ECR離子源學(xué)習(xí)總結(jié)

1、讀離子的噴泉電子回旋共振離子源張翔 2011年8月29日1. 離子源的相關(guān)基本知識：1.1離子源概說：原子是由原子核和核外電子構(gòu)成， 當(dāng)原子核外層電子被剝掉一個(gè)或幾個(gè)，即形成了離子。被剝離的電子數(shù)目稱為離子的電荷態(tài)。一臺離子源的性能根本上是由電離室（放電室）內(nèi)等離子體的性質(zhì)決定的。 而等離子體的性質(zhì)與下列因素密切相關(guān)：周圍的磁場和電場分布； 放電室表面狀況及伴隨所發(fā)生的相關(guān)效應(yīng)；放電室內(nèi)工作氣壓；為加工離子源所涉及到的工藝。從離子源中引出的離子束必須在真空管道中傳輸，管道內(nèi)真空度必須足夠好，一般要求它的密度比大氣密度的十億分之一還要小。否則管道內(nèi)剩余氣體的原子會與離子束的離子“碰撞”，使離子從

2、剩余氣體的原子中俘獲電子而損失掉。從離子源中噴射出來的離子并不都是沿著平行于管道中心軸線運(yùn)動，而是與中心軸線成一定的夾角，也就是說，從離子源中出來的離子有一定的發(fā)散度，如果沒有外界力的作用使其改變方向，則隨著傳輸距離的增加，許多離子就會打到管壁上損失掉。在這一點(diǎn)上，離子束與光束很類似， 為了防止發(fā)散,都需要利用透鏡聚焦束流。 聚焦透鏡一般都是利用電場或磁場使帶電粒子在橫向受一定的作 用力，從而迫使帶電粒子靠近中心軸線。離子源系統(tǒng)一般是由：放電室，引出部分，聚焦透鏡，分析選擇器，和測量部分組成。 其中分析選擇器是用于篩選不同同位素和電荷態(tài)離子的，與以前學(xué)的速度選擇器不同。1.2離子的產(chǎn)生：我們知

3、道，當(dāng)原子中的電子從外界獲得能量時(shí)，可以從低能級躍遷到高能級，這種原子稱為受激原子。當(dāng)這種能量大到一定數(shù)值時(shí)，原子中的外層電子就可逃脫原子核的束縛，變成自由電子。我們稱這種情況的原子被電離成自由電子和正離子。原子被電離的方法有很多，可以通過電子與原子的碰撞（將電子的動能部分地轉(zhuǎn)移給原子，使其激發(fā)，物理機(jī)制是量子力學(xué)的內(nèi)容）；原子和原子的碰撞；光子對原子的作用；電子或離子作用在固體表面；固體 電極表面電場非常強(qiáng)時(shí)，也會由表面釋放出電子，產(chǎn)生電離。不管是ECR源還是RF源還是潘寧源采用的都是電子和原子碰撞使其電離的方法。使電子逃脫原子核束縛， 成為自由電子所需要的最低能量，稱為電離能。當(dāng)電子和一個(gè)

4、原子"碰撞”時(shí)，它的電場將和原子內(nèi)電子的場相互作用，并不像我們想 象的那樣直接會碰在一起，而是通過場的作用進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，這些就需要較為復(fù)雜的量子力學(xué)來解釋了，經(jīng)典力學(xué)是無法解釋的。（我們說經(jīng)典力學(xué)研究的是宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動規(guī)律） 帶電粒子之間的能量轉(zhuǎn)換也有一定的幾率問題，并不是電子能量超過了靶核的電離能就一定能夠使其電離的。這種幾率可以用電離截面來表示。統(tǒng)計(jì)表明，基本上隨著電子能量的上升，電離截面先是增加，后又下降。當(dāng)電子的能量很大時(shí)，電離截面反而減小，這便是帶電粒子 的量子效應(yīng)在作怪。1.3離子的消失：離子的產(chǎn)生和消亡是一對緊密聯(lián)系的過程。在離子源中，總是設(shè)法加強(qiáng)電離， 產(chǎn)生更多的

5、離子和電子，同時(shí)盡可能地避免離子的損失，設(shè)法提高離子的壽命。離子損失和消亡的基本過程有以下三三種：電荷交交換、復(fù)合、擴(kuò)擴(kuò)散損失。電荷交換蹴是已經(jīng)成為 離子的原子 與中性原子“碰撞”，從對方處獲得得電子，自身 回到 電中性狀態(tài)，吊而對方失去電 子，成為陽離離子。電荷交交換過程也存存在幾率問題題，并不是所所有的 碰撞都能導(dǎo)致電電荷交換。通通常的情況是，多電荷態(tài)離離子捕獲一竹電子的電荷荷交換截面最最大。 這也是多電荷態(tài)態(tài)離子源中多 電荷態(tài)離子 主要的損失機(jī)機(jī)制。離子獲得電I子而成為中性原子或分子的過程，叫做復(fù)合。復(fù)合是電離的的逆過程。我們知 道電離是有域能能特點(diǎn)的，復(fù)合則必須滿足足相反的條件件。由復(fù)

6、合紐成的離子必必須擺脫剩余余的能 量（復(fù)合釋放出出的能量），否則定會很快快被再次離解解。復(fù)合過阿中的剩余能能量一般都是 轉(zhuǎn)換 成禽子的動能，或以光子的形形式輻射出來來。復(fù)合和電離離一樣也有定的幾率，用截面來哉示。等離子體密密度總是在放放電室中央或或某個(gè)局部位位置處較高，而在放電室室器壁附近密 度較 低。也就是說,等離子體中總總是存在著帶帶電粒子的密密度梯度，由于熱運(yùn)動必必然會發(fā)生由密度 梯度引起的帶電電離子的輸運(yùn)運(yùn)過程，這個(gè)譴程成為擴(kuò)散散。實(shí)際的f情況是，離子源放電室內(nèi) 離子 和電子總是“急急于”跑向放 電室壁。相對對于放電室的的中央位置，放電室壁面面處于低電位位。陽 離子擴(kuò)散到放電電室壁面處

7、與 電子復(fù)合，即變成中性原原子，或使其電荷態(tài)降低氐。在某種稚度上 說，離子源的壁 面是一個(gè)強(qiáng)大大的中性原子子源。這些中性原子一咅部分又回到等等離子體中檄重新 電離，另一部分分被真空系統(tǒng) 抽走。實(shí)際上上在離子源源中，只有小部分的離離子能夠達(dá)到 引出 孔，并被加速引I出；絕大咅部分的離子都 跑向放電室壁壁?？梢?，要想使離子源有更更多的離子被被引出，必須想方設(shè)法阻&止離子向放放電室壁擴(kuò)散散。對 帶電粒子的約束束，最為有效的勺方法之一是是利用磁場。有一定空間間分布的軸向向磁場是約束束等離 子體的主要方式式。1.4離子的剽出離子源的甥一個(gè)重要問 題就是設(shè)法彳將各產(chǎn)生的離子子及實(shí)地從放放電室里拉出

8、出來，形成興有一 定光學(xué)性質(zhì)的離離子束。對于等離子體離子子源，一般制在放電室岀出口放置一個(gè)個(gè)電極（叫等離子 體電極）。此電極與放電室同0處于一個(gè)電電位（在PHS的ECR里面，等離子體電電極處于+50kV）, 其中一面直接與與等離子體相相“接觸”。通過電子的軸由向擴(kuò)散，在在等離子體和和等離子體電極之 間會形成一定的的“鞘層”。也就是說，等等離子體與等等離子體電極及之間有一邊邊界面。當(dāng)?shù)入x子 體電極面上開有有一定大小的 孔，而在其周周圍有一定的的電場分布時(shí)時(shí)，離子就會從這個(gè)等離 子體 邊界面上發(fā)射出出來。這個(gè)等臨子體邊界面面被成為等離離子體發(fā)射面面。等離子體體發(fā)生面的形形狀和 它的相對位置，是由等

9、離子體體的密度、等離子體的溫溫度等因素決抉定。它好彳像是一個(gè)有彈彈生的 薄膜。當(dāng)?shù)入x亓體的參數(shù)一定時(shí)，發(fā)射畫的形狀隨著著引出電壓的的變化而變化化；當(dāng)引出電壓一 定時(shí)，發(fā)射面的形狀則隨著等等離子體參數(shù)數(shù)而變化。兩者的變化規(guī)見律很相似。發(fā)射面的三種形 狀如下圖所示：P 莘離于恢尊高于*電懾I E別出電規(guī)! w 聲JK子體發(fā)射面睛等離于體養(yǎng)康變化注：從左到右依依次稱為：欠欠聚焦、最佳聚聚焦、過度驟焦。CPHS的ECR源采用的就是!聚焦模 式。對于等離子體離子源引出系統(tǒng)，基本上可以近似認(rèn)為離子是由離子發(fā)射面垂直發(fā)射的， 一般有初始會聚或發(fā)散。離開發(fā)射面后的離子，在電場作用下加速，最后經(jīng)引出電極引出，

10、形成離子束。根據(jù)以上對離子引出的說明，可以看出，只要等離子體本身和等離子體電極確定，引出系統(tǒng)的固有特性就已經(jīng)確定。 在一些強(qiáng)流離子源和低能離子源中，常常使用的是三電極引出系統(tǒng)，如下圖所示。1等離子體電極2抑制電極3 地電極CPHS中使用的三電極系統(tǒng)示意圖一般來說，等離子體電極處于正高電位，抑制電極處于負(fù)電位， 最后一個(gè)電極一般處于地電位。這樣由于抑制電極的負(fù)電位，使得地電極以后由于陽離子碰撞產(chǎn)生的自由電子，就不能反向注回離子源當(dāng)中，這也是為什么第二個(gè)電極稱為抑制電極的原因?，F(xiàn)在離子束的引出模擬計(jì)算程序還不精確，計(jì)算結(jié)果只能作為設(shè)計(jì)的參考。這主要是離子束流的物理過程還沒有搞清楚，數(shù)值計(jì)算采用的公

11、式不夠精確導(dǎo)致的。這樣的計(jì)算程序有PbGun,我的電腦上有。實(shí)際的引出系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基本上都是由實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來確定， 并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再不斷地做進(jìn)一步的調(diào)整。2. 電子回旋共振離子源:2.1等離子體等離子體是由大量帶電粒子和部分中性氣體原子組成的，稱為物質(zhì)的第四種聚集態(tài)。 在日常生活中的日光燈，輝光球，汽車的噴漆，天空中的閃電，太陽耀斑等都是等離子體。等 離子體是電離了的氣體，它由電子、離子和未電離的中性粒子組成。但是我們所研究的等離子體還必須滿足以下兩個(gè)條件：一是整體呈電中性； 二是集體效應(yīng)起主導(dǎo)作用。集體效應(yīng)是等離子體區(qū)別于一般氣體的重要特征。普通氣體中分子之間的相互作用是通過碰撞實(shí)現(xiàn)的，

12、 是一種近程作用。等離子體不同，除了這匯總碰撞外，還存在帶電粒子之間的庫侖力，它是 一種長程作用。正是這種長程相互作用力，產(chǎn)生了等離子體的集體效應(yīng)。下面介紹等離子體的幾個(gè)性質(zhì)：a. 德拜（Debye）屏蔽等離子的一個(gè)基本性質(zhì)是它的流動性，這樣它能在一個(gè)很薄的厚度內(nèi)屏蔽在等離子體內(nèi)出現(xiàn)的電荷，這個(gè)厚度稱為德拜長度。（注：Debye是諾貝爾化學(xué)獎獲得者）在我們感興趣的ECR源等離子體中，德拜長度遠(yuǎn)小于毫米量級。b. 等離子體的振蕩（頻率）假設(shè)等離子體體內(nèi)部很小范圍內(nèi)出現(xiàn)了過剩的電子，這些過剩電子便產(chǎn)生一個(gè)電場， 迫使電子向外運(yùn)動，但是當(dāng)這個(gè)小范圍內(nèi)恢復(fù)電中性后，向外跑的電子并不會馬上 停下來，而是

13、繼續(xù)往外跑，結(jié)果使原來電子過剩的小范圍出現(xiàn)電子不足，于是又出 現(xiàn)相反方向的電場，把電子拉回來，電子過剩又重新出現(xiàn)。這樣的過程繼續(xù)下去， 就出現(xiàn)電子的集體振蕩。等離子體內(nèi)帶電粒子的運(yùn)動，使等離子體產(chǎn)生振蕩。C.等離子體的不穩(wěn)定性等離子體的不穩(wěn)定性可以分為兩類：宏觀不穩(wěn)定性和微觀不穩(wěn)定性。大體上講，宏 觀不穩(wěn)定性是離子和電子一起運(yùn)動，等離子體的行為就像導(dǎo)電流體一樣，這種不穩(wěn) 定性存在的后果是使等離子體整體運(yùn)動或崩潰。值得慶幸的是，由于技術(shù)物理學(xué)家 們的努力，現(xiàn)在已能通過適當(dāng)構(gòu)形的磁場來約束等離子體，使宏觀不穩(wěn)定性不能發(fā) 生。這種軸線分布的磁場，在等離子體內(nèi)產(chǎn)生中心低，兩頭高的磁勢。等離子體被約束在

14、該磁勢內(nèi)，不發(fā)生整體性漂移。微觀不穩(wěn)定性不引起等離子體的整體運(yùn)動， 是由于等離子體中離子在速度空間中的不均勻性所引起的。即由于周圍電場或其他擾動對粒子運(yùn)動的影響，使得粒子的速度分布偏離 Maxwell分布律，成為各向異性 分布，這時(shí)出現(xiàn)的不穩(wěn)定性叫損失錐不穩(wěn)定性。另外，非均勻等離子體也產(chǎn)生微觀 不穩(wěn)定性，這時(shí)稱為漂移不穩(wěn)定性。所有這些微觀不穩(wěn)定性，最終都會產(chǎn)生高頻干擾，使得等離子體橫越約束磁場，從 而導(dǎo)致等離子體橫向損失增加。2.2磁約束在等離子體源中，一般都是采用磁鏡、磁瓶來約束等離子體。通常采用永磁體和勵磁線 圈兩種方法。實(shí)際情況中，這兩種方法的使用頻率各占一半。 勵磁線圈的優(yōu)點(diǎn)是磁場形狀

15、可 調(diào)，而粒子流強(qiáng)和束流分布很大程度上依賴于磁場形狀。永磁體的優(yōu)點(diǎn)是無需提供電源系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，減小設(shè)備占用的空間。等離子體是一種逆磁物質(zhì)，有去磁作用。一旦在本來均勻的磁場中建立起等離子體，則在等離子體內(nèi)部，磁場將降低。這樣在等離子體內(nèi)就會產(chǎn)生一種磁阱場形，被約束的等離子體位于阱底最小磁場附近。從內(nèi)向外看去，磁場到處都是增加的， 這不僅是為了對等離子體提供足夠強(qiáng)的磁壓力，而且可以有效地抑制ECR離子源中等離子體的宏觀不穩(wěn)定性。2.3微波系統(tǒng)a. 微波的特性微波也稱為高頻(radio frequency)，它是無線電波的一個(gè)波段的名稱。比起普通的無線電波，微波的頻率高得多，波長也很短。微波的頻帶

16、為0.3GHz3000GHn他的特點(diǎn)是方向性很強(qiáng)，不容易被導(dǎo)體(鐵、銅、大氣、等離子體)反射。產(chǎn)生微波的元件有：磁控管、速調(diào) 管。b. 微波功率管有一類ECR離子源是提供單電荷態(tài)的強(qiáng)流離子束，它使用價(jià)格低廉的磁控管產(chǎn)生微波，頻率為2.45GHz。而頻率在618GHz的微波，幾乎都用速調(diào)管產(chǎn)生并放大微波功率。最常用 的是頻率14GHz、連續(xù)輸出2kW的速調(diào)管。它的大小約為家用電風(fēng)扇一樣，管子體積的大 部分被一個(gè)永磁鐵磁路占據(jù)，這個(gè)磁路提供一個(gè)軸向磁場，用于速調(diào)管中電子束的聚焦，使它不再橫向損失掉，而速調(diào)管的核心部分只占用比一支白紙燈泡還小一點(diǎn)的體積。CPHS的ECR源提供的是60mA強(qiáng)流脈沖質(zhì)子

17、束。采用的就是頻率為2.45GHz的脈沖微波饋入ECR產(chǎn)生脈沖質(zhì)子束。c. 微波的傳輸原件微波技術(shù)中傳輸微波使用金屬波導(dǎo)。早在1933年，人們就發(fā)現(xiàn)空心的金屬管可以用來傳輸微波能量。當(dāng)前，金屬波導(dǎo)是最常用的微波傳輸元件，根據(jù)它的橫截面幾何形狀不同，金屬波導(dǎo)又可分分為矩形波導(dǎo)導(dǎo) 圓形波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)、脊波導(dǎo)以戲同軸線。（CPHS項(xiàng)目乘用的 就是矩形波導(dǎo)+脊波導(dǎo)+同軸線）一般的，波導(dǎo)材料使用紫銅做成成，而且導(dǎo)僻內(nèi)壁還要鍍鍍上一 層銀。波導(dǎo)橫截截面的尺寸和 傳輸微波的頻頻率有關(guān)。總總的趨勢是，隨著頻率的1勺增加，所用波導(dǎo) 橫截面尺寸減小小。在波導(dǎo)中，微波被波導(dǎo)導(dǎo)側(cè)壁反射，但在軸線不不受約束，所所以微波

18、可沿沿其軸 向以“行波”方方式傳輸。d. 微波諧振腔微波鍛振腔是由個(gè)具有一定 形狀的導(dǎo)電壁壁所封閉的空空腔，在它f內(nèi)部可以激勵勵起有 特定頻率的勺微波電磁振振蕩。對于微波波而言，ECR的弧室就是I一個(gè)諧振腔腔，用于將廉入的 微波約束在E其中。在腔內(nèi)，微波以“駐波”的形形式存在。逵還可以組成成網(wǎng)絡(luò)，使特定頻 率的微波或或通過，或截截止，以及作 為微波系統(tǒng) 中各部分之間的阻抗匹配配。在ECR中，考慮至到所需磁場建建立的方便，通常都是用！圓柱空腔來來容納被約束束的等 離子體。微波從外部注 入到這個(gè)腔內(nèi)內(nèi)后，希望璉立起能量密密度盡量高的的微波場，用以加 熱等離子體體。在ECR離子源中，由由于微波是用用

19、來加熱腔內(nèi)內(nèi)等離子體的的，所以反胴希望 “損耗”走越大越好，因 此這時(shí)諧振 腔的品質(zhì)因數(shù)數(shù)很低。e. 常用的微波元件ECR源中常用的微波波元件有：微微波窗、微波波調(diào)配器、定定向耦合器。微波窗：微波窗是ECR弧室與微波系統(tǒng)統(tǒng)的交界面，用于大功率率波導(dǎo)系統(tǒng)中中做充氣用的密封 窗，也常用于微波傳專輸時(shí)遇到的的真空部分與與大氣部分的勺隔離窗。窗口材料一般般是微 波頻率介質(zhì)損耗/小，熱性能好的材料。在我我們CPHS中，采用AIN和BN材料作為 微波窗的材料。般微波窗厚度在幾個(gè)毫米米左右。由于于微波加熱，在ECR源運(yùn)行 過程中需要不斷地也對微波窗進(jìn)行冷卻。微波波窗的使用壽壽命是ECR個(gè)設(shè)備使用壽命 中最癒

20、的那塊板。微波窗7示意圖微波調(diào)配器（短路路活塞/螺釘爛配器）：用于澱導(dǎo)傳輸終端端的短路活塞，它通過調(diào)節(jié)節(jié)波導(dǎo)內(nèi)活塞塞的位置來改改變微波的分分布狀 態(tài)，從而達(dá)到特定的傳輸匹配。同樣的短路路原理也用于于螺釘調(diào)配器器上。螺釘通常在 矩形澱導(dǎo)的寬邊中 央部插入，通過螺釘旋入入的深度，可以改變波導(dǎo)尋的電容，電感特 性，処而調(diào)節(jié)波導(dǎo)尋的阻抗與微 波匹配。ir-BW串聯(lián)諧振（c）感性螺釘爛配器的阻抗抗特性2.4 電子回旋共振加熱在一定條件下， 電磁波的電場可以同從而實(shí)現(xiàn)電磁波的能量轉(zhuǎn)化為等離子大部分電磁波要被反射回來， 而不能把外界的電磁波注入到存在外磁場的等離子體中， 步地（共振地） 把等離子體中的電子加

21、速到高的能量， 體的能量，使等離子體加熱，這就是電子回旋共振加熱。大家知道， 等電磁波傳播過程中遇到金屬導(dǎo)體時(shí)， 穿入導(dǎo)體內(nèi)繼續(xù)傳播。對于等離子體也有類似的情況，它具有導(dǎo)電性，也反射電磁波。尤其 是等離子體中的電子， 由于質(zhì)量很小， 有很好的流動性， 所以能迅速地對外部的電磁場做出 反應(yīng)，并有效地阻止電磁波在等離子體中得傳播。但是，在一定條件下，等離子體就像開了一些窗口，允許一定頻率的電磁波進(jìn)入。當(dāng)外 界電磁波的頻率與等離子體的某個(gè)固有頻率相同時(shí)， 電磁波可以激勵起等離子體在這個(gè)固有 頻率下的電磁振蕩， 把電磁波的能量轉(zhuǎn)化為等離子體的能量。 等離子體內(nèi)部的電磁振蕩稱為 等離子體波， 它是在等離

22、子體的固有頻率下， 在入射電磁波或其他擾動印象時(shí)， 等離子體自 己產(chǎn)生的。 在等離子內(nèi)有很多種等離子體波， 因此實(shí)際上等離子體對電磁波開得窗口也是很 多的。ECR就是利用了其中的某個(gè)窗口，2.45GHz頻率的電磁波對單電荷態(tài)的ECR源中電子的加熱起著很重要的作用。等離子體波固有頻率由等離子體的密度決定。2.5 ECR離子源ECR源的兩個(gè)最重要的用途，一個(gè)是提供高電荷態(tài)的離子，另一個(gè)是提供高密度強(qiáng)流單 電荷態(tài)離子。 前者需要對等離子體進(jìn)行充分的約束， 電子有充分的時(shí)間被加速到高能， 才有 可能剝離出高電荷態(tài)離子。 后者采用高的微波功率向離子源內(nèi)耦合， 以期望在引出孔附近建 立起高密度的等離子體。

23、a. 高電荷態(tài)ECR源一臺高電荷態(tài) ECR離子源主要由約束磁場，微波、真空、供料及引出五部分組成。約 束磁場是由線包提供的軸向磁鏡場和六極永磁體形成的徑向六級磁場疊加而成的一個(gè)磁阱。 磁場的線包是由空心的銅導(dǎo)線繞成， 空心銅線同時(shí)內(nèi)通冷卻水。 這種水采用的是專門處理的 所謂“去離子水” ，它在一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)中。如果線包散熱量大，則去離子水還需要二 回路冷卻。一臺高電荷態(tài)ECR離子源核心的器件并不大，但是電源，冷卻等輔助設(shè)備卻要占去很大的空間。ECR源的另一個(gè)主要設(shè)備就是微波機(jī)，用于產(chǎn)生所需頻率的電磁波，饋入放電弧室。一 般高電荷態(tài)ECR源的微波由速調(diào)管產(chǎn)生，而單電荷態(tài)ECR源的微波用磁控管就夠了。產(chǎn)生的微波經(jīng)波導(dǎo)傳輸， 穿過微波窗， 再通過同軸線饋入離子源弧室內(nèi)。 在最小磁鏡場的作用下， 微波電場共振加熱電子， 使之達(dá)