微波離子源的製作方法
2023-10-04 20:02:54 1
專利名稱：微波離子源的製作方法
技術領域：
本發明屬於離子源技術領域，具體涉及一種微波離子源的新結構。
背景技術：
微波離子源的原理是選用合適的微波，通過微波耦合窗將微波功率饋入到一個放電室中。放電室處於一個特定的磁場內，其中的自由電子受到微波的激勵會產生迴旋共振(即ECR)，獲得能量的電子使放電室中的工作氣體電離，所形成的離子被加速電場引出而獲得所需的離子束。微波離子源具有放電效率高、引出束流強大、品質好、單原子離子比例高、工作壽命長等優點，可廣泛地應用於加速器、中子發生器及離子注入機等方面。
微波離子源沒有熱陰極，理論上其工作壽命應該非常長。但國內外所製造的微波離子源都遇到一個嚴重的技術難題，即離子源微波窗的壽命問題。因為在離子加速區中不可避免地會產生二次電子，它們以很高的能量返轟到放電室底部的微波耦合窗板中心部位。現在所使用的微波離子源的微波耦合窗板是由陶瓷類材料製成，自身導熱性能差；通常採用的波導設計，中心部位不能冷卻，而波導同微波耦合窗板的接觸面有限，不能幫助微波耦合窗板帶走熱量。故在返流二次電子束的轟擊下微波耦合窗板很快就因產生高熱而開裂或者蒸發，形成通孔，致使微波離子源不能正常工作。因此，微波離子源的使用壽命受到極大限制。目前，性能較好的微波離子源的壽命只有一百多個小時。
技術方案本發明就是針對現有技術中，微波離子源的使用壽命較短的問題，提供一種能極大延長使用壽命的微波離子源的新結構。
一種微波離子源，包括波導、放電室、勵磁線圈、真空室、加速電極等幾部分。其中放電室後端經微波耦合窗與波導相連，另一端與真空室相銜接。放電室周圍纏繞勵磁線圈。工作氣體進入放電室電離後，通過離子引出孔進入加速區，被加速電場加速以形成所需的離子束。本發明所提供的技術中，關鍵在于波導採用單脊設計，用金屬材料製成，脊厚度超過微波耦合窗板的中心，且波導脊的端面與微波耦合窗緊密貼合，通過冷卻水強制冷卻。
這種單脊設計的好處是，通過強制水冷的波導脊為金屬材料製成，導熱性能好，其脊端面同微波耦合窗板緊密接觸，接觸面大，有利於微波耦合窗板上的熱量通過波導脊導出；同時，即使微波耦合窗板被擊穿，由於脊端面的氣封作用，依舊不影響離子源的正常運行，極大提高微波離子源的使用壽命。
同時，為了進一步延長微波耦合窗板的壽命，可在微波耦合窗板被返流電子轟擊的中心部位的開設一個中心孔，使返流電子直接轟擊在波導的脊端面上，保護微波耦合窗板，從而進一步延長微波離子源的使用壽命。
圖1微波離子源的結構示意圖1微波功率輸入；2脊型波導；3冷卻水；4勵磁線圈；5微波耦合窗；6放電室；7返流的二次電子；8離子引出孔；9真空室；10加速電極；11引出的離子束；12工作氣體；13錐底孔；14中心孔；實施例下面將結合附圖對本發明所提供的技術方案作進一步闡述。
如圖1所示，一種微波離子源，包括單脊波導2、放電室6、勵磁線圈4、真空室9、加速電極10等幾部分。其中單脊波導2通過微波耦合窗5同放電室6一端相連，放電室6周圍纏繞勵磁線圈4，另一端的離子出口8與真空室9相通。本實施中，單脊波導2採用金屬材料，尤其是鐵磁材料製成，其內部通冷卻水3進行強制冷卻。同時，波導2的單脊端面同微波耦合窗板5緊密貼合，其厚度超過微波耦合窗板5的中心。另外，在微波耦合窗板5的中心位置開設一中心孔14，中心孔14的直徑大於返流電子束7截面的直徑；在單脊波導2上與中心孔14正對的位置也可以開設一個錐底孔13。
工作時，工作氣體12進入放電室6被通過微波耦合窗5饋入的微波功率電離後，從放電室6的離子引出孔8進入真空室9，再被加速電極10加速後形成所需的離子束11。
這種技術方案的益處十分明顯1)獨特的單脊波導設計，既利於微波耦合窗板的導熱，又可在微波耦合窗板被擊穿時依舊保持放電室有效氣封，既能有效地阻止放電室中工作氣體的流失，也防止了波導中殘餘雜氣對工作氣體的汙染，與現有技術的波導相比，對延長微波離子源的壽命大有益處。
2)微波耦合窗板上開設中心孔，使返流電子直接轟擊在波導的脊端面上；在單脊波導上開設錐底孔，增大了被返流電子轟擊的面積，同時，因錐底孔內磁場很快減弱，並方向是指向孔壁，射入錐底孔中的返流電子被分散而轟擊在錐底孔的孔壁上，從而大大減輕了表面熱負荷強度。
3)波導脊使用鐵磁材料製成，有利於放電室中的磁場，節省了勵磁功率。
這一些的獨特設計，使微波離子源從根本上避免了高能返流二次電子束對微波耦合窗板的破壞，使微波離子源真正成為有超長壽命的離子源。它用於相應的加速器、離子注入機等設備，必將大大提高設備運行的可靠性及運行效率，從而產生良好的社會效益和經濟效益。
例如，採用本發明所提供新結構的一臺微波離子源，其主要參數是，工作氣體氫氣；最高引出電壓75kV；最大引出流強100mA；最佳導流係數時的引出束流密度200mA/cm2；歸一化發射度ε≤0.129πmm·mrad；質子比H+/H++H2++H3+≈90％。在75kV引出束流，大於65mA的情況下連續運行超過二百小時。
權利要求
1.一種微波離子源，包括波導(2)、放電室(6)、勵磁線圈(4)、真空室(9)、加速電極(10)等幾部分，其中波導(2)通過微波耦合窗(5)同放電室(6)一端相連，放電室(6)周圍纏繞勵磁線圈(4)，另一端的離子出口(8)與真空室(9)相通，在離子束引出的通道上設置加速電極(10)，其特徵在於所述的波導(2)為金屬材料製成的單脊波導，脊厚度超過微波耦合窗板(5)的中心，並與微波耦合窗板(5)緊密貼合。
2.根據權利要求1所述的微波離子源，其特徵在於所述的單脊波導(2)用鐵磁材料製成。
3.根據權利要求1或2所述的微波離子源，其特徵在於所述的單脊波導(2)內部通過冷卻水(3)進行強制冷卻。
4.根據權利要求1或2所述的微波離子源，其特徵在於在微波耦合窗板(5)的中心位置開設一直徑大於返流電子束截面的中心孔(14)。
5.根據權利要求3所述的微波離子源，其特徵在於在微波耦合窗板(5)的中心位置開設一直徑大於返流電子束截面的中心孔(14)。
6.根據權利要求4所述的微波離子源，其特徵在於在單脊波導(2)上與微波耦合窗板(5)的中心孔(15)正對的位置開設一個錐底孔(13)。
7.根據權利要求5所述的微波離子源，其特徵在於在單脊波導(2)上與微波耦合窗板(5)的中心孔(15)正對的位置開設一個錐底孔(13)。
全文摘要
本發明公開了一種微波離子源的新結構。在該結構中，波導採用單脊設計，用金屬材料製成，通過冷卻水強制冷卻，脊厚度超過微波耦合窗板的中心，且波導脊的端面與微波耦合窗緊密貼合。這一些的獨特設計，使微波離子源從根本上避免了高能返流二次電子束對微波耦合窗板的破壞，使微波離子源真正成為有超長壽命的離子源。
文檔編號H01J37/08GK1945782SQ20061014585
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月21日 優先權日2006年11月21日
發明者崔保群, 蔣渭生, 李立強, 馬鷹俊, 姜衝, 唐兵, 馬瑞剛 申請人:中國原子能科學研究院