一种双等离子体离子源的制作方法

本发明属于加速器设备技术领域，涉及一种双等离子体离子源。

背景技术：

氘氘(D-D)和氘氚(D-T)聚变反应加速器中子源是重要的单能中子源(简称中子发生器)，可广泛应用于核数据测量、核聚变堆基础研究、军工基础研究、快中子应用技术等各个方面。D-D和D-T聚变反应的特点是，在较低的D束流能量下，有较大的反应截面，即可用低能加速器加速D离子束，轰击氘钛(TiD)靶或氚钛(TiT)靶发生氘氘(D-D)或氘氚(D-T)聚变反应产生强的快中子，快中子的产额与轰击在靶上的D束流强度成正比。为了使100-120kV/D-D中子发生器中子产额达到更高的技术指标，靶上D束流越大中子产额上升空间越大，故提出小型化离子源的引出束流在大于2mA的前提下越大越好。

就目前的高频离子源、ECR离子源需要使用高频电源和微波源，存在高频和微波辐射问题，会对相关分析仪器的测量电子学系统及中子发生器控制系统产生干扰。潘宁离子源结构简单、性能稳定，但放电室内产生的等离子体密度偏小，引出束流较小，束流单原子离子比不高(约15％)。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双等离子体离子源，解决了目前离子源引出束流较小的问题。

本发明所采用的技术方案是包括阳极外壳，阳极外壳和中间电极采用软铁材料，中间电极设有冷却槽，中间电极和阳极外壳之间设有励磁线包，放电室内设有阴极灯丝，阴极灯丝置于灯丝罩内，灯丝罩安装在灯丝架上，灯丝架和灯丝接线柱通过陶瓷管固定在中间电极法兰上，中间电极法兰安装在中间电极的一端，中间电极的冷却槽连通中间电极冷却管道入口，中间电极法兰上设有进气管道连通放电室，放电室另一端为锥形出口，锥形出口连接阳极嵌块，阳极嵌块连接扩张杯，阳极法兰上设有阳极法兰冷却管道入口和阳极法兰冷却管道出口，阳极法兰底部设有阳极引出法兰。

进一步，中间电极法兰和中间电极的接触角设有真空封装O型密封圈。

进一步，放电室锥形出口上下端的半径分别为46mm和6mm；所述阳极嵌块采用金属钼材料，阳极嵌块的引出孔直径1mm；所述扩张杯直径为19mm，长度为16mm。

进一步，励磁线包安装在铜线包骨架法兰上，所述阳极外壳安装在阳极法兰上，中间电极、励磁线包、阳极嵌块、扩张杯和铜线包骨架法兰与阳极法兰之间均设有绝缘法兰。

进一步，灯丝架、灯丝罩均由金属钼加工而成，所述阴极灯丝与灯丝罩之间的绝缘均为陶瓷柱，所述阳极外壳、阳极法兰、中间电极由纯铁加工而成，所述铜线包骨架法兰由磁性不锈钢或铜加工而成。

进一步，阴极灯丝加-500V电压，中间电极为-200V电压，中间电极和阳极法兰内部均刻有冷却槽，外部对应两组冷却进出口。

本发明的有益效果是提供更高的引出束流强度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的双等离子体离子源的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的双等离子体离子源内磁力线分布图；

图3是本发明实施例提供的双等离子体离子源的中心轴线处的磁场强度分布图；

图4是本发明实施例提供的双等离子体离子源的中心轴线处的电场强度分布图；

图5是本发明实施例提供的双等离子体离子源的束流引出径迹图。

图中，1.阳极外壳，2.中间电极，3.励磁线包，4.放电室，5.阴极灯丝，6.灯丝罩，7.灯丝架，8.灯丝接线柱，9.陶瓷管，10.中间电极法兰，11.真空封装O型密封圈，12.中间电极冷却管道入口，13.进气管道，14.阳极嵌块，15.扩张杯，16.铜线包骨架法兰，17.阳极法兰，18.绝缘法兰，19.阳极法兰冷却管道入口，20.阳极法兰冷却管道出口，21.阳极引出法兰。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明如图1所示，阳极外壳1和中间电极2采用软铁材料，中间电极2设有冷却槽；中间电极2和阳极外壳1之间设有励磁线包3，中间电极2内部形成放电室4，放电室4内轴向磁场由励磁线包3产生，放电室4内设有阴极灯丝5，阴极灯丝5置于灯丝罩6内，灯丝罩6安装在灯丝架7上，灯丝架7和灯丝接线柱8通过陶瓷管9固定在中间电极法兰10上，陶瓷管9使灯丝架7和灯丝接线柱8与中间电极法兰10保持绝缘，中间电极法兰10安装在中间电极2的一端，为了加强中间电极法兰10和中间电极2的密封，在中间电极法兰10和中间电极2的接触角设有真空封装O型密封圈11，中间电极2的冷却槽连通中间电极冷却管道入口12，中间电极法兰10上设有进气管道13连通放电室4，放电室4另一端为锥形出口、锥形出口上下端的半径分别为46mm和6mm，锥形出口连接阳极嵌块14，阳极嵌块14采用金属钼材料，阳极嵌块14的引出孔直径1mm，阳极嵌块14连接扩张杯15，扩张杯15直径为19mm，长度为16mm。

励磁线包3安装在铜线包骨架法兰16上，阳极外壳1安装在阳极法兰17上，中间电极2、励磁线包3、阳极嵌块14、扩张杯15和铜线包骨架法兰16与阳极法兰17之间均设有绝缘法兰18，阳极法兰17上设有阳极法兰冷却管道入口19和阳极法兰冷却管道出口20，阳极法兰17底部设有阳极引出法兰21。灯丝架7、灯丝罩6均由金属钼加工而成，阴极灯丝5与灯丝罩6之间的绝缘均为陶瓷柱。阳极外壳1、阳极法兰17、中间电极2由纯铁加工而成，铜线包骨架法兰16由磁性不锈钢或铜加工而成。

本发明采用的双等离子体离子源的磁场源为电磁铁。离子源阳极为地电位，灯丝部分加-500V电压，中间电极2为-200V电压。中间电极2和阳极法兰17内部均刻有冷却槽，外部对应两组冷却进出口，在双等离子体离子源使用过程中会产生大量的热，通过冷却循环系统可以降低各部件温度，进而大幅度提高双等离子体离子源使用参数，提高使用寿命。

工作时工作气体氘气通过气体流量计由进气管道13进入双等离子体离子源放电腔体室内，离子源内部气压保持在适当范围内，此时通过灯丝接线柱8向阴极灯丝5馈入大电流，阴极灯丝5温度升高，产生的热电子发射引起气体放电。放电产生的等离子体首先由中间电极2前端的锥形结构受到机械压缩，锥形结构直径最大处为46mm，直径最小处为6mm。在这个位置有励磁线包3产生的强磁场对电子和等离子体产生很强的径向约束，将等离子体压缩在放电腔体轴线附近，出现一个电位峰，这个电位峰将等离子体从阳极嵌块14直径为1mm的阳极孔中推出去，从阳极孔中喷出的等离子体进入后端的扩张杯15，扩张杯15可以很好的降低离子束发散度，降低引出电压。

不同磁导率的材料会对磁场的传递效率产生影响，磁导率越高，磁场传递效率也越高。因此阳极外壳1、阳极法兰17、中间电极法兰2均为纯铁材质，以构成更好的离子源磁场回路。当励磁线包3的安匝数为8000时，离子源内部磁力线分布如图2所示，对应轴线上的磁场强度如图3所示。在阴极灯丝5与中间电极2之间区域附近，磁感应强度上升到极大值，约为40Gs，阴极灯丝5发出的热电子能量约几个eV，经阴极灯丝5与中间电极2之间的电场加速，能量约可达200eV左右，据此估算，电子在此区域螺旋进动的回旋半径约为1mm；在中间电极2和阳极灯丝5之间的等离子体磁压缩区域，磁感应强度最大可达1900Gs，可对等离子体产生强的磁压缩；在阳极孔及扩张杯15区域，磁场很弱，不会对等离子体的扩散和在扩张杯15中形成引出弯月面产生明显扰动。

在本双等离子体离子源的使用环境中，离子源后端存在一引出加速电极，此电极处于-120kV高压，在加速离子束的同时起到引出离子束的作用，使用过程中，阳极外壳1、阳极法兰17均处于地电位，阴极灯丝5和中间电极2分别处于-500V、-200V电压。离子源轴线上的电场分布如图4所示

双等离子体离子源用在紧凑型D-D中子发生器上时，需要靶上束斑直径小于20mm，。利用MAGIC软件模拟得到的束流引出如附图5中所示，束流在靶上的束斑直径在16mm左右，符合设计要求。

本发明的优点还在于：

1)整个外壳都为阳极，且阳极处于地电位，在使用过程中更为安全，方便离子源和后端设备连接使用，阴极灯丝和中间电极分别处于-500V、-200V电压，保证了离子源能够正常起弧；

2)灯丝架、灯丝罩均采用金属钼材料，钼具有更高的熔点，在高温下不易变形，方便拆换，使用寿命更长；

3)励磁部分采用电磁铁，电磁铁形成的磁场强度连续可调，通过改变供电电流，输出不同强度的磁场，进而找到离子束聚焦的最优磁场，方便离子源的调试，以达到更大的引出束流；

4)离子源后端没有单独的引出电极，减少一台供电设备，引出电压由后端的引出加速电极提供，设计了扩张杯结构，可以在后端设备的引出加速电极作用下形成一个更加理想的弯月面，有利于离子束的聚焦引出。

采用本发明提供的方案相比于现有技术，可延长双等离子体离子源的使用寿命，提高引出束流强度，降低使用成本。可以引出1～40mA的D束流，使用寿命大于100小时；所有部件均采用可拆卸式结构，可方便更换易损部件的同时，给其参数的优化留下了很大的空间，提高了整体的经济效益。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。