CN1649071A - 用于产生大面积强流脉冲离子束的外磁绝缘离子二极管 - Google Patents

Abstract

等离子体/离子工程学领域中，用于产生大面积强流脉冲离子束的外磁绝缘离子二极管，包括镶嵌聚乙烯薄膜[4]的阳极[1]、设有均布通透栅格[15]的阴极[12]，特征：阳极和阴极均设计为椭圆扇环形柱状结构，阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]的窄端[5]为4.1～4.8mm，宽端[2]为5.1～6mm，聚乙烯薄膜的面积为230×100～260×200mm²，均布通透栅格的数量为108～220个，使阴极内薄板[7]有效通透度保持65％，脉冲磁场强度为0.89～1.04T；优点：与已有圆扇环形柱状结构二极管相比，在二极管脉冲电压及其宽度分别保持为300kV和50～70ns时，获得束流密度和功率密度分别为300A/cm²和100MW/cm²，而离子束不均匀性为6％～10％，降低40％以上，束斑面积为100～300cm²，增大3～11倍。

Description

用于产生大面积强流脉冲离子束的外磁绝缘离子二极管

技术领域

本发明涉及到用于产生大面积强流脉冲离子束(High-Intensity Pulsed IonBeam-HIPIB)的外磁绝缘离子二极管(Externally Magnetically Insulated ionDiode-EMID)，属于等离子体/离子工程学领域。

背景技术

强流脉冲离子束通常指离子能量E＝10⁵～10⁷eV，脉冲宽度τ≤1μs，离子束流密度J_i＞＞1A/cm²，功率密度p＝10⁷～10¹⁴W/cm²，能量密度q＞1J/cm²的离子束；亦称之为强脉冲离子束(Intense Pulsed Ion Beam-IPIB)或高功率离子束(High Power Ion Beam-HPIB)，HIPIB技术起源于20世纪70年代末期的惯性约束核聚变和高能密度物理研究，在过去的二十多年里，具有短脉冲、中等功率的(10⁶～10⁹W/cm²)强流脉冲离子束，因具有对材料表面瞬间辐照效应，在材料表面工程领域引起了广泛关注，特别是在金属/非金属材料表面改性、离子束混合、薄膜沉积和纳米粉末制备等方面应用的巨大潜力已逐步显露。

20世纪80年代初期美国Cornell大学最早开展了HIPIB半导体的退火和注入研究，并建造了适用于材料表面工程的中等功率外磁绝缘LONGSHOT型HIPIB装置，此后，美国、俄罗斯、日本、中国等国科学家们研制了各自的HIPIB装置，HIPIB装置主要包括高功率脉冲电源和离子二极管，目前高功率脉冲电源技术的发展相对成熟，HIPIB装置研发水平主要取决于离子二极管的性能，成为当前HIPIB装置研究的核心问题。

目前，HIPIB离子二极管装置主要分为无磁绝缘离子二极管、自磁绝缘离子二极管和外磁绝缘离子二极管三种类型；其中，外磁绝缘离子二极管由脉冲磁场电源产生外加脉冲磁场来抑制电子流、改善空间电荷分布，从而提高离子束束流密度，因其磁场可控，形成的离子束波动性很小，离子束流密度较高，是目前应用最广泛的HIPIB离子源。

常见外磁绝缘离子二极管主要有凹球型、环状型、平面型和圆扇环柱状形结构。

凹球型外磁绝缘离子二极管，如ETIGO型，因其几何聚焦好，但其二极管脉冲电压高及其产生大功率密度离子束的工作特性决定其阳极膜工作寿命短，通常仅能使用一次。

环状型外磁绝缘离子二极管，如Anaconda型，具有聚焦结构，但因其采用的外加磁场为非闭环式，所以磁场分布不均匀，导致产生的离子束空间分布不均匀。

平面型外磁绝缘离子二极管，如MUK型，其非聚焦的几何结构使其离子束流密度很低，通常比聚焦结构低1～2个量级。

圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管是近年来发展起来的一种二极管结构，如2003年，大连理工大学X.P.Zhu等在Review of ScientificInstruments 74卷1期，发表了关于TEMP型外磁绝缘离子二极管的工作特性的论文《Characterization of a high-intensity unipolar-mode pulsed ion source withimproved magnetically insulated diode》，成为现有TEMP型离子二极管技术的典型，其二极管脉冲电压为300kV，脉冲电压宽度为70ns，阳极内柱面的凹槽内镶嵌均布多孔的220×100mm²聚乙烯薄膜，用以产生C⁺和H⁺轻离子，可重复使用多次；其阴极包围阳极形成单匝闭环磁场线圈结构，产生闭合脉冲磁场最大值约为0.5T，脉冲持续时间约为20μs，该结构改善了磁场分布的均匀性；阳极和阴极均由无磁钢制作，均采用圆扇环形柱状结构，阳极的柱面和阴极的柱面高度均为110mm，镶嵌聚乙烯薄膜的阳极内柱面竖直投影为圆弧，该圆半径r_ca为150mm，设有均布通透栅格的阴极内薄板外柱面竖直投影为圆弧，其圆半径r_cc为140mm，阳极圆心和阴极圆心距离为2mm，阳极内柱面与阴极内薄板外柱面间间隙逐渐增大，其窄端为6mm，宽端为8mm，阴极内薄板设有80个4×40mm²均布通透栅格，用以引出离子束，形成较好的几何聚焦，产生的离子束束流密度较高，可产生束斑面积达25cm²，束流密度达300A/cm²的强流脉冲离子束；但这种结构存在下列不足：①形成的离子束空间分布不均匀，不均匀性超过50％以上；②形成的离子束束斑面积小，最大仅为25cm²；产生上述不足的原因是由于：①阳极和阴极采用圆扇环形柱状结构，几何聚焦导致其形成的离子束束斑面积小且离子束空间分布不均匀；②脉冲磁场强度小，导致其形成的离子束空间分布不均匀；③聚乙烯薄膜面积小，导致其形成的离子束束斑面积小。

发明内容

本发明的目的和任务是要克服现有强流脉冲离子束圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管存在的：①圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，形成的离子束空间分布不均匀；②圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，形成的离子束束斑面积小的不足，并提供能产生大面积离子束束斑，和空间分布较均匀，且离子束束流密度可达300A/cm²、功率密度达100MW/cm²的强流脉冲离子束的椭圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，特提出本发明的技术解决方案。

本发明的基本构思是：将圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，改为椭圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管；利用减小阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]距离的方法；增大聚乙烯薄膜[4]面积的方法；增加阴极内薄板[7]均布通透栅格[15]数量使阴极内薄板[7]有效通透度保持不变的方法；采用提高脉冲磁场强度的方法；获得具有大面积束斑，空间分布较均匀和束流密度达300A/cm²、功率密度达100MW/cm²的强流脉冲离子束。

本发明所提出的用于产生大面积强流脉冲离子束的外磁绝缘离子二极管，包括以阳极内柱面[22]和外柱面[27]为特征的扇环形柱状阳极[1]，由阴极内薄板[7]和外薄板[10]围成的扇环形柱状阴极[12]，阴极[12]包围阳极[1]形成闭环结构，阴极内薄板外柱面[26]和外薄板内柱面[24]分别与阳极内柱面[22]和外柱面[27]保持固定间隙，阳极[1]和阴极[12]均由无磁钢制作，阳极内柱面[22]镶嵌均布多孔的聚乙烯薄膜[4]，阴极内薄板[7]设有均布通透栅格[15]，阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间具有单调变化的间隙[3]，阳极[1]与高功率脉冲电源[11]相连，阴极[12]接地且与脉冲磁场电源[8]相连，其特征在于：阳极[1]和阴极[12]均采用椭圆扇环形柱状结构，阳极[1]的柱面和阴极[12]的柱面高度均为110～210mm，镶嵌聚乙烯薄膜[4]的阳极内柱面[22]竖直投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为110～157mm，短半轴为92～120mm，离心率为0.42～0.64，阳极扇环宽度[13]为40mm，阴极[12]薄板厚度为4mm，设有均布通透栅格[15]的阴极内薄板外柱面[26]竖直投影也为椭圆弧，该椭圆长半轴为104.6～151.8mm，短半轴为87.2～116mm，离心率与阳极相同，阴极扇环宽度[14]为59～62mm，阳极和阴极椭圆扇环短轴扭转角[9]为1～3°；阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]的窄端[5]距离为4.1～4.8mm，宽端[2]的距离为5.1～6mm；阳极内柱面[22]的凹槽[6]内镶嵌的聚乙烯薄膜[4]的面积为230×100～260×200mm²；阴极内薄板[7]设有均布通透栅格[15]的数量为108～220个，每个栅格面积保持为4×40mm²，使阴极内薄板[7]有效通透度保持65％。

本发明的进一步特征在于：高功率脉冲电源[11]产生的二极管脉冲电压保持为300kV，脉冲电压宽度保持为50～70ns，脉冲磁场电源[8]形成的脉冲磁场强度为0.89～1.04T，其脉冲持续时间仍保持为20μs，可获得束斑面积达100～300cm²、离子束不均匀性为6％～10％、束流密度保持为300A/cm²、功率密度保持为100MW/cm²的强流脉冲离子束。

本发明所提出的“外磁绝缘离子二极管”，其中“外磁绝缘”的含义是指，利用脉冲磁场电源[8]产生外加脉冲磁场，从而抑制电子流、改善空间电荷分布，提高离子束束流密度，其中“离子”的含义是指带正电的轻离子，主要是H⁺和C⁺。

本发明所提出的“阳极[1]和阴极[12]均采用椭圆扇环形柱状结构”，其中“椭圆扇环形柱状结构”的含义是指镶嵌聚乙烯薄膜[4]的阳极内柱面[22]竖直投影为椭圆弧，阳极内柱面[22]与阳极外柱面[27]是通过两端直径为阳极扇环宽度[13]的光滑圆弧面，而使整个阳极构成一个椭圆扇环形柱状结构，设有均布通透栅格[15]的阴极内薄板外柱面[26]竖直投影为椭圆弧，阴极内薄板[7]与阴极外薄板[10]是通过两端交叉且相互错开的光滑曲面，所围成的形状而构成一个中间为通孔的扇环形柱状结构。

本发明所提出用于产生大面积强流脉冲离子束的外磁绝缘离子二极管，使用中各参数的选择确定是按下述原则进行的，在此予以说明，

二极管脉冲电压和脉冲电压宽度：脉冲电压宽度为40～100ns的中等功率脉冲电源技术相对成熟，所以选择二极管脉冲电压为300kV，脉冲宽度为50～70ns；

脉冲磁场强度的确定：为了有效地获得高效、均匀的强流脉冲离子束，采用的脉冲磁场强度为2倍临界磁场强度B_crit，其中“临界磁场强度B_crit”，是指电子的拉莫(Lamor)半径恰好小于阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]时所加的磁场，可用下式表示：

$B_{\mathrm{crit}}=\frac{1}{d_{\mathrm{eff}}}\sqrt{\frac{{2m}_e}{e}}{(1+\frac{\mathrm{eV}}{{2m}_e{c}^2})}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

$d_{\mathrm{eff}}=d_s[1-\left(\frac{d_s}{{2r}_a}\right)]---\left(2\right)$

式(1)和(2)中，d_eff为经修正后的阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙窄端[5]距离，m_e为电子的静止质量，V为二极管脉冲电压，e为电子的电量，c为光速，d_s为阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙窄端[5]距离，r_a为阳极内柱面[22]椭圆长半轴长度，所以，当二极管脉冲电压为300kV，阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙窄端[5]d_s取下限值为4.1mm，则脉冲磁场强度取上限值为1.04T，当二极管脉冲电压为300kV，阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙窄端[5]d_s取上限值为4.8mm，则脉冲磁场强度取下限值为0.89T；

阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]结构的确定：是根据电子在电磁场中行为确定的，电子在电磁场作用下，从阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙窄端[5]漂移到宽端[2]，导致电子聚集宽端[2]，形成虚阴极，为避免因电子聚集端部形成虚阴极，导致其附近的阳极[1]局部击穿和阳极[1]严重烧蚀，和尽可能避免因虚阴极的存在导致电场分布的改变，以致引起离子束流密度的不均匀，二极管采用不均匀间隙结构，即电子聚集端部间隙比窄端[5]宽虚阴极厚，虚阴极厚度Δd可用下式表示：

$\mathrm{\Δd}=d_s{[{\left(\frac{B}{B_{\mathrm{crit}}}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{eV}}{2m_e{c}^2}\right)}^2]}^{-1}---\left(3\right)$

式(3)中，d_s为阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]窄端[5]距离，B为脉冲磁场强度，B_crit为临界磁场强度，e为电子的电量，V为二极管脉冲电压，m_e为电子的静止质量，c为光速，由此得阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙宽端[2]距离d_b为：

          d_b＝d_s+Δd                                           (4)

所以当阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙窄端[5]d_s取上限值4.8mm时，阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙宽端[2]d_b取上限值6.0mm，当阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙窄端[5]d_s取下限值4.1mm时，阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙宽端[2]d_b取下限值5.1mm；

离子束束斑面积的确定：是由阳极[1]椭圆尺寸和镶嵌于阳极内柱面[22]的凹槽[6]内聚乙烯薄膜[4]尺寸共同确定的，当阳极[1]椭圆长半轴取上限值为157mm，短半轴取上限值为120mm，聚乙烯薄膜[4]长度取上限值为260mm时，则束斑长度为上限值150mm，聚乙烯薄膜[4]宽度取上限值为200mm，则束斑宽度为上限值200mm，即束斑面积取上限值为150×200mm²；当椭圆长半轴取下限值为110mm，短半轴取下限值为92mm，聚乙烯薄膜[4]长度取下限值为230mm时，则束斑长度为下限值100mm，聚乙烯薄膜[4]宽度取下限值为100mm，则束斑宽度为下限值100mm，即束斑面积为下限值100×100mm²；

离子束流密度J_i的确定：是根据二极管脉冲电压，阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙窄端[5]距离，脉冲磁场强度大小，阳极内柱面[22]的凹槽[6]内镶嵌的聚乙烯薄膜[4]面积，和均布通透栅格[15]总面积，以及形成的离子束束斑面积共同确定的，其值为

$J_i=T_r\×\stackrel{\‾}{J_i}\×\frac{S_a}{S}---\left(5\right)$

式(5)中，

           J_i＝n×J_iCL                                     (6)

$J_{\mathrm{iCL}}=\frac{{4\mathrm{\ϵ}}_0}{9}{\left(\frac{{2Z}_{i}e}{m_i}\right)}^{\frac{1}{2}}\frac{{U_d}^{\frac{3}{2}}}{{d_s}^2}---\left(7\right)$

式(5)～(7)中，T_r为阴极内薄板[7]有效通透度，即均布通透栅格[15]总面积占阴极内薄板[7]面积之比， J_i为T_r等于100％时平面型离子二极管离子束流密度，S_a为阳极内柱面[22]的凹槽[6]内镶嵌的聚乙烯薄膜[4]面积，S为形成的离子束束斑面积，n为与二极管脉冲电压和脉冲磁场强度相关的系数，J_iCL为柴尔德-朗缪(Child-Langmuir)限制离子束流密度，ε₀为真空介电常数，Z_i为单个离子所带电荷数，e为电子的电量，m_i为离子质量，U_d为二极管脉冲电压，d_s为阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙窄端[5]距离，当二极管脉冲电压取值为300kV，脉冲磁场强度为2倍临界磁场强度B_crit时，则n取值为5，所以，当阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙窄端[5]d_s取最大值为4.8mm，脉冲磁场强度取最小值为0.89T，聚乙烯薄膜[4]面积取最小值为230×100mm²，均布通透栅格[15]总面积取最小值为(4×40)mm²×108(相应的阴极内薄板[7]有效通透度为65％)，产生的离子束束斑面积取最小值为100×100mm²时，产生以H⁺为主的离子束束流密度约为300A/cm²；当阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙窄端[5]d_s取最小值为4.1mm，脉冲磁场强度取最大值为1.04T，聚乙烯薄膜[4]面积取最大值为260×200mm²，均布通透栅格[15]总面积取最大值为(4×40)mm²×220(相应的阴极内薄板[7]有效通透度为65％)，产生的离子束束斑面积为最大值150×200mm²时，产生以H⁺为主的离子束束流密度约为300A/cm²。

本发明的主要优点是：①由于采用椭圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管结构具有几何散焦的特点，以及采用提高脉冲磁场强度的方法，相对于圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，其形成的离子束空间分布较均匀；②由于采用椭圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管结构具有几何散焦的特点，以及采用增大聚乙烯薄膜[4]面积的方法，相对于圆扇环形柱状结构的外磁绝缘二极管，其束斑面积大，可达100×100～150×200mm²，而由于减小了阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]尺寸，增大了聚乙烯薄膜[4]面积，其离子束流密度保持为300A/cm²、功率密度保持约为100MW/cm²。

表1是本发明技术与已有技术数据对比结果，表中显示，二极管脉冲电压、脉冲电压宽度、单个通透栅格面积、阴极内薄板[7]有效通透度、聚乙烯薄膜[4]厚度、阳极扇环宽度[13]、阴极[12]薄板厚度、脉冲磁场持续时间、束流密度和功率密度与已有技术均相同，依次分别为300kV、50～70ns、4×40mm²、65％、2mm、40mm、4mm、20μs、300A/cm²和100MW/cm²；而本发明将圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，改为椭圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，阳极[1]的柱面和阴极[12]的柱面高度均增加为110～210mm，镶嵌聚乙烯薄膜[4]的阳极内柱面[22]竖直投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为110～157mm，短半轴为92～120mm，离心率为0.42～0.64，设有均布通透栅格[15]的阴极内薄板外柱面[26]投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为104.6～151.8mm，短半轴为87.2～116mm，离心率与阳极相同，阴极扇环宽度[14]减小为59～62mm，阳极和阴极椭圆扇环短轴扭转角[9]为1～3°；减小了阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]结构的尺寸，其窄端[5]的距离减小为4.1～4.8mm，其宽端[2]的距离减小为5.1～6mm；增大了阳极内柱面[22]的凹槽[6]内镶嵌的聚乙烯薄膜[4]的面积，其值为230×100～260×200mm²；增加了均布通透栅格[15]的数量，其个数为108～220个；增大了脉冲磁场强度，其值为0.89～1.04T；与已有椭圆扇环形柱状结构的二极管相比，离子束不均匀性仅为6％～8％，降低40％以上，形成离子束束斑面积达100～300cm²，增大了3～11倍。

附图说明

本发明共设计6个附图，图1是本发明所设计的用于产生大面积强流脉冲离子束外磁绝缘离子二极管正视结构示意图，图2是图1的仰视结构示意图，图3是图1的A-A截面结构示意图，图4是本发明所提出的阳极与阴极结构关系示意图，图5是本发明所设计的用于产生大面积强流脉冲离子束外磁绝缘离子二极管原理示意图，图6是已有技术TEMP型圆扇环形柱状结构的外磁绝缘二极管示意图，下面通过对附图的说明，进一步阐明本发明的细节，

图1是本发明所设计的用于产生大面积强流脉冲离子束外磁绝缘离子二极管正视结构示意图

图中显示，此二极管包括以阳极内柱面和外柱面为特征的椭圆扇环形柱状阳极[1]，由阴极内薄板[7]和外薄板[10]围成的椭圆扇环形柱状阴极[12]，阴极[12]包围阳极[1]形成闭环结构，阴极内薄板外柱面和外薄板内柱面分别与阳极内柱面和外柱面保持固定间隙，阳极[1]和阴极[12]均由无磁钢制作，阳极内柱面的凹槽内[6]镶嵌均布多孔的聚乙烯薄膜[4]，用以提供C⁺和H⁺轻离子，阴极内薄板[7]设有均布通透栅格，用于引出离子束，阳极内柱面与阴极内薄板外柱面间具有单调变化的间隙[3]，其窄端为[5]，宽端为[2]，阳极和阴极椭圆扇环短轴扭转角为[9]，阳极扇环宽度为[13]，阴极扇环宽度为[14]，图中，阳极[1]与高功率脉冲电源[11]相连，整个阴极[12]作为单匝线圈与其外侧所设计的脉冲磁场电源[8]相连，阴极内薄板外柱面面对聚乙烯薄膜[4]，阴极内薄板[7]和外薄板[10]分别与两个对称安装的脉冲磁场电源[8]连接，连接处两薄板的交叉部位相互错开达到绝缘，图中直线箭头表示间距的指向，弧线箭头表示扭转角，U_d为二极管脉冲电压，A-A为截面符号。

图2是图1的仰视结构示意图

图中显示，在与阳极内柱面的凹槽内镶嵌的聚乙烯薄膜[4]相对的阴极内薄板[7]上，设有21×6个均布通透栅格[15]，阴极内薄板[7]和外薄板[10]相互错开，形成交叉不相连结构，在阴极[12]两侧均设有脉冲磁场电源[8]，其与阴极内薄板[7]和外薄板[10]分别相连，通过均布通透栅格[15]孔可见到聚乙烯薄膜[4]，符号[11]为高功率脉冲电源。

图3是图1的A-A截面结构示意图

图中显示，阳极[1]的柱面与阴极[12]的柱面高度相等，阳极[1]除其上下两端面外，均被阴极内薄板[7]和外薄板[10]所包围，聚乙烯薄膜[4]钻有均布多孔结构，镶嵌于阳极内柱面的凹槽[6]内，阳极[1]与高功率脉冲电源[11]相连，其它符号同图1。

图4是本发明所提出的阳极与阴极结构关系示意图图中显示，此二极管包括以阳极内柱面[22]和外柱面[27]为特征的阳极[1]，由阴极内薄板[7]和外薄板[10]围成的阴极[12]，阳极[1]和阴极[12]均采用椭圆扇环形柱状结构，阴极[12]包围阳极[1]形成闭环结构，阴极内薄板外柱面[26]和外薄板内柱面[24]分别与阳极内柱面[22]和外柱面[27]保持固定间隙，阳极和阴极椭圆扇环短轴扭转角为[9]，图中O为阳极内柱面[22]椭圆和阴极内薄板外柱面[26]椭圆中心，图中，对应阳极和阴极的6个侧面，并通过其各个侧面，分别用虚线画出的6个椭圆，是要清楚地说明本发明所提出的阳极与阴极结构是一个椭圆扇环形柱状结构，以明显区别现有技术的圆扇环形柱状结构，椭圆由实线部分和虚线部分构成，实线部分是实体部分，而虚线部分则是联想部分，图中，椭圆[16]的实线部分为阳极外柱面[27]竖直投影、椭圆[21]的实线部分为阳极内柱面[22]竖直投影、椭圆[18]的实线部分为阴极外薄板外柱面[25]竖直投影、椭圆[17]的实线部分为阴极外薄板内柱面[24]竖直投影、椭圆[20]的实线部分为阴极内薄板外柱面[26]竖直投影，而椭圆[19]的实线部分为阴极内薄板内柱面[23]竖直投影，其它符号同图1。

图5是本发明所设计的用于产生大面积强流脉冲离子束外磁绝缘离子二极管原理示意图

图中显示，此二极管安放于真空室[31]中，整个阴极[12]包围阳极[1]形成闭环结构，阴极[12]同时也作为单匝线圈，阴极内薄板[7]和外薄板[10]与外侧所设的脉冲磁场电源[8]相连，当脉冲磁场电源[8]产生的脉冲电流I流过阴极[12]时，在阳极内柱面与阴极内薄板外柱面间间隙[3]中产生垂直于电场E(由二极管脉冲电压产生)方向的脉冲磁场B，该脉冲磁场脉冲宽度约为20μs，远大于脉冲电压宽度70ns，从而保证了等离子体形成过程及离子引出过程中磁场的稳定存在，起到抑制电子流和改善空间电荷分布的作用，即达到磁绝缘效果，在电磁场作用下，离子束[29]从阴极内薄板[7]的均布通透栅格中引出，在离子束束斑位置[28]C₁C₂处形成大面积、空间分布较均匀的强流脉冲离子束，图中点划线表示真空室[31]的轴线，细虚线箭头表示离子束[29]，细实线箭头表示脉冲电流I方向，粗实线箭头表示由二极管脉冲电压产生的电场E方向，真空室连接抽气系统端口为[30]，U_d为二极管脉冲电压，其它符号均同图1。

图6是已有技术TEMP型圆扇环形柱状结构的外磁绝缘二极管示意图

图中显示，此二极管包括以阳极内柱面和外柱面为特征的圆扇环形柱状阳极[1]，由阴极内薄板[7]和外薄板[10]围成的圆扇环形柱状阴极[12]，阴极[12]包围阳极[1]形成闭环结构，阴极内薄板外柱面和外薄板内柱面分别与阳极内柱面和外柱面保持固定间隙，阳极[1]和阴极[12]均由无磁钢制作，阳极内柱面的凹槽[6]内镶嵌均布多孔的聚乙烯薄膜[4]，用以提供C⁺和H⁺轻离子，阴极内薄板[7]设有均布通透栅格，用于引出离子束[29]，阳极内柱面与阴极内薄板外柱面间具有单调变化的间隙[3]，其窄端为[5]，宽端为[2]，阳极圆心C₃和阴极圆心C₄的距离为[32]，图中，阳极[1]与高功率脉冲电源[11]相连，整个阴极[12]作为单匝线圈与其外侧所设计的脉冲磁场电源[8]相连，阴极内薄板外柱面面对聚乙烯薄膜[4]，阴极内薄板[7]和外薄板[10]分别与两个对称安装的脉冲磁场电源[8]连接，连接处两薄板的交叉部位相互错开达到绝缘，图中U_d为二极管脉冲电压，图中虚线箭头表示离子束[29]，离子束[29]在束斑位置[28]C₃处形成聚焦，由图可见，该二极管只能形成束斑面积小、聚焦非均匀的强流脉冲离子束，离子束束斑位置[28]为C₃，U_d为二极管脉冲电压，图中，对应现有技术的阳极和阴极的6个侧面，并通过各侧面分别用虚线画出6个圆，以与本发明所提出的椭圆扇环形柱状二极管结构进行对比，明显看出，已有技术TEMP型是圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步说明本发明的细节：

具有短脉冲和中等功率的强流脉冲离子束，因具有对材料表面瞬间辐照效应，在材料表面工程领域的引起了广泛关注。

实施例1：

某科研单位要求提供束斑面积可达100×100mm²，束流密度可达300A/cm²，功率密度可达100MW/cm²，离子束不均匀性小于10％的强流脉冲离子束产生装置，现有技术TEMP型圆扇环形柱状结构的外磁绝缘二极管，产生的强流脉冲离子束束斑面积约为25cm²，离子束不均匀性超过50％，达不到要求，现采用本发明的椭圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，其二极管详细参数如下：

阳极[1]和阴极[12]均采用椭圆扇环形柱状结构，阳极[1]的柱面和阴极[12]的柱面高度均为110mm，镶嵌聚乙烯薄膜[4]的阳极内柱面[22]投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为110mm，短半轴为92mm，离心率为0.55，阳极扇环宽度[13]为40mm，阴极[12]薄板厚度为4mm，阴极[12]设有均布通透栅格[15]的内薄板外柱面[26]投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为104.6mm，短半轴为87.2mm，离心率为0.55，阴极扇环宽度[14]为62mm，阳极和阴极椭圆扇环短轴扭转角[9]为2°；

阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]从窄端[5]到宽端[2]逐渐增大，其窄端[5]为4.8mm，宽端[2]为6mm；

阳极内柱面[22]的凹槽[6]内镶嵌聚乙烯薄膜[4]面积为230×100mm²，其厚度为2mm；

阴极内薄板[7]设有均布通透栅格[15]的数量为108个，每个栅格面积为4×40mm²，使阴极内薄板[7]有效通透度达65％；

脉冲磁场强度为0.89T，其脉冲持续时间保持为20μs；

按本发明的设计要求，将此二极管装配到真空室[31]中，然后在二极管脉冲电压为300kV，脉冲电压宽度为50ns条件下，得到稳定的束流密度约为300A/cm²，束流脉冲宽度约为50ns，功率密度约为100MW/cm²，离子束不均匀性为8％，束斑面积为100×100mm²的H⁺为主的强流脉冲离子束[29]；经检测，采用本发明的椭圆扇环形柱状结构二极管质量合格、产品性能满足用户的要求。

实施例2：

某等离子体源高科技公司要求提供束斑面积可达120×150mm²，束流密度可达300A/cm²，功率密度可达100MW/cm²，离子束不均匀性小于15％的强流脉冲离子束产生装置，现有技术TEMP型圆扇环形柱状结构的外磁绝缘二极管，产生的强流脉冲离子束束斑面积约为25cm²，离子束不均匀性超过50％，达不到要求，现采用本发明的椭圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，其二极管详细参数如下：

阳极[1]和阴极[12]均采用椭圆扇环形柱状结构，阳极[1]的柱面和阴极[12]的柱面高度均为160mm，镶嵌聚乙烯薄膜[4]的阳极内柱面[22]竖直投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为120mm，短半轴为109mm，离心率为0.42，阳极扇环宽度[13]为40mm，阴极[12]薄板厚度为4mm，阴极[12]设有均布通透栅格[15]的内薄板外柱面[26]竖直投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为115.2mm，短半轴为104.7mm，离心率为0.42，阴极扇环宽度[14]为60mm，阳极和阴极椭圆扇环短轴扭转角[9]为3°；

阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]从窄端[5]到宽端[2]逐渐增大，其窄端[5]为4.3mm，宽端[2]为5.4mm；

阳极内柱面[22]的凹槽[6]内镶嵌聚乙烯薄膜[4]面积为240×150mm²，其厚度为2mm；

阴极内薄板[7]设有均布通透栅格[15]的数量为150个，每个栅格面积为4×40mm²，使阴极内薄板[7]有效通透度达65％；

脉冲磁场强度为1.00T，其脉冲持续时间保持为20μs；

按本发明的设计要求，将此二极管装配到真空室[31]中，然后在二极管脉冲电压为300kV，脉冲电压宽度为70ns条件下，得到稳定的束流密度约为300A/cm²，束流脉冲宽度约为70ns，功率密度约为100MW/cm²，离子束不均匀性为10％，束斑面积为120×150mm²的H⁺为主的强流脉冲离子束[29]；经检测，采用本发明的椭圆扇环形柱状结构二极管质量合格、产品性能满足用户的要求。

实施例3：

某功能薄膜生产单位要求提供束斑面积可达150×150mm²，束流密度可达300A/cm²，功率密度可达100MW/cm²，离子束不均匀性小于10％的强流脉冲离子束装置，现有技术TEMP型圆扇环形柱状结构的外磁绝缘二极管，产生的强流脉冲离子束束斑面积约为25cm²，离子束不均匀性超过50％，达不到要求，现采用本发明的椭圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，其二极管详细参数如下：

阳极[1]和阴极[12]均采用椭圆扇环形柱状结构，阳极[1]的柱面和阴极[12]的柱面高度均为210mm，镶嵌聚乙烯薄膜[4]的阳极内柱面[22]竖直投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为157mm，短半轴为120mm，离心率为0.64，阳极扇环宽度[13]为40mm，阴极[12]薄板厚度为4mm，阴极[12]设有均布通透栅格[15]的内薄板外柱面[26]竖直投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为151.8mm，短半轴为116mm，离心率为0.64，阴极扇环宽度[14]为59mm，阳极和阴极椭圆扇环短轴扭转角[9]为1°；

阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]从窄端[5]到宽端[2]逐渐增大，其窄端[5]为4.1mm，宽端[2]为5.1mm；

阳极内柱面[22]的凹槽[6]内镶嵌聚乙烯薄膜[4]面积为260×200mm²，其厚度为2mm；

阴极内薄板[7]设有均布通透栅格[15]的数量为220个，每个栅格面积为4×40mm²，使阴极内薄板[7]有效通透度达65％；

脉冲磁场强度为1.04T，其脉冲持续时间保持为20μs；

按本发明的设计要求，将此二极管装配到真空室[31]中，然后在二极管脉冲电压为300kV，脉冲电压宽度为60ns条件下，得到稳定的束流密度约为300A/cm²，束流脉冲宽度约为60ns，功率密度约为100MW/cm²，离子束不均匀性为6％，束斑面积为150×200mm²的H⁺为主的强流脉冲离子束[29]；经检测，采用本发明的椭圆扇环形柱状结构二极管质量合格、产品性能满足用户的要求。

             表1本发明技术与已有技术数据对比结果

※注1：表中黑体字表示本发明技术所改变的技术参数值；

※注2：r_ca为TEMP型阳极圆半径，r_cc为阴极圆半径；

※注3：d为TEMP型阳极圆心和阴极圆心间距离。

Claims (2)

1.用于产生大面积强流脉冲离子束的外磁绝缘离子二极管，包括以阳极内柱面[22]和外柱面[27]为特征的扇环形柱状阳极[1]，由阴极内薄板[7]和外薄板[10]围成的扇环形柱状阴极[12]，阴极[12]包围阳极[1]形成闭环结构，阴极内薄板外柱面[26]和外薄板内柱面[24]分别与阳极内柱面[22]和外柱面[27]保持固定间隙，阳极[1]和阴极[12]均由无磁钢制作，阳极内柱面[22]镶嵌均布多孔的聚乙烯薄膜[4]，阴极内薄板[7]设有均布通透栅格[15]，阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间具有单调变化的间隙[3]，阳极[1]与高功率脉冲电源[11]相连，阴极[12]接地且与脉冲磁场电源[8]相连，其特征在于：

(a)阳极[1]和阴极[12]均采用椭圆扇环形柱状结构，阳极[1]的柱面和阴极[12]的柱面高度均为110～210mm，镶嵌聚乙烯薄膜[4]的阳极内柱面[22]竖直投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为110～157mm，短半轴为92～120mm，离心率为0.42～0.64，阳极扇环宽度[13]为40mm，阴极[12]薄板厚度为4mm，设有均布通透栅格[15]的阴极内薄板外柱面[26]竖直投影也为椭圆弧，该椭圆长半轴为104.6～151.8mm，短半轴为87.2～116mm，离心率与阳极相同，阴极扇环宽度[14]为59～62mm，阳极和阴极椭圆扇环短轴扭转角[9]为1～3°；

(b)阳极内柱面[22]与阴极内薄板外柱面[26]间间隙[3]的窄端[5]距离为4.1～4.8mm，宽端[2]的距离为5.1～6mm；

(c)阳极内柱面[22]的凹槽[6]内镶嵌的聚乙烯薄膜[4]的面积为230×100～260×200mm²；

(d)阴极内薄板[7]设有均布通透栅格[15]的数量为108～220个，每个栅格面积保持为4×40mm²，使阴极内薄板[7]有效通透度保持65％。

2.根据权利要求1所述的用于产生大面积强流脉冲离子束的外磁绝缘离子二极管，其特征在于：高功率脉冲电源[11]产生的二极管脉冲电压保持为300kV，脉冲电压宽度保持为50～70ns，脉冲磁场电源[8]形成的脉冲磁场强度为0.89～1.04T，其脉冲持续时间仍保持为20μs，可获得束斑面积达100～300cm²、离子束不均匀性为6％～10％、束流密度保持为300A/cm²、功率密度保持为100MW/cm²的强流脉冲离子束。

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