CN204559997U - 一种空间电荷透镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种中子发生器中使用的可使正离子束聚集的透镜。本实用新型的空间电荷透镜包括有一个管状的第一负电极、与第一负电极间用间隙相隔的一个管状的磁透镜、和与管状的磁透镜间用间隙相隔的管状第二负电极，且第一负电极、磁透镜与第二负电极同轴设置，其中：磁透镜由环状磁轭和设置于环状磁轭外的至少一块环形磁铁构成，其磁场方向与束流传输方向相反，环形磁轭上还设有一个漏磁间隙。本实用新型可以实现二次电子在轴向和径向的约束，形成电子云，与其他离子聚焦透镜相比，本实用新型体积小，结构紧凑，价格低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种可使正离子或电子或质子束流聚焦的透镜，特别是一种中子发生器中使用的可使正离子束聚集的透镜。
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、军工基础研究等各个方面。这种中子源的基本原理是利用倍压式加速器将约40mA氘（D）强流正离子束加速到400keV能量，轰击氘钛（TiD）靶或氚钛（TiT）靶发生氘氘（D-D）或氘氚（D-T）聚变反应产生快中子。
40mA 的D正离子束在中子发生器加速管中被加速到400keV能量并传输出加速管时，由于加速管中电场的作用，正离子束中由于自中和电子大部分被剥离，强流D束空间电荷效应十分明显，束流发散很快，需要在加速管出口设置具有强聚焦性能的透镜，保证强流D束的后传输并顺利到达靶上。
发明内容
本实用新型提供一种可使离子或电子或质子束流聚焦的由电子陷阱和磁透镜组成的空间电荷透镜。
本实用新型的空间电荷透镜包括有一个管状的第一负电极、与第一负电极间用间隙相隔的一个管状的磁透镜、和与管状的磁透镜间用间隙相隔的管状第二负电极，且第一负电极、磁透镜与第二负电极同轴设置，其中：磁透镜由环状磁轭和设置于环状磁轭外的至少一块环形磁铁构成，其磁场方向与束流传输方向相反，环形磁轭上有一个漏磁间隙，这一结构将使相应区域形成更强的磁场分布。在环形磁铁与磁轭间设置有冷却装置，用于环形磁铁的冷却，以防止因离子束轰击到磁铁使磁铁发热引引起的磁铁退磁。
本实用新型的空间电荷透镜的环形磁铁最好是采用四块环状永磁铁组成，其中靠近第二负电极的第一块环状永磁铁磁场方向指向环的圆外，相邻的第二块和第三块环状永磁铁磁场方向指向与束流传输方向相反，第四块环状永磁铁磁场方向指向环的圆心。采用四块环状磁铁的结构，可以在相同的充磁参数及体积下，使轴向磁场强度最大，同时可以使磁场分布更好。
作为本实用新型的一个实施例，其空间电荷透镜的环形磁轭上的漏磁间隙宽度为31毫米。
在本实用新型的实施例中，环形磁铁与磁轭间设置有可形成冷却通路的间隙，构成冷却装置。
本实用新型可以实现二次电子在轴向和径向的约束，形成电子云，电子云不仅对正离子束有中和作用，而且对正离子束的聚焦效果显著。本实用新型特别适合强流正离子束的聚焦。如要将一束强流正离子束聚焦到同样的状态下，与其他离子聚焦透镜相比，本实用新型体积小，结构紧凑，价格低。
附图说明
附图1为本实用新型的空间电荷透镜实施例的结构示意图，附图2为环形磁铁示意图（其中左图为右图的剖面示意图），附图3为本实用新型的空间电荷透镜与加速管的装配示意图，附图4为本实用新型对称轴上沿轴线的电场分布示意图，图5为本实用新型对称轴上沿轴线的磁场分布示意图。
附图中：1-第一负电极；2-磁透镜；3-由四个环形的永磁磁铁构成的环形磁铁；4的箭头分别表示各磁铁的充磁方向；5-绝缘支撑柱；6-第二负电极2；7-磁轭；8-漏磁间隙；9-箭头表示束流传输方向；10-离子源；11-加速管；12-本实用新型的空间电荷透镜。
具体实施方式
本实用新型以下结合附图及实施例进行解说。
本实用新型中：管状的第一负电极1与管状的磁透镜2间有间隙相隔；管状的磁透镜2与管状第二负电极间有间隙相隔；且第一负电极、磁透镜与第二负电极同轴设置，参见附图1。本实用新型的磁透镜由环状磁轭和设置于环状磁轭外环形磁铁构成，本实用新型的实施例中，磁透镜的环形磁铁3由四个环形的永磁磁钢组成，四块环形的永磁磁钢的充磁方向见图1中各箭头4所示，每块环形磁钢由12块钕铁硼扇形永磁体拼接而成，环形磁钢拼装结构，参见图2中所示。在环形磁轭7上有一个漏磁间隙8，环形磁铁3与磁轭7间有冷却通路，并采用水冷，以防止磁钢受热而导致的退磁。
本实用新型与加速管的装配关系参见附图3。
在本实用新型的实施例中，空间电荷透镜主体的长度为220mm，外径为190mm，电极和磁透镜内孔径为100mm。磁钢的外径185mm，内经145mm，厚度为20mm。永磁体充磁参数为：剩磁13000 Gs，矫顽力12000 Oe。管状的磁透镜2与管状第二负电极6和第一负电极1间的间隙距离为16mm；漏磁间隙的间隙宽度是31mm。本实用新型的两个不锈钢负电极上所加负电压均为-5kV，在对称轴上沿轴线产生的最大电子陷阱电场大于100V/cm，束流9与真空腔内的残余气体碰撞或杂散D束轰击电极产生的二次电子能量约为几个eV量级，电子将在两个负电极形成的电场中沿轴向来回反弹，100V/cm的最大电子陷阱电场足以约束二次电子沿轴向的逃逸。永磁型磁透镜产生的磁场沿轴线的最小值约200Gs，最大磁场约2000Gs，能量为几个eV量级的二次电子围绕磁力线作螺旋进动的回旋半径很小，有利于电子的径向约束。本实用新型的实施例中其对称轴上沿轴线的电场分布参见附图4，对称轴上沿轴线的磁场分布参见附图5。
本实用新型的空间电荷透镜约束的电子产生的负的空间电荷场，可对强流中子发生器400kV/40mA强流D离子束进行有效的径向聚焦，同时，采用永磁方式实现了透镜的小型化，满足了安装空间要求。该实用新型技术本克服了传统单一磁透镜聚焦性能太弱和传统单一电透镜破坏强流离子束自中和的缺陷，能保证400kV/40mA的强流D离子束通过后传输系统并轰击在靶上。
Claims (4)
1.一种空间电荷透镜，其特征在于包括有一个管状的第一负电极、与第一负电极间用间隙相隔的一个管状的磁透镜、和与管状的磁透镜间用间隙相隔的管状第二负电极，且第一负电极、磁透镜与第二负电极同轴设置，其中：磁透镜由环状磁轭和设置于环状磁轭外的至少一块环形磁铁构成，其磁场方向与束流传输方向相反，环形磁轭上有一个漏磁间隙，环形磁铁与磁轭间设置有冷却装置。
2.根据权利要求1所述的空间电荷透镜，其特征在于所述的环形磁铁由四块环状永磁铁组成，其中靠近第二负电极的第一块环状永磁铁磁场方向指向环的圆外，相邻的第二块和第三块环状永磁铁磁场方向指向与束流传输方向相反，第四块环状永磁铁磁场方向指向环的圆心。
3.根据权利要求2所述的空间电荷透镜，其特征在于环形磁轭上的漏磁间隙宽度为31毫米。
4.根据权利要求2或3所述的空间电荷透镜，其特征在于环形磁铁与磁轭间设置有可形成冷却通路的间隙，构成冷却装置。
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