以及离子源引出结构的离子源复合结构过滤场；

所述离子源灯丝(2)用于产生直流电场，其外接稳流源，大电流经由位于离子源灯丝座(1-2)上的离子源灯丝(2)相连接，使得离子源灯丝(2)受热离子源发射电子；所述离子源灯丝(2)受热所发射的电子在加于灯丝离子源上盖板(1-1)的弧压作用下，与通入离子源的氢气发生碰撞产生负氢离子；

所述永磁铁阵列(3)用于提供离子源内腔体1-3的约束磁场；该永磁铁阵列(3)包括沿着圆周方向间隔布设的、从顶层到底层的径向磁铁阵列和切向磁铁阵列，以及最后一层过滤磁铁阵列(3-1)；

所述离子源复合结构过滤场用于形成复合的横向磁场进而过滤掉快电子，该离子源复合结构过滤场由过滤磁铁阵列(3-1)和引出结构吸极磁铁(4-3)组成；

其特征在于：所述离子源复合结构过滤场为磁场增厚设计的离子源复合结构过滤场，该磁场增厚设计的复合结构过滤场在过滤场最高点叠加磁场且过滤快电子；所述离子源灯丝为螺旋状四灯丝结构；所述离子源引出结构(4)为在40kV高压下引出高于30mA负氢流强的离子源引出结构。

2.根据权利要求1所述一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源(1)，其特征在于：所述过滤磁铁阵列(3-1)用于将过滤磁场最高处的位置调整于等离子体电极之前、使得快电子在到达引出结构之前被充分过滤掉、且过滤磁铁阵列(3-1)还用于增厚过滤磁场在轴向的分布。

3.根据权利要求2所述一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源(1)，其特征在于：所述过滤磁铁阵列(3-1)将过滤磁场最高处的位置调整于等离子体电极之前，是指将过滤磁铁阵列(3-1)最底层中间的径向磁铁和其两侧的切向磁铁同极性并抬高、使得引出区吸极磁铁形成的磁场和过滤磁铁阵列3-1最底层中间以及两侧同极性并抬高以后形成的磁铁磁场叠加，从而实现在叠加磁场的最高点形成过滤磁场。

4.根据权利要求2所述一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源(1)，其特征在于：所述过滤磁铁阵列(3-1)增厚过滤磁场在轴向的分布，是指永磁铁阵列(3)从上到下的第二层处，也就是灯丝位置处，加入相反极性的切向磁铁b4和切向磁铁b5以增厚过滤场，过滤磁场在轴向分布的厚度约为100mm，余下的永磁铁阵列(3)径向磁铁及切向磁铁用于形成约束等离子体的多峰场。

5.根据权利要求3所述一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源(1)，其特征在于：所述将过滤磁铁阵列(3-1)最底层中间的径向磁铁和该径向磁铁两侧的切向磁铁同极性并抬高，具体为：过滤磁铁阵列(3-1)设有将永磁铁阵列3最底层的两条相对的径向磁铁替换为极性翻转的径向磁铁b2，以及在极性翻转后的径向磁铁b2两侧加入相同极性的切向磁铁b1和切向磁铁b3，抬高该径向磁铁b2、切向磁铁b1、切向磁铁b3与底面的距离，使得三个磁铁抬高的距离均为18mm。

6.根据权利要求1所述一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源(1)，其特征在于：所述离子源引出结构(4)设有沿着轴向依次布设在离子源腔体底部的等离子体电极(4-1)、吸极(4-2)、吸极磁铁(4-3)、吸级挡板(4-4)、等离子体电极固定件(4-5)、吸极固定件(4-6)、地电级(4-7)；所述等离子体电极(4-1)用于接收待引出的粒子并让粒子从中间的开孔中通过；所述吸级(4-2)用于改善负氢离子引出的包络形状，使得该包络形状即不发散也不收缩，该吸级(4-2)带有尖角伸出、尖角伸向等离子体电极的下表面；所述吸极磁铁(4-3)用于导引负氢离子引出的轨道为直线轨道、并且使负氢束流中的电子偏转至吸级挡板；该吸极磁铁(4-3)分上下两层布设在吸极(4-2)的中间，每一层为相互倾斜的一对永磁体；所述地电级(4-7)用于和等离子体电极(4-1)形成负氢离子引出的电压场；其中，电极之间由绝缘体隔开，在吸极(4-2)与等离子体电极(4-1)之间加有可调的吸级电压以调节束流分布。

7.根据权利要求6所述一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源(1)，其特征在于：上层的一对相对而设的八字形45度倾角的吸极磁铁(4-3)，它们各自一个方向的磁场分量方向和所述过滤磁铁阵列(3-1)的过滤磁场方向一致、并且两个磁场叠加在一起，由此形成过滤快电子的叠加磁场；上层的一对相对而设的八字形45度倾角的吸极磁铁(4-3)，它们各自另一个方向的磁场分量用于使负氢束流中的慢电子偏转至吸级挡板，实现电子与负氢离子的分离。

8.根据权利要求6所述一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源(1)，其特征在于：所述吸极(4-2)与等离子体电极(4-1)轴向距离为4mm，吸极(4-2)厚度为15mm(3*5mm)，中间嵌入两对3*5*25mm的永磁体。

9.根据权利要求1所述一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源(1)，其特征在于：所述等离子体电极(4-1)中间的开孔张角约为62.5°，厚度为3mm，孔径为14mm，其对地电压为40kV；所述吸极(4-2)与等离子体电极(4-1)轴向距离为4mm，厚度为15mm(3*5mm)，中间嵌入两对3*5*25mm的永磁体；其第一孔径为10mm，尖角与等离子体电极上表面轴向距离为2.5mm，尖角伸出处孔径为22mm；第二孔径为18mm；第三孔径为14mm，为圆角，其对地电压为30-34kV，即等离子体电极与吸级之间的吸级电压为6-10kV；所述地电级厚度为5mm，与吸极轴向距离为14mm。

10.根据权利要求1所述一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源(1)，其特征在于：所述离子源灯丝为钽丝，直径为3mm，长度约15-20cm，采用四灯丝结构，绕制成螺旋状，螺旋数量为10-12圈，螺旋圈径为8-10mm；运行时，将通入大于600A的灯丝电流。