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或幾個，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

2、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

3、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： 我們知道，當(dāng)原子中的電子從外界獲得能量時，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，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時，也會由表面釋放出電子，產(chǎn)生電離。不管是ECR源

4、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)電子和一個原子“碰撞”時，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械運動規(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，電離截面反而減小

5、，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)法加強電離，產(chǎn)生更多的離子和電子，同時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。電荷交換就就是已經(jīng)成為離子的原子與中性原子“碰撞”，從從對方處獲得得電子，自身回到電中中性狀態(tài)，而而對方失去電子，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)離離子捕獲一個個電子的電荷荷交換截面最最大。這也也是多電荷態(tài)態(tài)離子源中多電荷態(tài)

6、離子主要的損失機機制。 離子獲得電電子而成為中性原子或分子的過程，叫做復(fù)合。叫復(fù)合是電離的復(fù)的逆過程。我們知我道電電離是有域能能特點的，復(fù)合合則必須滿足足相反的條件件。由復(fù)合組組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），否否則定會很快快被再次離解解。復(fù)合過程程中的剩余能能量一般都是轉(zhuǎn)換成離離子的動能，或或以光子的形形式輻射出來來。復(fù)合和電離離一樣也有一一定的幾率，用截面來表表示。 等離子體密密度總是在放放電室中央或或某個局部位位置處較高，而在放電室室器壁附近密度較低。也就是說，等離子體中總等總是存在著帶帶電粒子的密密度梯度，由于熱運動必由必然會發(fā)生由密度梯度度引

7、起的帶電電離子的輸運運過程，這個過過程成為擴(kuò)散散。實際的情情況是，離子子源放電室內(nèi)離子和電電子總是“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。陽離子子擴(kuò)散到放電電室壁面處與電子復(fù)合，即即變成中性原原子，或使其其電荷態(tài)降低低。在某種程程度上說，離子源的壁面是一個強大大的中性原子子源。這些中中性原子一部部分又回到等等離子體中被被重新電離離，另一部分分被真空系統(tǒng)抽走。實際上上，在離子源源中，只有一一小部分的離離子能夠達(dá)到引出孔，并被加速引引出；絕大部部分的離子都跑向放電室壁壁。 可見，要想想使離子源有更更多的離子被被引出，必須須想方設(shè)法阻阻止離子向放放電室

8、壁擴(kuò)散散。對帶電電粒子的約束束，最為有效的的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體的主要方式式。 1.44 離子的引引出 離子源的另另一個重要問題就是設(shè)法將將產(chǎn)生的離子子及實地從放放電室里拉出出來，形成具具有一定光光學(xué)性質(zhì)的離離子束。對于等等離子體離子子源，一般都都在放電室出出口放置一個個電極（叫等等離子，體電電極）。此電極極與放電室同同處于一個電電位（在PHS的ECR里面，等離子體電電極處于+50kV）其中中一面直接與與等離子體相相“接觸”。通通過電子的軸軸向擴(kuò)散，在在等離子體和和等離子體電極之間會會形成一定的的“鞘層”。也也就是說

9、，等等離子體與等等離子體電極極之間有一邊邊界面。當(dāng)?shù)入x子體電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時，離子就會會從這個等離子體邊界界面上發(fā)射出出來。這個等離離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的相對位置，是由等離子體體的密度、等等離子體的溫溫度等因素決決定。它好像像是一個有彈彈性的薄膜膜。當(dāng)?shù)入x子子體的參數(shù)一定時，發(fā)射面面的形狀隨著著引出電壓的的變化而變化化；當(dāng)引出電壓一定時時，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)兩規(guī)律很相似。發(fā)射面的三三種形狀如如下圖所示：  注：從左到右依依次稱為：欠欠聚焦、最佳

10、聚聚焦、過度聚聚焦。CPHS的ECR源采采用的就是聚聚焦模式。 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，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  

11、0;  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電極稱為抑制電極的原因。  現(xiàn)在離子束的引出模擬計算程序還不精確，計算結(jié)果只能作為設(shè)計的參考。這主要是離子束流的物理過程還沒有搞清楚，數(shù)值計算采用的公式不夠精確導(dǎo)致的。這樣的計算程序有PbGun，我的電腦上有。實際的引出系統(tǒng)設(shè)計，基本上都是由實驗結(jié)果和實際經(jīng)驗來確定，并根據(jù)實驗結(jié)果再不斷地做進(jìn)一步的調(diào)整。&#

12、160;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現(xiàn)的，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)

13、生了等離子體的集體效應(yīng)。下面介紹等離子體的幾個性質(zhì)： a. 德拜(Debye)屏蔽 等離子的一個基本性質(zhì)是它的流動性，這樣它能在一個很薄的厚度內(nèi)屏蔽在等離子體內(nèi)出現(xiàn)的電荷，這個厚度稱為德拜長度。（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)生一個電場，迫使電子向外運動，但是當(dāng)這個小范圍內(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

14、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動，

15、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)點是磁場形狀可調(diào)，而粒子流強和束流分布很大程

16、度上依賴于磁場形狀。永磁體的優(yōu)點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波段的名稱。比

17、起普通的無線電波，微波的頻率高得多，波長也很短。微波的頻帶為0.3GHz3000GHz。他的特點是方向性很強，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)的強流離子束，它使用價格低廉的磁控管產(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永磁鐵磁路占據(jù)，這個磁路提供一個軸向磁場，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

18、核心部分只占用比一支白紙燈泡還小一點的體積。  CPHS的ECR源提供的是60mA強流脈沖質(zhì)子束。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)以及及同軸線。（CCPHS項目采采用的就是是矩形波導(dǎo)+脊波導(dǎo)脊+同軸軸線）一般的，波導(dǎo)材料使使用紫銅做成成，而且導(dǎo)體體內(nèi)壁還要鍍鍍上一層銀銀。波導(dǎo)橫截截面的

19、尺寸和傳輸微波的頻頻率有關(guān)。總總的趨勢是，隨著頻率的的增加，所用波導(dǎo)橫截截面尺寸減小小。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，所所以微波可沿沿其軸向以以“行波”方方式傳輸。 d. 微波諧諧振腔 微波諧諧振腔是由一一個具有一定形狀的導(dǎo)電壁壁所封閉的空空腔，在它內(nèi)內(nèi)部可以激勵勵起有特定頻率的的微波電磁振振蕩。對于微波波而言，ECRR的弧室就是是一個諧振腔腔，用于將饋饋入的微波約束在在其中。在腔內(nèi)，微波以“駐波”的形形式存在。它它還可以組成成網(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)中各部分之間間的阻抗匹配配。 在ECRR中，考慮到到所需磁

20、場建建立的方便，通常都是用用圓柱空腔來來容納被約束束的等內(nèi)后，希望建離子體。微波從外部注微入到這個腔內(nèi)建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，由離由于微波是用用來加熱腔內(nèi)內(nèi)等離子體的的，所以反而而希望“損耗”越越大越好，因此這時諧振腔的品質(zhì)因數(shù)數(shù)很低。 e. 常用的的微波元件 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。 微波窗窗： 微波窗窗是ECR弧室室與微波系統(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，也常用于微波傳傳輸時遇到的的真空部分與與大氣部分的的隔離窗。窗窗口材料一般般是微波

21、頻率率介質(zhì)損耗小小，熱性能好的材料。在我我們CPHS中，采用中AlNN和BN材料料作為微波窗窗的材料。一一般微波窗厚度在幾個毫米米左右。由于于微波加熱，在ECR源運行源過程中中需要不斷地地對微波窗進(jìn)行冷卻。微波波窗的使用壽壽命是ECR個設(shè)備使用壽命中最短短的那塊板。  微波窗示示意圖 微波調(diào)調(diào)配器（短路路活塞/螺釘調(diào)調(diào)配器）： 用于波波導(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的傳輸匹配。態(tài)，從而達(dá)到特定從。同樣的短路路原理也用于于螺釘調(diào)配器器上。螺釘通通常在矩形波波導(dǎo)的寬邊中央部插入，通通過螺釘旋入入的深度，可以改變波

22、導(dǎo)可導(dǎo)的電容，電感特性，從從而調(diào)節(jié)波導(dǎo)導(dǎo)的阻抗與微波匹配。  螺釘調(diào)調(diào)配器的阻抗抗特性 2.4 電子回旋共振加熱 把外界的電磁波注入到存在外磁場的等離子體中，在一定條件下，電磁波的電場可以同步地（共振地）把等離子體中的電子加速到高的能量，從而實現(xiàn)電磁波的能量轉(zhuǎn)化為等離子體的能量，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，大部分電磁波要被反射回來，而不能穿入導(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

23、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固有頻率相同時，電磁波可以激勵起等離子體在這個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，它是在等離子體的固有頻率下，在入射電磁波或其他擾動印象時，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

24、率由等離子體的密度決定。 2.5 ECR離子源 ECR源的兩個最重要的用途，一個是提供高電荷態(tài)的離子，另一個是提供高密度強流單電荷態(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。 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磁阱。磁場的線包是由空心的銅導(dǎo)線繞成，空心銅線同時內(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源的另一個主要設(shè)備就是微波機，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