一種微波驅動無銫負氫離子源的製作方法

2023-05-31 07:43:26

一種微波驅動無銫負氫離子源的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種負氫離子源，尤其是一種採用2.45GHz微波驅動和全永磁結構的無銫的強流微波驅動負氫(H-)離子源。本發明採用了2.45GHz微波來產生等離子體；離子源磁場全部由永磁體產生；H-產生區域採用了鉭材料的肩結構；H-產生區域採用了小孔徑和橫向偏轉磁場。通過2.45GHz微波放電產生了大量的激發態氫分子(H2*)，適當的橫向磁場使得高能電子無法進入H-產生區域，通過的低能電子在H-產生區域與H2*相互作用產生H-。鉭材料的肩結構增加了在其表面產生H-的機率。H-產生區域的孔徑較小阻止了微波加熱該區域的電子，該區域的橫向磁場偏轉掉引出束流中的電子，使得最終得到流強高、電子比例低的H-離子束流。該負氫離子源主要用於為加速器提供負氫離子。
【專利說明】一種微波驅動無銫負氫離子源
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種離子源，尤其是一種採用2.45GHz微波驅動、無銫、全永磁結構的能產生強流負氫離子束的離子源。
【背景技術】
[0002]負氫離子是指氫原子外帶一個電子形成的離子，因而帶負電。早期的負氫離子源被用於串列式靜電加速器中。現在，負氫離子源被廣泛用於回旋加速器、高能對撞機、散裂中子源以及未來聚變裝置的中性束注入。隨著加速器不斷向強流高功率的方向發展，對負氫離子源提出了強流、高穩定性、長壽命等要求。負氫離子OO的電子親合勢只有0.75eV,其產生後極易同載能電子OleV)以及其他原子、分子或器壁相互作用而消亡。因此，要產生強流的負氫離子束十分困難。
[0003]目前，負氫離子源可以分為兩大類:體積源和表面源。對於使用射頻驅動的體積型負氫源，其基本原理是:高頻電磁波使放電室中產生等離子體和大量激發態氫分子(H/)，激發態氫分子與低能電子附和作用產生H—離子(H/七一 H+H—)。這樣的負氫源所採用的射頻頻率通常在I?10MHz，而更高頻率的射頻波如微波(300MHz?3000GHz)驅動的負氫離子源很難產生幾個mA以上的負氫束流。這是因為，負氫離子十分脆弱、容易消亡，人們普遍認為過高頻率的電磁波振蕩會帶來負氫離子迅速消亡，故流強難以提高[I]。為了提高負氫離子束的產生效率，科學家們在離子源中加入了銫蒸汽。而銫的引入可以使負氫的產生率提高近一個量級。
[0004]微波頻率為2.45GHz 的電子迴旋共振(Electron Cyclotron Resonance, ECR)離子源通常用於產生正離子，其具有產生離子種類多(H7D707He7N+)、束流強度大、穩定性好、重複性高、結構簡單、工作壽命長、維護簡便等諸多優點，成為國際上產生單電荷態強流離子束的首選。它的工作原理是:放電室內的電子在磁場的約束下作迴旋運動，當饋入放電室中的微波的頻率與電子作迴旋運動的角頻率相等時發生共振，微波的能量被電子吸收，高能電子與工作氣體非彈性碰撞產生低溫高密度等離子體。這種離子源在產生強流離子束時通常只需要I?3kW微波功率，且穩定性好、壽命長，而採用I?IOMHz的射頻驅動負氫離子源通常需要數十kW功率、結構複雜、壽命受射頻天線壽命限制且通常需要複雜的輔助銫循環系統(銫為有毒元素、易燃)。因此，採用2.45GHz微波電子迴旋共振的方式來驅動強流負氫離子源將具有很大的優勢。
[0005]歐洲核子中心(CERN)曾採用2.45GHz微波驅動方式來產生負氫離子，最終只獲得了 0.3mA的H_[2]。法國的CEA/SACLAY實驗室也曾經發展2.45GHz負氫離子源，其採用脊波導進行微波匹配，螺線管來提供電子迴旋共振所需的磁場，最終只獲得了 3.5mA的H—而告終，且其源體體積很大[3]。因此，採用新的、更緊湊的結構和設計來實現2.45GHz微波驅動強流負氫離子源十分有意義。
[0006]參考文獻:
[0007][I].Peters, Rev.Sc1.1nstrum.79, 02A515 (2008).[0008][2].C.E.Hill, D.Kiichler, C.Mastrostefano, Μ.0，Neil, R.ScrivensandT.Steiner, Rev.Sc1.1nstrum.77, 03A521 (2006).[0009][3].0.Tuske et al., Rev.Sc1.1nstrum.77, 03A507 (2006).
【發明內容】

[0010]本發明的目的是提供一種採用2.45GHz微波驅動的、無銫、可產生強流低發射度負氫離子束的離子源。
[0011]本發明提供的技術方案如下:
[0012]一種微波驅動無銫負氫離子源，是一種採用2.45GHz微波驅動、無銫、可產生強流負氫離子束流的離子源，包括微波系統1、介質耦合波導2、初級放電室3、磁體、肩結構5、負氫產生區6、引出系統9、進氣孔10、偏壓電極11、絕緣陶瓷片12以及冷卻和輔助系統，其特徵在於，
[0013]所述的微波系統I與介質耦合波導2相連接，微波系統產生並傳輸的微波通過介質耦合波導2耦合到初級放電室3，初級放電室3的磁場由磁體4提供，磁體4環繞初級放電室外側，負氫產生區6嵌入到初級放電室3中與之相連通，初級放電室3和負氫產生區6連接處有磁體7提供的橫向磁場,負氫產生區6米用肩結構5,肩結構5外側靠近引出系統9處有磁體8提供偏轉電子的內偏轉場，引出系統9為三電極結構，引出孔前加偏壓電極11，偏壓電極11通過絕緣陶瓷片12同引出電極和腔壁絕緣，進氣孔10位於負氫產生區6內壁一側靠近引出系統9方向。
[0014]優選的技術方案如下:
[0015]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述微波系統I用來產生和傳輸
2.45GHz 微波。
[0016]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述介質耦合波導2由三片厚度為5?15mm的陶瓷片和一片厚度為2?4mm的氮化硼組成。
[0017]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述陶瓷片和氮化硼為圓柱形。
[0018]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述初級放電室3內壁被鉭金屬
材料覆蓋。
[0019]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述磁體4由多個分離的永磁體圓環組成，中間由墊片隔開。
[0020]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述肩結構5前半部分為面向初級放電室3的圓錐面,後半部分為圓筒。
[0021]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述圓錐面和圓筒內壁均被鉭金
屬材料覆蓋。
[0022]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述負氫產生區6的孔徑比初級放電室3小。
[0023]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述肩結構5圓筒部分外側有磁體8提供的內偏轉磁場。
[0024]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述引出系統9為三電極引出系統，分別為等離子體電極、聚焦電極和地電極。[0025]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述等離子體電極、聚焦電極和地電極由絕緣陶瓷隔開。
[0026]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述等離子體電極的工作電壓為-10 ?-50kVo
[0027]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述聚焦電極的工作電壓為+1?+5kV。
[0028]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述進氣孔10為負氫產生區6內壁一側通孔。
[0029]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述偏壓電極11材料為金屬鑰。
[0030]所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述偏壓電極11上所加偏壓為-1OOv ?+IOOVo
[0031]本發明同時提供一種產生強流負氫離子束流的方法，其特徵在於，利用上面所述的微波驅動無銫負氫離子源，由微波系統I產生並傳輸的2.45GHz微波通過介質耦合波導2匹配饋入到初級放電室3中，磁體4提供電子迴旋共振所需要的約束磁場，微波加熱電子在初級放電室3中就會產生緻密的等離子體和大量激發態氫分子H/ ;磁體7提供一個橫向磁場，過濾掉高能電子而只讓低能電子進入負氫產生區域；負氫產生區6的孔徑很小可以阻止微波加熱該區域的電子；低能電子與激發態氫分子在負氫產生區6附和產生負氫離子並通過引出系統9引出；初級放電室3中產生的離子(H+、H2+、H3+)在肩結構5表面的鉭的促進作用下，也有可能產生激發態氫分子或直接形成負氫離子；磁體8偏轉掉引出束流中的電子，使引出電子比例降低；這樣，就能通過2.45GHz微波驅動的方式來得到很強的負氫離子束流，且電子比例很小、發射度低。
[0032]優選的，在偏壓電極11加一定電壓來減小引出束流中的電子比例。
[0033]本發明的有益效果:
[0034]I)本發明提供了一種新型結構的離子源，該離子源採用2.45GHz微波驅動產生了強流無銫負氫離子束流。
[0035]2)本發明為強流負氫離子源的發展拓展了新的思路，證明了用2.45GHz微波驅動方式產生強流負氫離子束流的可行性，該發明有很大的創新性。
[0036]3)本發明有希望成為新一代結構簡單、功耗小、穩定性高且壽命長的強流負氫離子源，替代傳統的負氫離子源為未來的加速器提供穩定高品質的束流。
[0037]4)本發明有利於加深對ECR放電以及負氫離子產生機制的理解。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1本發明涉及的微波驅動負氫離子源的結構示意圖，其中，微波系統1、介質耦合波導2、初級放電室3、永磁環4、肩結構5、負氫產生區6、方形永磁鐵7、內偏轉磁鐵8、引出系統9、進氣孔10、偏壓電極11、絕緣陶瓷12以及冷卻和輔助系統。
[0039]圖2離子源源體照片(不含引出系統)。
【具體實施方式】
[0040]下面通過實施例對本發明做進一步說明。[0041]圖1為本發明所提供的負氫離子源示意圖。參照圖1和本發明提供的技術方案，實現了一個用2.45GHz微波驅動的強流負氫離子源，圖2為不含引出系統的離子源源體照片。整個離子源主要包括以下幾個部分:微波系統1、介質耦合波導2、初級放電室3、永磁環4、肩結構5、負氫產生區6、方形永磁鐵7、內偏轉磁鐵8、引出系統9、進氣孔10、偏壓電極
11、絕緣陶瓷12以及冷卻和輔助系統等。
[0042]微波系統I主要包括:磁控管、微波功率源、環形器、三銷釘調諧器、定向耦合器、高壓隔離波導、過渡波導和介質耦合波導2等幾部分組成，為離子源提供2.45GHz微波。本系統採用了標準的BJ26波導。介質耦合波導2是由三塊IOmm厚的圓柱體陶瓷片和一片2mm厚用於阻擋反轟二次電子的氮化硼組成。該方式可以很好對饋入的微波模式進行轉換，並將饋入的微波和初級放電室3中的磁約束等離子體進行很好的匹配，使得微波能量大部分被等離子體吸收，反射功率很小。此外，介質耦合波導還起到真空密封作用，它將初級放電室3與外面的大氣環境隔絕開來。
[0043]初級放電室3採用不鏽鋼製成，初級放電室3和永磁體7之間有水冷通道提供良好的冷卻。放電室3內壁覆蓋一層鉭金屬材料，用於促進等離子體中的HAH/等離子與壁碰撞轉化為激發態氫分子。初級放電室3內徑為40_，該尺寸可以使微波與等離子體很好的匹配。永磁環4為三個分立的永磁體圓環，永磁環4為2.45GHz電子迴旋共振提供磁場，中心軸向磁場在875Gs附近。初級放電室3和負氫產生區6相連通,通過肩結構5過渡。肩結構嵌入初級放電室10mm，永磁環4的尾場和兩塊位於離子源放電室兩側的方形永磁鐵7共同構成的橫向磁場，成為電子速度分群的磁簾。肩內偏轉磁鐵8為一塊較小的方形永磁鐵，位於肩結構5外側靠近引出系統方向，使引出束流中的電子在引出前就被偏轉。離子源的引出系統9有三個電極，分別是等離子體電極、聚焦電極和地電極。聚焦電極除去對引出束流的聚焦作用外，還有判斷腔體內等離子體是否建立、等離子體的穩定性和稠密度的功能。離子源開始穩定放電後，等離子體電極上加引出電壓為_50kV，聚焦電極加+2kV電壓和地電極接地，可以很好地引出束流。
[0044]該離子源採用高純度的氫氣作為工作氣體。位於引出孔附近的進氣孔10與整個系統的真空系統配合，建立離子源腔體內負氫放電需要的氣壓梯度分布，達到負氫離子形成所需要的氣流梯度。
[0045]在脈衝工作模式下，當與離子源對接的真空腔體內氣壓為4.0X10_3Pa，饋入的微波的峰值功率為3kW時，該源可以引出24mA/50keV的束流，引出束流中既有電子也有負氫離子，其中e:H_ = 1:3，淨H—離子流強達到18mA，束流的均方根發射度小於
0.2 π .mn.mracL經過90度偏轉磁鐵後可以得到純的負氫離子束流。該離子源的流強超過了國際上同類源的3.5mA的水平。
[0046]本發明的特定實施例已對本發明的內容作了詳盡說明。對本領域一般技術人員而言，在不背離本發明構思的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將不會超出本專利申請所附的權利要求的保護範圍。
【權利要求】
1.一種微波驅動無銫負氫離子源，包括微波系統(I)、介質耦合波導(2)、初級放電室(3)、磁體、肩結構(5)、負氫產生區(6)、引出系統(9)、進氣孔(10)、偏壓電極(11)、絕緣陶瓷片(12)以及冷卻和輔助系統，其特徵在於， 所述的微波系統(I)與介質耦合波導(2)相連接，微波系統產生並傳輸的微波通過介質耦合波導(2)耦合到初級放電室(3)，初級放電室(3)的磁場由磁體(4)提供，磁體(4)環繞初級放電室外側，負氫產生區(6)嵌入到初級放電室(3)中與之相連通，初級放電室(3)和負氫產生區(6)連接處有磁體(7)提供的橫向磁場,負氫產生區(6)米用肩結構(5),肩結構(5)外側靠近引出系統(9)處有磁體(8)提供偏轉電子的內偏轉場，引出系統(9)為三電極結構，引出孔前加偏壓電極(11)，偏壓電極(11)通過絕緣陶瓷片(12)同引出電極和腔壁絕緣，進氣孔(10)位於負氫產生區(6)內壁一側靠近引出系統(9)方向。
2.如權利要求1所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述微波系統(I)用來產生和傳輸2.45GHz微波。
3.如權利要求1所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述介質耦合波導(2)由三片厚度為5~15_的陶瓷片和一片厚度為2~4_的氮化硼組成。
4.如權利要求3所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述陶瓷片和氮化硼為圓柱形。
5.如權利要求1所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述初級放電室(3)內壁被鉭金屬材料覆蓋。
6.如權利要求1所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述磁體(4)由多個分離的永磁體圓環組成，中間由墊片隔開。
7.如權利要求1所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述肩結構(5)前半部分為面向初級放電室(3)的圓錐面,後半部分為圓筒。
8.如權利要求7所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述圓錐面和圓筒內壁均被鉭金屬材料覆蓋。
9.如權利要求1所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述負氫產生區(6)的孔徑比初級放電室⑶小。
10.如權利要求7所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述肩結構(5)圓筒部分外側有磁體(8)提供的內偏轉磁場。
11.如權利要求1所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述引出系統(9)為三電極引出系統，分別為等離子體電極、聚焦電極和地電極。
12.如權利要求11所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述等離子體電極、聚焦電極和地電極由絕緣陶瓷隔開。
13.如權利要求11所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述等離子體電極的工作電壓為-10~-50kv。
14.如權利要求11所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述聚焦電極的工作電壓為+1~+5kV。
15.如權利要求1所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述進氣孔(10)為負氫產 生區(6)內壁一側通孔。
16.如權利要求1所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述偏壓電極(11)材料為金屬鑰。
17.如權利要求1所述的微波驅動無銫負氫離子源，其特徵在於，所述偏壓電極(11)上所加偏壓為-1OOv~+100V。
18.—種產生強流負氫離子束流的方法，其特徵在於，利用權利要求1所述的微波驅動無銫負氫離子源，由微波系統(1)產生並傳輸的2.45GHz微波通過介質耦合波導(2)匹配饋入到初級放電室(3)中，磁體(4)提供電子迴旋共振所需要的約束磁場，微波加熱電子在初級放電室(3)中就會產生緻密的等離子體和大量激發態氫分子H/;磁體(7)提供一個橫向磁場，過濾掉高能電子而只讓低能電子進入負氫產生區域；負氫產生區(6)的孔徑很小可以阻止微波加熱該區域的電子；低能電子與激發態氫分子在負氫產生區(6)附和產生負氫離子並通過引出系統(9)引出；初級放電室(3)中產生的離子在肩結構(5)表面的鉭的促進作用下，也有可能產生激發態氫分子或直接形成負氫離子；磁體(8)偏轉掉引出束流中的電子，使引出電子
19.如權利要求18所述的產生強流負氫離子束流的方法，其特徵在於，在偏壓電極(11)加一定電壓來減小引出束流中的電子比例。
【文檔編號】H01J37/08GK103956314SQ201410183645
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月4日 優先權日:2014年5月4日
【發明者】彭士香, 任海濤, 徐源, 張滔, 張艾霖, 趙捷 申請人:北京大學