construction of electrostatic accelerator rf ion source
zhan furu,yu zengliang,hu chundong,hu suhua,zhang suqing,li jun,chen bin,wang shaohu
(laboratory of ion beam,institute of plasma physics,chinese academy of sciences,hefei,230031)
abstracta rf ion source has been successfully developed for the electrostatic accelerator.various factors affecting the ion beam,in-cluding extraction voltage,focusing voltage and gas pressure,were discussed to optimize the operating performance of the ion source.
keywordsrf ion source,ion beam intensity,ion beam radius
静电加速器工作时要用大钢罩罩住整个装置，罩内充满高压绝缘气体，这要求其内部的离子源应当具有气耗小、质子比高、工作稳定等特点，以减少开罩次数。同时，离子源放置在加速管的顶端，又要求其体积小、重量轻、易于安装。因此，一般都采用高频离子源。高频离子源是利用高频能量使放电瓶内的气体充分电离，形成等离子体，然后通过引出极(吸极)圆孔引出离子流的。电离气体的质子比可达90%，稳定运行可达数百小时。本实验为5.5 mev静电加速器装置研制了一台高频离子源，用于离子束生物实验研究。目前已经过调试，正常运行。
1 装置简介
高频离子源的种类很多，本实验采用图1所示的结构，图中(a)为整体结构;(b)为其引出极结构图，省去加速电极，并有意减小吸极孔径，以适合小束流生物实验需要。在引出电压的作用下，离子流从引出极引出直接进入聚焦极，然后进入加速管。放电瓶上部设有一个小隔离室，减少等离子体与阳极的复合作用，提高阳极寿命。
图1 高频离子源的结构简图
fig.1 schematic diagram showing the
structure of the rf ion source
引出电极是最关键的结构(图1(b))，它的几何形状影响离子源的引出能力。按照低密度管道式引出系统设计，并结合小束流、小气耗等特点，取有关尺寸如下：d=4.6 mm，d=2.5 mm，l=12.5 mm，l=5.1 mm。显然，l/d=5，d/d=1.8,l/d=1.6，满足理论最佳值［1］。引出极的引出口表面与轴线夹角为67.5°。引出极用轻质铝镁合金制作，表面用石英套管密封以屏蔽等离子体，由石英套管确定离子流的发射面。离子源工作时，聚焦电压高电位端与引出极连通，使两者处于同一电位，这样大大减小了因聚焦电位的变化对离子发射面的影响。
高频离子源有三个工作电源，即高频电源、阳极电源和聚焦电源。高频电源通过电容耦合提供电离气体所需的能量；阳极电源提供束流的引出电压，即阳极和引出极之间的电压。对于低压h+等离子体，要求高频电源输出约在100 mhz,100 w范围，引出电压在几千伏［2］，聚焦电极采用圆筒静电透镜形状。电源设计参数分别是：高频电源为100 mhz,120 w;阳极电源为3 kv dc,20 ma;聚焦电源为30 kv dc,5 ma。在一定的引出电压、聚焦电压以及气体气压作用下，可以获得最大引出束流。引出离子的能量近似由阳极电压加上聚焦电压决定。
用于静电加速器的离子源的另一特点是高频电源、阳极电源和聚焦电源是由加速器本身的发电机提供电力的，其频率为400 hz,电压115 v。阳极电源和聚焦电源的输出是可调的，高频电源采用了电子管以提高稳定性和可靠性，其输出功率是固定的。离子源工作时浸没在罩内1.52 mpa(15个大气压)的绝缘气体中，因此要保证衔接处的气密性以及材料的刚度。
2 离子源的调试
2.1 表面清洁处理
表面处理是运行离子源不可缺少的一步。电极表面要光滑洁净，否则将影响离子发射面的位置和形状。离子源处于加速器高压终端，受污染的或不光滑的表面极易造成高压击穿放电。其次，气体中含有杂质，常见的是c，n，b，o及电极元素等，使用一段时间后，放电瓶内表面容易沉积一层薄膜，这层薄膜与电离气体复合，影响电离效率，降低引出束流强度。同时，不清洁的表面也会产生束流杂质。可以采用化学方法清洗电极表面。可用50%的hf和70%的hno3按等体积混合配制成酸液，加入3倍体积的去离子水。这种酸洗液具有很好的清洁效果［5］。
2.2 束流调试
用法拉第圆筒测量引出束流强度，加抑制电压40 v，防止二次电子发射。法拉第圆筒的纵向位置和横向位置都可调节，以测量束流的束径变化。
首先调节耦合电容。电容环离引出极的位置、环间距离以及电容与振荡器的距离都对束流引出产生很大影响。通过实验调节出最佳位置，使引出束流最大。此外，耦合效率还与等离子体电阻(负载)有关［4］。在放电瓶周围加上永久磁铁，产生纵向磁场，可以约束离子流，增大束流。
阳极电压、聚焦电压和气体压强都会影响引出束流的大小。调节引出电压、聚焦电压以及气体压强，可以得到最佳的离子发射面，获得最大引出束流。通过多次调试，得到图2～5所示工作曲线。
图2是在不同的放电气压下，引出束流与引出电压的关系。可以看出，在引出电压ua＜1700 v时，曲线与二极管的伏安特性相似，这与理论模型一致［1］，表明这时离子源工作在最佳状态，即空间电荷限制状态。但引出电压继续加大后，引出束流却迅速下降。从离子发射面来分析，当引出电压足够大时，发射面内凹的曲率变大［3］，呈“过聚焦”状态，离子打到引出极管道内，使引出束流迅速下降。
图2 束流与引出电压的关系
fig.2 the extraction voltage vs.the ion beam intensity
放电气压的变化引起束流的变化如图3所示，当气压小于8×10-4pa时，束流随气压增大而增大，但气压大于8×10-4pa后，束流迅速减小，这是由于气压增大时，产生第二类放电［3］。在高频功率不变的情况下，电离率下降，直至不能放电。而且引出极管道中气压升高，离子与气体分子碰撞的几率加大，影响束流引出。所以，高频离子源一般都工作在低气压状态。
图3 束流与气压的关系
fig.3 the gas pressure vs. the ion beam intensity
改变聚焦电压uf，束流的变化如图4所示。聚焦电压为15～18 kv范围内，束流较大且平稳，此时聚焦效果较好，选定此时的聚焦电压为工作电压。
图4 束流与聚焦电压的关系
fig.4 the focusing voltage vs. the ion beam intensity
2.3 束径测量
离子束是垂直向下运动的，截面近似成圆形。将法拉第圆筒固定在带螺旋测微仪的水平支架上，水平移动圆筒位置，测得束流强度信号近似高斯分布。为简单起见，取半高宽为束径，改变圆筒的轴向位置，就能测得束流的包络线。这里测量了最大引出束流条件下的束流包络，见图5。测得的束径变化不大。
图5 离子束流包络
fig.5 the profile of the ion beam
3 结论
离子源调试实验表明，在引出电压为1700 v左右，聚焦电压为16 kv左右，气压在(1～8)×10-4pa范围内，离子源处于最佳工作状态，引出束流最大。虽然只测得较短范围内的束径变化，但对于静电加速器来说是足够的，因为离子源后面紧接加速管，束流被进一步聚焦和轴向加速。另外，已测得8 h内离子源仍能连续稳定工作，这也满足了离子束实验的需要。
实验中，束流总会有些不稳定，主要原因为：
(1)进气气压的不稳定、高频功率的波动等因素引起放电瓶内等离子体的不稳定性。
(2)不同的进气速率产生不同的等离子体的负载电阻、电子温度、离子温度等［4］，从而影响到高频功率的耦合。对特定的实验，一般应保持气压固定不变。
(3)引出电压、聚焦电压波动影响离子源的工作状态。
(4)部件的机械制造精度及安装精度，特别是引出极的精度，对束流具有很大影响。
有关实验仍在进一步进行之中。
詹福如(中国科学院等离子体物理研究所离子束生物实验室 合肥 230031)
余增亮(中国科学院等离子体物理研究所离子束生物实验室 合肥 230031)
胡纯栋(中国科学院等离子体物理研究所离子束生物实验室 合肥 230031)
胡素华(中国科学院等离子体物理研究所离子束生物实验室 合肥 230031)
张束清(中国科学院等离子体物理研究所离子束生物实验室 合肥 230031)
李军(中国科学院等离子体物理研究所离子束生物实验室 合肥 230031)
陈斌(中国科学院等离子体物理研究所离子束生物实验室 合肥 230031)
王绍虎(中国科学院等离子体物理研究所离子束生物实验室 合肥 230031)
参考文献
1，张华顺等.离子源和大功率中性束源.北京：原子能出版社，1987
2，mд葛波维奇.等离子体离子源与技术.北京：科学出版社，1976
3，叶铭汉，陈鉴璞.静电加速器.北京：科学出版社，1965
4，petty c c,smith d k.rev sci instrum,1986,57(10):2409～2414
5，narayan c et al.nucl instr & meth b,1998,(134):271～275 |
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