一种提高ECR离子源中氢分子离子比例系统及其方法

摘要

本发明公开了一种提高ECR离子源中氢分子离子比例系统及其方法。本发明采用放电室内衬套装在放电室内，放电室内衬的材料采用高复合系数材料，其中钽材料为首次在该类型的离子源中作为内衬使用来提高H2+离子比例；通过进气口向放电室中通入纯氢气；微波系统将微波通过微波窗传输至放电室内；磁体提供轴向共振场；微波与放电室中的氢气作用产生等离子体，同时，氢原子在放电室内衬的高复合系数材料表面发生复合作用，形成大量氢分子，使得放电室内的氢分子含量升高，等离子体中氢原子含量减少，从而使得H+比例降低，H2+离子比例升高；H2+离子流强可以达到40mA，H2+离子的比例可以达到50％；系统运行的稳定性高，寿命长。

说明书

技术领域

本发明涉及离子源，具体涉及一种提高电子回旋共振离子源中氢分子离子比例系统及其方法。

背景技术

离子源是一种使中性原子或分子电离，并引出离子束流的装置，其被广泛地用于加速器、高能物理、离子注入机、半导体以及治癌等领域。根据放电机理来分，离子源分为很多种类，如潘宁源、高频离子源、激光离子源等等。电子回旋共振离子源是一种利用电子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)机制来产生离子束的装置，其基本原理为当馈入微波的频率与电子绕磁力线作回旋运动的角频率相同时，电子可以通过共振被加速电离气体产生等离子体。由于ECR离子源是无阴极离子源，其寿命可以很长、运行稳定，被许多加速器装置采用。

根据频率来分，ECR离子源可以分为低频ECR离子源(主要为2.45GHz)和高频ECR离子源(一般>5GHz)。其中2.45GHz离子源主要用于产生强流单电荷态离子束如H⁺、D⁺、O⁺等，而高频ECR离子源则主要用于产生较高电荷态的离子。在氢气作为放电气体的ECR离子源中，其引出的束流其实是混合束，主要由H⁺、H₂⁺以及H₃⁺等离子。一般来说，需要质子(H⁺)的装置比较多，如欧洲散裂中子源装置、加速器驱动次临界装置等。然而，H₂⁺离子也有一些特殊的应用：一方面，H₂⁺离子和D⁺离子有着相同的荷质比，其可以代替D⁺离子进行加速器的调试，从而减少调试过程中D⁺离子引起的中子辐射问题；另一方面，同样核子数和能量的H₂⁺离子束相对于H⁺束来说空间电荷效应更小，其可以用于强流质子回旋加速器当中减少束流损失，并采用在出口处剥离的方法产生质子；此外，H₂⁺离子束还可以用于质子治癌、天体物理等领域。然而，目前为止，国际上可查的可以得到的最高H₂⁺离子束流强只有15mA，无法满足一些装置如强流质子回旋加速器的要求。

在ECR离子源中，影响各种离子成分比例和流强的因素很多，如微波功率、工作气压、磁场分布、微波匹配方式以及离子源结构等等。除此之外，离子源放电室腔体的材料也会对离子成分带来影响。劳伦斯伯克利实验室的Ole Waldmann等人研究了氮化硼BN、铝、氧化铝Al₂O₃以及不锈钢等几种材料对质子比的影响，其中使用BN和Al₂O₃获得的质子比较高，而使用不锈钢得到的质子比则较低。但目前，没有关于提高ECR离子源中H₂⁺离子比例的比较系统的方法。

发明内容

为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种提高电子回旋共振离子源中氢分子离子比例系统及其方法。

本发明的一个目的在于提出一种提高电子回旋共振离子源中氢分子离子比例系统。

本发明的提高氢分子离子比例的电子回旋共振离子源系统包括：微波系统、进气口、微波窗、放电室、磁体、放电室内衬、等离子体电极、束流引出系统和水冷循环部件；其中，放电室的内部为真空密封的圆柱形的腔体；在放电室的侧壁上设置有水冷循环部件；在放电室的前端设置微波窗口；微波系统通过微波窗口连接放电室；在放电室的外壁上设置磁体；在放电室的侧壁上设置进气口；在放电室的尾部设置等离子体电极；等离子体电极的中间形成引出口；放电室的尾部对接束流引出系统；放电室内衬套装在放电室内，放电室内衬的外径等于放电室的内径，放电室内衬的材料采用高复合系数材料；通过进气口向放电室中通入纯氢气；微波系统将微波通过微波窗传输至放电室内；磁体提供轴向共振场；微波与放电室中的氢气作用产生等离子体，同时，氢原子在放电室内衬的高复合系数材料表面发生复合作用H+H+w→H₂，形成大量氢分子，使得放电室内的氢分子含量升高，等离子体中氢原子含量减少，从而使得H⁺比例降低，H₂⁺离子比例升高；等离子体在产生后，在等离子体电极上加高压，通过束流引出系统引出形成H₂⁺离子束流，其中w为放电室内衬的高复合系数材料。

本发明的ECR离子源均采用2.45GHz ECR离子源。

放电室的材料采用性质稳定的金属，如不锈钢。放电室的内径在30mm～80mm之间；长度在35mm～100mm。等离子体电极的厚度可以改变，通过改变等离子体电子的厚度，可以改变放电室的实际长度，当放电室的长度在35～60mm之间时，H₂⁺离子的比例比较高。

放电室设置有水冷循环部件，用于冷却离子源体，并保证外部磁体不受热。

微波窗的材料为氧化铝、石英或者氮化硼。

微波窗的直径为20～50mm，厚度为10～40mm。

磁体采用永磁体或者线圈。

放电室内衬的高复合系数材料采用钽、钼、不锈钢或者铜。

放电室内衬为圆筒形，或者放电室内衬覆盖放电室内的侧壁和两个端面。

放电室内衬的外径等于放电室的内径，放电室内衬的内径可变，当放电室内衬的内径在30～60mm之间时，H₂⁺离子的比例比较高。

进一步，在放电室内衬的表面设置有凸起的图案，提高表面粗糙度，增加表面面积，从而提高与氢原子的相互作用几率。图案采用三角形或菱形等。

等离子体的引出口为圆孔，直径为6～10mm。

等离子体的材料为钽、钼或者不锈钢。

本发明的另一个目的在于提供一种提高电子回旋共振离子源中氢分子离子比例方法。

本发明的提高电子回旋共振离子源中氢分子离子比例方法，包括以下步骤：

1)通过进气口向放电室中通入纯氢气；

2)微波系统将微波通过微波窗传输至放电室内；

3)磁体提供轴向共振场；

4)微波与放电室中的氢气作用产生等离子体，同时，氢原子在放电室内衬的高复合系数

材料表面发生复合作用H+H+w→H₂，形成大量氢分子，使得放电室内的氢分子含量

升高，等离子体中氢原子含量减少，从而使得H⁺比例降低，H₂⁺离子比例升高，其中w

为放电室内衬的高复合系数材料；

5)等离子体在产生后，在等离子体电极上加高压，通过束流引出系统引出形成H₂⁺离子

束流。

其中，在步骤4)中，放电室内衬采用钽，提高H₂⁺离子比例。

放电室内气压的范围为0.5Pa～10Pa之间；微波功率范围在800W～3000W之间，H₂⁺离子的比例比较高。微波功率信号重复频率在10～500Hz，占空比为1％～100％。

本发明的优点：

本发明采用放电室内衬套装在放电室内，放电室内衬的材料采用高复合系数材料，其中钽材料为首次在该类型的离子源中作为内衬使用来提高H₂⁺离子比例；通过进气口向放电室中通入纯氢气；微波系统将微波通过微波窗传输至放电室内；磁体提供轴向共振场；微波与放电室中的氢气作用产生等离子体，同时，氢原子在放电室内衬的高复合系数材料表面发生复合作用H+H+w→H₂，形成大量氢分子，使得放电室内的氢分子含量升高，等离子体中氢原子含量减少，从而使得H⁺比例降低，H₂⁺离子比例升高；采用表面有图案或者粗糙度高的高复合系数材料也是首次在该类型的离子源中使用，其对于H₂⁺离子比例的提高有明显的作用；H₂⁺离子流强可以达到40mA，H₂⁺离子的比例可以达到50％，该结果为目前国际上文献可查的最好水平；系统运行的稳定性高，寿命长。

附图说明

图1为本发明的提高氢分子离子比例的电子回旋共振离子源系统的一个实施例的示意图；

图2为本发明的提高氢分子离子比例的电子回旋共振离子源系统的一个实施例的放电室内衬的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的提高氢分子离子比例的电子回旋共振离子源系统包括：微波系统1、进气口2、微波窗3、放电室4、磁体5、放电室内衬6、等离子体电极7、束流引出系统8和水冷循环部件；其中，放电室1的内部为真空密封的圆柱形的腔体；在放电室的侧壁上设置有水冷循环部件；在放电室的前端设置微波窗口3；微波系统1通过微波窗口3连接放电室4；在放电室4的外壁上设置磁体5；在放电室的侧壁上设置进气口2；在放电室的尾部设置等离子体电极7；等离子体电极7的中间形成引出口；放电室的尾部对接束流引出系统8。微波窗3采用三层氧化铝陶瓷加一层氮化硅保护片。

如图2所示，放电室内衬套7装在放电室4内，为圆筒形，放电室内衬7的外径等于放电室4的内径；放电室内衬7的材料采用高复合系数的钽。钽材料还可以覆盖在放电室内部的两个端面上，提高与氢原子的作用几率，从而提高分子离子产额。

氢原子会在放电室内衬的表面发生复合作用H+H+w→H₂，这个过程会使得离子源中的氢分子含量升高，氢原子含量减少，从而使得质子比降低、H₂⁺离子比例升高。然而，对于不同的材料来说，其复合系数是不同的，对于离子源中常用的陶瓷、石英等介电材料，其复合系数一般在10^-3～10^-4量级，而对于金属材料，如纯铝、钽等，其复合系数在0.1量级。

在本实施例中，采用了钽来提高H₂⁺离子的产额。实验表明，采用钽材料作为放电室内衬，离子源系统的引出口引出的H₂⁺离子流强可以达到40mA，H₂⁺离子的比例可以达到50％，是目前国际上文献可查的最好水平，实验条件为气压1Pa，微波功率1400W，微波脉冲重复频率100Hz，占空比10％，等离子体电极的引出电压45kV。而采用铝材料，H₂⁺离子流强最高只能达到20mA，这是因为铝表面会形成一层稳定的氧化层，复合系数很低，不利于H₂⁺离子形成。

参考文献：

[1]Jose R.Alonsoet al.,Rev.Sci.Instrum.85,02A742(2014).

[2]Ole Waldmannet al.Rev.Sci.Instrum.82,113505(2011).

[3]Bong-Ki Jung et al.Rev.Sci.Instrum.83,02B314(2012).

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。