加速器物理課件離子源

第二章，離子源ionsource

1，引言

使中性原子、分子或原子團(tuán)簇電離，并從中引出離子束的裝置。它是各種類型的離子加速器、質(zhì)譜儀、電磁同位素分離器、離子注入機(jī)、離子束刻蝕裝置、離子束薄膜沉積裝置、離子束分析裝置、離子推進(jìn)器以及受控?zé)岷司圩冄b置的中性束注入器等設(shè)備的不可缺少的部件，且對(duì)整體結(jié)構(gòu)與性能起著決定性作用.所有離子源都包含五大部分構(gòu)成分類按照各種應(yīng)用所需離子束的基本特征分類

種類：質(zhì)子（氘）、重離子、團(tuán)簇離子、極化離子、放射性離子； 電荷態(tài)：正、負(fù)離子，高電荷態(tài)離子； 束流參數(shù)：能量、流強(qiáng)、發(fā)射度、能散度、束徑等）按照離子源結(jié)構(gòu)中主要元件的特征分類

陰極：冷陰極、熱陰極、空心陰極、等離子體陰極等； 約束場(chǎng)：永磁體、超導(dǎo)磁場(chǎng)、磁鏡場(chǎng)、會(huì)切場(chǎng)、均勻磁場(chǎng)、靜電阱等； 放電功率源：射頻、微波、電子束等； 引出結(jié)構(gòu)：軸向或側(cè)向、膨脹杯、多孔、多電極等 已經(jīng)研制、生產(chǎn)出很多類型的離子源，形成不同系列和名稱。2，電子回旋共振離子源（ECR）

基于磁場(chǎng)中電子回旋共振，微波加熱電離的磁約束等離子體離子源。ECR條件為BC＝0.0357f(T/GHz)，式中f為微波頻率，BC為磁場(chǎng)強(qiáng)度。 它可分為產(chǎn)生高電荷態(tài)離子的ECR離子源（f>2.45GHZ）和產(chǎn)生強(qiáng)流單電荷離子的微波離子源（f2.45GHz）。兩者磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)也不同。前者按最小磁場(chǎng)原理，由軸向磁鏡場(chǎng)疊加徑向多極場(chǎng)而成，使放電室中央的磁場(chǎng)強(qiáng)度最小，室壁附近最強(qiáng)，其間存在一個(gè)閉合的ECR等磁場(chǎng)面。最高場(chǎng)強(qiáng)越高越有利于高電荷態(tài)離子的產(chǎn)生，因此有的采用超導(dǎo)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。 微波離子源是簡(jiǎn)單的螺旋管磁鏡場(chǎng)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度略高于共振值，結(jié)合高氣壓條件（>1Pa）實(shí)現(xiàn)不完全共振加熱，可以更有效吸收微波能量，從而達(dá)到1013／cm3的電子密度，引出很強(qiáng)離子流。這時(shí)微波窗的位置和結(jié)構(gòu)是影響離子源性能和壽命的關(guān)健問題。標(biāo)準(zhǔn)型離子源結(jié)構(gòu)示意圖微波窗不真空密封，經(jīng)濟(jì)安全線圈地電位，位置可調(diào)，可優(yōu)化場(chǎng)形三電極引出系統(tǒng)，簡(jiǎn)單真空隔離高壓，方便調(diào)整。不同材料內(nèi)襯，增加質(zhì)子比

離子源實(shí)驗(yàn)臺(tái)架微波系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)型離子源勵(lì)磁線圈緊湊型離子源與各種形式放電室3，電子束離子源

electronbeamionsource（EBIS）

基于靜電約束，用高密度載能電子束產(chǎn)生高電荷態(tài)離子的裝置。它由電子槍產(chǎn)生一束細(xì)長(zhǎng)的具有確定能量的高密度強(qiáng)流電子束，被一強(qiáng)的螺旋管磁場(chǎng)聚焦，沿束形成負(fù)空間電荷靜電離子阱，以捕獲正離子并使離子逐級(jí)電離，直至達(dá)到受電子能量限制的最高電荷態(tài)，然后改變軸上電位分布而引出離子。

EBIS裝置由超高真空室、電子槍、漂浮管、電子收集器、離子引出器、聚焦磁場(chǎng)以及工作氣體或外注入低電荷態(tài)離子源等組成。它的電離特性主要由電子的能量、流強(qiáng)密度和束的長(zhǎng)度決定。EBIS的電子束長(zhǎng)度約1m，當(dāng)它短到1cm左右則稱謂EBIT（ElectronBeanIonTrap，電子束離子阱）。后者已有引出U92＋的記錄！不同裝置的電子束能量范圍為2~200keV聚焦束流密度為102－103A/cm2，磁場(chǎng)強(qiáng)度為1－5T。按其磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)可分為“低溫EBIS”和“室溫EBIS”，前者采用超導(dǎo)螺旋管，后者則為普通磁體。4，雙等離子體離子源

duoplasmatronionsource帶有兩級(jí)放電（等離子體）的電子碰撞型強(qiáng)流氣體離子源。在陰極、中間電極之間較高氣壓（~3×10－2Torr

）較低電壓（~10V）條件下，維持氣體放電產(chǎn)生低密度陰極等離子體。它通過中間電極孔道的幾何箍縮和磁場(chǎng)箍縮，進(jìn)入二級(jí)放電，在中間電極和陽極之間較低氣壓（~2×10－3Torr）較高電壓（~80V）和強(qiáng)磁場(chǎng)（<0.1T）條件下形成高密度等離子體（~1014／cm3）。然后在加速電場(chǎng)作用下從陽極孔直接引出離子束；或者從陽極一膨脹杯引出。后者有助于束流形成和傳輸。最大正離子流強(qiáng)達(dá)100mA。利用偏軸引出技術(shù)，從雙等離子體源可引出負(fù)離子束。該源優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊通用性好，束流強(qiáng)而品質(zhì)好；缺點(diǎn)是燈絲壽命常受限制。

5，潘寧離子源

penningionsource

又名PIG離子源，因與F.M.Penning發(fā)明和Philips公司制造電離規(guī)IonizationGauge相關(guān)的首字母縮寫詞PIG而得名。 它的基本組成是處在軸向磁場(chǎng)中的一個(gè)管形空心陽極及一對(duì)陰極。兩陰極同軸放置在陽極兩端，其中一個(gè)為主要電子源稱為陰極，另一個(gè)與它構(gòu)成軸向靜電電子阱稱為反陰極。

陰極發(fā)射的電子受磁場(chǎng)約束并在靜電阱中振蕩，發(fā)生碰撞電離形成高密度等離子體。它可以從陽極側(cè)邊開孔或反陰極中心開孔在吸極電場(chǎng)作用下引出離子，分別稱為徑向或軸向引出離子源。陰極引出離子密度高，陽極引出高電荷態(tài)離子比例高。按陰極結(jié)構(gòu)可分為冷陰極和熱陰極PIG源。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是弧壓高（>1KV）影響壽命，需冷卻陰極或限制平均弧功率。

冷陰極材料以Ti鈦、Ta鉭為好。冷陰極的典型離子流為≤5mA熱陰極有：熱燈絲、間接加熱塊狀陰極(Ta、W)及等離子體自熱陰極（Ta、LaB6等）。熱陰極PIG源的典型離子流為≤100mA，熱陰工作允許低孤壓大弧流，有利于產(chǎn)生高電荷態(tài)離子。最高電荷態(tài)分別為xe13+氙和Xe16＋。利用濺射電極容易獲得高電荷態(tài)金屬離子PIG源多才多藝，廣泛用于各類重離子加速器和離子束設(shè)備。它的主要缺點(diǎn)是束流品質(zhì)欠佳和高功率下壽命短。6，高頻離子源

RFionsource利用低壓氣體中高頻放電現(xiàn)象的等離子體離子源。它的基本結(jié)構(gòu)包含放電管（石英或派勒克司玻璃管）、高頻功率耦合回路、進(jìn)氣管和離子引出系統(tǒng)。許多源都有10-3－10-2T的磁場(chǎng)（縱向場(chǎng)、橫向場(chǎng)或多極會(huì)切場(chǎng)）以提高等離子體密度并改善其分布。源的典型工作參數(shù)為氣壓10-3－10-2Torr高頻振蕩器頻率1－100MHz、功率幾百瓦。RF離子源按高頻功率耦合方式分為電容耦合型和電感耦合型。后者居多，一般將RF線圈放在放電管外面，也有采用將天線結(jié)構(gòu)裝入放電室內(nèi)的。RF離子源最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無燈絲，因而壽命長(zhǎng)和等離子體中雜質(zhì)元素少。它適用包括氧的所有氣體，在加速器和半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛應(yīng)用。它利用柵網(wǎng)引出結(jié)構(gòu)可制成大面積（如10cm）大束流（如300mA）適用于離子推進(jìn)器和中性束注入器。此外，已經(jīng)發(fā)展新型RF會(huì)切場(chǎng)離子源，可引出H-離子束（~40mA）和金屬Cu+離子。

7，濺射離子源sputteringionsource

利用陰極濺射現(xiàn)象產(chǎn)生固體離子的離子源。它是產(chǎn)生負(fù)重離子的主要離子源，可分為離子束濺射負(fù)離子源和等離子體濺射負(fù)離子源兩種結(jié)構(gòu)。米德爾頓（Middleton）等發(fā)展的通用型負(fù)離子源是前者的典型。 它由鉭絲組成的圓柱形表面電離器產(chǎn)生5－10KeV,5-15mA的Cs+

束轟擊濺射靶，同時(shí)有足量銫原子噴射靶的表面，降低其功函數(shù)。這樣可得到數(shù)百微安的各種重負(fù)離子，如Pt-,Cu-,Au-,Si-,C-

等達(dá)到150－300A。

8，表面電離離子源

surfaceionizationionsource利用表面電離現(xiàn)象，從高溫金屬表面蒸發(fā)、電離所吸收的原子或分子使其成為離子的裝置。它分為產(chǎn)生正離子和負(fù)離子兩種離子源。正離子離子源適合電離具有低電離電位（5eV）的元素，如一些堿金屬、堿土金屬和稀士金屬元素；同時(shí)高溫電離器需要采用具有高功函數(shù)的材料，如鎢、錸、銥或沸石（zeolite）。負(fù)離子離子源適合電離具有高電子親和勢(shì)(1.8eV)的元素，如鹵素元素；高溫電離器材料則要求其功函數(shù)低，如鎢表面涂一層單原子銫，鉑表面涂碳或LaB6。

表面電離離子源的優(yōu)點(diǎn)是引出離子的發(fā)射面穩(wěn)定和元素選擇性好，且適合通常比較困難處理的堿金屬和鹵素元素。其缺點(diǎn)是適用離子種類有限和熱耗散太大。

9，電子槍

electrongun產(chǎn)生電子并從中引出電子束的器件或裝置。它是陰極射線管、電視機(jī)顯像管、電子顯微鏡、電子束加工裝置和電子加速器等裝置不可缺少的部件。它在真空條件下工作。根據(jù)不同用途，要求提供電子束達(dá)到的參數(shù)包括能量、功率、流強(qiáng)、束斑尺寸和密度分布等差別很大，已有眾多類型電子槍。它們一般由陰極、聚束極和陽極構(gòu)成。陰極產(chǎn)生電子又稱電子源，分為熱發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射、等離子體陰極等各種類型。電子在陽極與陰極間高電場(chǎng)作用下加速達(dá)到所需能量并通過陽極孔引出，聚束極用以控制電子束流密度和流強(qiáng)。此外，光陰極和微波陰極是為電子直線加速器研究的新一代電子槍。

10激光離子源

11，放射性核束離子源RadioactiveNuclearBeamIonSource

產(chǎn)生放射性核束的設(shè)備。一般采取兩種不同的方法，即彈核碎裂法(PF法)和在線同位素法(ISOL法)。

PF法:利用中能或高能重離子束(50MeV/u～1GeV/u)打薄的核靶，炮彈核發(fā)生碎裂，產(chǎn)生所需要的放射性核，并以與炮彈核相近的速度向前方飛出。利用分離和輸運(yùn)系統(tǒng)，經(jīng)過收集分離和純化并形成束流。由于一般中、高能重離子束流較弱(1011

～1012

粒子/秒)只能用薄靶，而且彈核碎裂的開放反應(yīng)道很多，產(chǎn)生指定放射性核的截面小，固放射性核束流強(qiáng)度低，目前一般在108

粒子/秒以下。而且，PF法的放射性束流純度低，束流品質(zhì)差，束流能量固定，其每個(gè)核子能量與初級(jí)重離子束能量相近，很難用于低能核物理研究。為了克服上述缺點(diǎn)，把PF裝置產(chǎn)生的放射性核束注入到儲(chǔ)存環(huán)中去，進(jìn)行進(jìn)一步加工或者加以冷卻，以改善束流品質(zhì)(即束流發(fā)射度和能量分辨)，或者進(jìn)一步加速或減速以滿足物理實(shí)驗(yàn)的要求。

ISOL法:在線同位素分離法應(yīng)用幾十MeV到1GeV能量的強(qiáng)流(幾百μA～mA)的輕粒子束打厚靶，通過各種核反應(yīng)產(chǎn)生放射性核素。為了使奇異核素能迅速地從靶中擴(kuò)散出來并從表面解吸，靶必須運(yùn)行在非常高的溫度下(1300℃－2000℃)，為避免靶材料在這樣高的溫度下氣化和升華，要求它必須是具備低蒸汽壓的耐高溫材料。一般來說，奇異核素產(chǎn)生的幾率為10-3量級(jí)。從厚靶中擴(kuò)散出來的奇異核素是中性原子，必須首先將它們?cè)陔x子源中離化為離子才能對(duì)之分析加速以供物理實(shí)驗(yàn)用。離子源必須有較高的電離效率；低的發(fā)射度；離子源必須能在高溫下運(yùn)行。適宜于在線同位素分離器的離子源有表面電離源，

ECR源和氣體放電型離子源等

靶靶材料的選擇在靶源中，靶材料的選擇是需要面對(duì)的挑戰(zhàn)之一。靶的材料首先應(yīng)能與初級(jí)束相互作用產(chǎn)生放射性核素,并有較高的產(chǎn)生效率。為了使放射性核素迅速地從靶中擴(kuò)散出來并從表面解吸,靶材料必須運(yùn)行在很高的溫度下（1300oC-2000oC）,它必須是具備低蒸汽壓的耐高溫材料。要求所產(chǎn)生的放射性核素本身不是難熔的且不能與靶材料化合成難熔的物質(zhì)，要求靶材料和放射性核素有相反的物理特性。因?yàn)槭琴|(zhì)子束與靶相互作用，靶材料和放射性核素只能相差幾個(gè)質(zhì)量單位，靶的尺寸及形態(tài)，理想情況下靶應(yīng)該是細(xì)粉或纖維狀的，且在高溫下不燒結(jié)或融化，以利于放射性核素盡快擴(kuò)散出來。選擇合適的靶厚可以得到最大的放射性核素產(chǎn)生率和最小的放射性。在選擇靶材時(shí)還特別需要注意盡量避免產(chǎn)生無用的、長(zhǎng)壽命寄生放射性核素。靶材盡管對(duì)靶材的要求相當(dāng)苛刻，根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，我們?nèi)阅苷业揭恍M足上述條件，適合于作靶的材料，它們是C、B、Cr、Hf、Ir、Mo、Nb、Os、Re、Ru、Ta、V、W、Zr及一些金屬硼化物，碳化物，氮化物，氧化物，硫化物等，還有一些金屬的合成材料以及金屬的鋁酸鹽，硅酸鹽，鈦酸鹽和其它一些更復(fù)雜的化合物。放射性核素的等離子體離子源

電子束等離子體離子源,在靶中由核反應(yīng)產(chǎn)生的放射性核素,通過其外的加熱部件將靶加熱到合適的溫度（根據(jù)靶材料的特性，溫度可在1000℃到2500℃之間）,使得放射性核素從靶中釋放出來，并從靶室通過傳輸管傳送到電離室中,離子源的電子發(fā)射陰極由Ta制成，它是傳輸管的一部分，在其上通過幾百安培的電流，一方面可以