[發(fā)明專利]一種提高ECR離子源中氫分子離子比例系統(tǒng)及其方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710328732.7
• 申請(qǐng)日: 2017-05-11
• 公開（公告）號(hào): CN107195527B
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭士香;徐源;任海濤;張艾霖;張?zhí)?/a>;張景豐;溫佳美;武文斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): H01J49/10
• 分類號(hào): H01J49/10;H01J49/14
• 代理公司: 北京萬象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11360
• 代理人: 王巖

本發(fā)明公開了一種提高ECR離子源中氫分子離子比例系統(tǒng)及其方法。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H₂⁺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(chǎng)；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，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；H₂⁺離子流強(qiáng)可以達(dá)到40mA，H₂⁺離子的比例可以達(dá)到50％；系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性高，壽命長(zhǎng)。

技術(shù)領(lǐng)域

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(electron cyclotron resonance,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(zhǎng)、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(guó)際上可查的可以得到的最高H₂⁺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(chǎng)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Ole Waldmann等人研究了氮化硼B(yǎng)N、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。

發(fā)明內(nèi)容

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。