[发明专利]一种高稳定长寿命气体离子源

说明书

技术领域

本发明涉及单电荷态微波(ECR)等离子体源和微波(ECR)等离子体装置。

背景技术

单电荷态微波气体离子源(Electron Cyclotron Resonance Ion Source)的工作原理是：当电子在垂直其运动方向的磁场中做回旋运动时，其回旋运动的频率只和电子的质量、电子的电量、磁场的大小有关，与电子的运动速度没有关系，在不考虑相对论效应的条件下，电子的质量、电量不变，也就是说对于电子，在磁场固定的条件下，电子在磁场中在回旋运动的频率是不变的。如果电子在磁场运动的过程中，加一个与其回旋频率相同的电磁波，就可以通过共振使电子获得足够的能量，从而把它周围的分子或原子电离，形成等离子体。ECR离子源就是利用这种原理而制成的。

单电荷态微波气体离子源没有热阴极，理论上其工作寿命很长。但在微波离子源工作过程中，在离子加速区不可避免的会产生二次电子，这些二次电子以很高的能量反轰到放电室底部的微波窗，微波窗一般由能够传输微波的绝缘体构成，由于二次电子的能量很高，这些微波窗材料的相对导热性能较差，通常的离子源设计，微波窗部位的冷却也较差，不能把微波窗的热量及时导出，因而微波窗在电子束的轰击下很容易因为过热而开裂或蒸发，造成微波窗的损坏，导致离子源不能正常工作。通常束流较强的单电荷态微波气体离子源连续工作寿命在1-2周左右。

发明内容

本发明针对现有单电荷态微波气体离子源使用寿命短的问题，提供一种能够极大提高单电荷态微波气体离子源使用寿命的新结构。

一种单电荷态气体离子源，包括波导、放电室、真空室、励磁线圈、加速电极等几个部分。放电室后端经微波窗与波导连接，另一端与真空室相连。放电室外部为永磁体或励磁线圈，用以在放电室内形成电子回旋共振所需的磁场。工作气体进入放电室后，与放电室内回旋电子发生碰撞电离，然后通过离子引出孔进入加速区，在加速区高压电场的作用下形成高能离子束。本发明提供的技术中，关键在于微波窗的偏心设计，微波窗用陶瓷制成，它位于放电室后端法兰中心锥形孔的上方，锥形孔中间通冷却水，用来带走反轰电子能量。

这种偏心结构设计的好处是，放电室后侧法兰由不锈钢制成，导热性能好，并且把反轰电子轰击部位做成锥形，使受轰击面积增大，工作时，单位面积受热量减少，热量可以及时发散。这种结构避免了普通单电荷态气体离子源微波窗受反轰电子作用容易损坏的问题，可以大大提高离子源的寿命。

附图说明

图1单电荷态气体离子源结构示意图

1波导；2脊波导；3永磁体；4大法兰；5微波窗；6锥形孔；7励磁线圈；8放电室；9反轰电子；10真空室；11引出孔；12引出电极；13离子束；14冷却水；15进气口

实施例

下面结合附图对本发明所提供的技术方案作进一步阐述。

如图1所示，一种单电荷态气体离子源，包括波导1、放电室8、励磁线圈7、真空室9、加速电极10等几部分。其中波导1通过微波窗5同放电室8的一端连接，放电室8的另一端安装在真空室10的上面，紧邻放电室的外径是励磁线圈7。本实施例中，波导1内加脊波导2主要用于提高微波的传输效率；脊波导2和波导外永磁体3均采用铁氧体材料，一方面用于调节放电室内磁场强度，另一方面利用铁氧体材料对微波传输的导向作用，减少微波的反射功率。与波导连接的微波窗5采用高介电常数陶瓷材料，微波窗5位于锥形孔6上方。真空室8内壁采用氮化硼材料，有利于提高微波放电效率。

离子源工作时，工作气体由进气口15进入放电室8。微波通过波导1、经过微波窗5进入放电室8，放电室8内的电子在外部磁场的作用下做回旋运动，回旋运动频率与微波的频率相同，二者形成共振，电子通过共振可以吸收得到很高的能量，这些电子会使进入放电室8内的气体电离，电离后形成的离子通过引出孔11进入真空室10，再被引出电极12加速形成离子束13。

这种技术方案的优点有：

1.独特的波导结构设计，即有利于提高微波的传输效率，又对提高微波的利用率，并且可以条件放电室内磁场的场形分布和大小。

2.独特的微波窗防反轰电子结构设计，通过这种微波窗保护结构，反轰高能电子直接打在放电室大法兰反轰电子收集圆锥孔内，不会造成微波窗的损坏；圆锥孔的结构增大了反轰电子接收的面积，使其单位面积热接收能量降低，更容易被冷却水导出。

3.微波窗采用小直径陶瓷的方法，有效的减少了离子源的体积，放电室内壁采用氮化硼材料，有效防止了因微波窗结构改变造成离子源引出束流的降低。

采用本发明所述结构的一台单电荷态气体离子源，在工作电压80kV，引出束流30mA的工作条件下，已长期正常工作累计长达半年时间。