本發(fā)明涉及離子源，具體涉及一種提高電子回旋共振離子源中氫分子離子比例系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

離子源是一種使中性原子或分子電離，并引出離子束流的裝置，其被廣泛地用于加速器、高能物理、離子注入機(jī)、半導(dǎo)體以及治癌等領(lǐng)域。根據(jù)放電機(jī)理來分，離子源分為很多種類，如潘寧源、高頻離子源、激光離子源等等。電子回旋共振離子源是一種利用電子回旋共振(electroncyclotronresonance,ecr)機(jī)制來產(chǎn)生離子束的裝置，其基本原理為當(dāng)饋入微波的頻率與電子繞磁力線作回旋運(yùn)動(dòng)的角頻率相同時(shí)，電子可以通過共振被加速電離氣體產(chǎn)生等離子體。由于ecr離子源是無陰極離子源，其壽命可以很長、運(yùn)行穩(wěn)定，被許多加速器裝置采用。

根據(jù)頻率來分，ecr離子源可以分為低頻ecr離子源(主要為2.45ghz)和高頻ecr離子源(一般>5ghz)。其中2.45ghz離子源主要用于產(chǎn)生強(qiáng)流單電荷態(tài)離子束如h⁺、d⁺、o⁺等，而高頻ecr離子源則主要用于產(chǎn)生較高電荷態(tài)的離子。在氫氣作為放電氣體的ecr離子源中，其引出的束流其實(shí)是混合束，主要由h⁺、h2⁺以及h3⁺等離子。一般來說，需要質(zhì)子(h⁺)的裝置比較多，如歐洲散裂中子源裝置、加速器驅(qū)動(dòng)次臨界裝置等。然而，h2⁺離子也有一些特殊的應(yīng)用：一方面，h2⁺離子和d⁺離子有著相同的荷質(zhì)比，其可以代替d⁺離子進(jìn)行加速器的調(diào)試，從而減少調(diào)試過程中d⁺離子引起的中子輻射問題；另一方面，同樣核子數(shù)和能量的h2⁺離子束相對(duì)于h⁺束來說空間電荷效應(yīng)更小，其可以用于強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器當(dāng)中減少束流損失，并采用在出口處剝離的方法產(chǎn)生質(zhì)子；此外，h2⁺離子束還可以用于質(zhì)子治癌、天體物理等領(lǐng)域。然而，目前為止，國際上可查的可以得到的最高h(yuǎn)2⁺離子束流強(qiáng)只有15ma，無法滿足一些裝置如強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器的要求。

在ecr離子源中，影響各種離子成分比例和流強(qiáng)的因素很多，如微波功率、工作氣壓、磁場分布、微波匹配方式以及離子源結(jié)構(gòu)等等。除此之外，離子源放電室腔體的材料也會(huì)對(duì)離子成分帶來影響。勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室的olewaldmann等人研究了氮化硼bn、鋁、氧化鋁al2o3以及不銹鋼等幾種材料對(duì)質(zhì)子比的影響，其中使用bn和al2o3獲得的質(zhì)子比較高，而使用不銹鋼得到的質(zhì)子比則較低。但目前，沒有關(guān)于提高ecr離子源中h2⁺離子比例的比較系統(tǒng)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種提高電子回旋共振離子源中氫分子離子比例系統(tǒng)及其方法。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種提高電子回旋共振離子源中氫分子離子比例系統(tǒng)。

本發(fā)明的提高氫分子離子比例的電子回旋共振離子源系統(tǒng)包括：微波系統(tǒng)、進(jìn)氣口、微波窗、放電室、磁體、放電室內(nèi)襯、等離子體電極、束流引出系統(tǒng)和水冷循環(huán)部件；其中，放電室的內(nèi)部為真空密封的圓柱形的腔體；在放電室的側(cè)壁上設(shè)置有水冷循環(huán)部件；在放電室的前端設(shè)置微波窗口；微波系統(tǒng)通過微波窗口連接放電室；在放電室的外壁上設(shè)置磁體；在放電室的側(cè)壁上設(shè)置進(jìn)氣口；在放電室的尾部設(shè)置等離子體電極；等離子體電極的中間形成引出口；放電室的尾部對(duì)接束流引出系統(tǒng)；放電室內(nèi)襯套裝在放電室內(nèi)，放電室內(nèi)襯的外徑等于放電室的內(nèi)徑，放電室內(nèi)襯的材料采用高復(fù)合系數(shù)材料；通過進(jìn)氣口向放電室中通入純氫氣；微波系統(tǒng)將微波通過微波窗傳輸至放電室內(nèi)；磁體提供軸向共振場；微波與放電室中的氫氣作用產(chǎn)生等離子體，同時(shí)，氫原子在放電室內(nèi)襯的高復(fù)合系數(shù)材料表面發(fā)生復(fù)合作用h+h+w→h2，形成大量氫分子，使得放電室內(nèi)的氫分子含量升高，等離子體中氫原子含量減少，從而使得h⁺比例降低，h2⁺離子比例升高；等離子體在產(chǎn)生后，在等離子體電極上加高壓，通過束流引出系統(tǒng)引出形成h2⁺離子束流，其中w為放電室內(nèi)襯的高復(fù)合系數(shù)材料。

本發(fā)明的ecr離子源均采用2.45ghzecr離子源。

放電室的材料采用性質(zhì)穩(wěn)定的金屬，如不銹鋼。放電室的內(nèi)徑在30mm～80mm之間；長度在35mm～100mm。等離子體電極的厚度可以改變，通過改變等離子體電子的厚度，可以改變放電室的實(shí)際長度，當(dāng)放電室的長度在35～60mm之間時(shí)，h2⁺離子的比例比較高。

放電室設(shè)置有水冷循環(huán)部件，用于冷卻離子源體，并保證外部磁體不受熱。

微波窗的材料為氧化鋁、石英或者氮化硼。

微波窗的直徑為20～50mm，厚度為10～40mm。

磁體采用永磁體或者線圈。

放電室內(nèi)襯的高復(fù)合系數(shù)材料采用鉭、鉬、不銹鋼或者銅。

放電室內(nèi)襯為圓筒形，或者放電室內(nèi)襯覆蓋放電室內(nèi)的側(cè)壁和兩個(gè)端面。

放電室內(nèi)襯的外徑等于放電室的內(nèi)徑，放電室內(nèi)襯的內(nèi)徑可變，當(dāng)放電室內(nèi)襯的內(nèi)徑在30～60mm之間時(shí)，h2⁺離子的比例比較高。

進(jìn)一步，在放電室內(nèi)襯的表面設(shè)置有凸起的圖案，提高表面粗糙度，增加表面面積，從而提高與氫原子的相互作用幾率。圖案采用三角形或菱形等。

等離子體的引出口為圓孔，直徑為6～10mm。

等離子體的材料為鉭、鉬或者不銹鋼。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種提高電子回旋共振離子源中氫分子離子比例方法。

本發(fā)明的提高電子回旋共振離子源中氫分子離子比例方法，包括以下步驟：

1)通過進(jìn)氣口向放電室中通入純氫氣；

2)微波系統(tǒng)將微波通過微波窗傳輸至放電室內(nèi)；

3)磁體提供軸向共振場；

4)微波與放電室中的氫氣作用產(chǎn)生等離子體，同時(shí)，氫原子在放電室內(nèi)襯的高復(fù)合系數(shù)

材料表面發(fā)生復(fù)合作用h+h+w→h2，形成大量氫分子，使得放電室內(nèi)的氫分子含量

升高，等離子體中氫原子含量減少，從而使得h⁺比例降低，h2⁺離子比例升高，其中w

為放電室內(nèi)襯的高復(fù)合系數(shù)材料；

5)等離子體在產(chǎn)生后，在等離子體電極上加高壓，通過束流引出系統(tǒng)引出形成h2⁺離子

束流。

其中，在步驟4)中，放電室內(nèi)襯采用鉭，提高h(yuǎn)2⁺離子比例。

放電室內(nèi)氣壓的范圍為0.5pa～10pa之間；微波功率范圍在800w～3000w之間，h2⁺離子的比例比較高。微波功率信號(hào)重復(fù)頻率在10～500hz，占空比為1％～100％。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用放電室內(nèi)襯套裝在放電室內(nèi)，放電室內(nèi)襯的材料采用高復(fù)合系數(shù)材料，其中鉭材料為首次在該類型的離子源中作為內(nèi)襯使用來提高h(yuǎn)2⁺離子比例；通過進(jìn)氣口向放電室中通入純氫氣；微波系統(tǒng)將微波通過微波窗傳輸至放電室內(nèi)；磁體提供軸向共振場；微波與放電室中的氫氣作用產(chǎn)生等離子體，同時(shí)，氫原子在放電室內(nèi)襯的高復(fù)合系數(shù)材料表面發(fā)生復(fù)合作用h+h+w→h2，形成大量氫分子，使得放電室內(nèi)的氫分子含量升高，等離子體中氫原子含量減少，從而使得h⁺比例降低，h2⁺離子比例升高；采用表面有圖案或者粗糙度高的高復(fù)合系數(shù)材料也是首次在該類型的離子源中使用，其對(duì)于h2⁺離子比例的提高有明顯的作用；h2⁺離子流強(qiáng)可以達(dá)到40ma，h2⁺離子的比例可以達(dá)到50％，該結(jié)果為目前國際上文獻(xiàn)可查的最好水平；系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性高，壽命長。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的提高氫分子離子比例的電子回旋共振離子源系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；

圖2為本發(fā)明的提高氫分子離子比例的電子回旋共振離子源系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的放電室內(nèi)襯的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的提高氫分子離子比例的電子回旋共振離子源系統(tǒng)包括：微波系統(tǒng)1、進(jìn)氣口2、微波窗3、放電室4、磁體5、放電室內(nèi)襯6、等離子體電極7、束流引出系統(tǒng)8和水冷循環(huán)部件；其中，放電室1的內(nèi)部為真空密封的圓柱形的腔體；在放電室的側(cè)壁上設(shè)置有水冷循環(huán)部件；在放電室的前端設(shè)置微波窗口3；微波系統(tǒng)1通過微波窗口3連接放電室4；在放電室4的外壁上設(shè)置磁體5；在放電室的側(cè)壁上設(shè)置進(jìn)氣口2；在放電室的尾部設(shè)置等離子體電極7；等離子體電極7的中間形成引出口；放電室的尾部對(duì)接束流引出系統(tǒng)8。微波窗3采用三層氧化鋁陶瓷加一層氮化硅保護(hù)片。

如圖2所示，放電室內(nèi)襯套7裝在放電室4內(nèi)，為圓筒形，放電室內(nèi)襯7的外徑等于放電室4的內(nèi)徑；放電室內(nèi)襯7的材料采用高復(fù)合系數(shù)的鉭。鉭材料還可以覆蓋在放電室內(nèi)部的兩個(gè)端面上，提高與氫原子的作用幾率，從而提高分子離子產(chǎn)額。

氫原子會(huì)在放電室內(nèi)襯的表面發(fā)生復(fù)合作用h+h+w→h2，這個(gè)過程會(huì)使得離子源中的氫分子含量升高，氫原子含量減少，從而使得質(zhì)子比降低、h2⁺離子比例升高。然而，對(duì)于不同的材料來說，其復(fù)合系數(shù)是不同的，對(duì)于離子源中常用的陶瓷、石英等介電材料，其復(fù)合系數(shù)一般在10^-3～10^-4量級(jí)，而對(duì)于金屬材料，如純鋁、鉭等，其復(fù)合系數(shù)在0.1量級(jí)。

在本實(shí)施例中，采用了鉭來提高h(yuǎn)2⁺離子的產(chǎn)額。實(shí)驗(yàn)表明，采用鉭材料作為放電室內(nèi)襯，離子源系統(tǒng)的引出口引出的h2⁺離子流強(qiáng)可以達(dá)到40ma，h2⁺離子的比例可以達(dá)到50％，是目前國際上文獻(xiàn)可查的最好水平，實(shí)驗(yàn)條件為氣壓1pa，微波功率1400w，微波脈沖重復(fù)頻率100hz，占空比10％，等離子體電極的引出電壓45kv。而采用鋁材料，h2⁺離子流強(qiáng)最高只能達(dá)到20ma，這是因?yàn)殇X表面會(huì)形成一層穩(wěn)定的氧化層，復(fù)合系數(shù)很低，不利于h2⁺離子形成。

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最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。