微波离子源转让专利
申请号 : CN200610145857.8
文献号 : CN100580858C
文献日 : 2010-01-13
发明人 : 崔保群 , 蒋渭生 , 李立强 , 马鹰俊 , 姜冲 , 唐兵 , 马瑞刚
申请人 : 中国原子能科学研究院
摘要 :
本发明公开了一种微波离子源的新结构。在该结构中，波导采用单脊设计，用金属材料制成，通过冷却水强制冷却，脊厚度超过微波耦合窗板的中心，且波导脊的端面与微波耦合窗紧密贴合。这一些的独特设计，使微波离子源从根本上避免了高能返流二次电子束对微波耦合窗板的破坏，使微波离子源真正成为有超长寿命的离子源。
权利要求 :
1.一种微波离子源，包括波导(2)、放电室(6)、励磁线圈(4)、 真空室(9)、加速电极(10)，其中波导(2)通过微波耦合窗(5)同放电 室(6)一端相连，放电室(6)周围缠绕励磁线圈(4)，另一端的离子出 口(8)与真空室(9)相通，在离子束引出的通道上设置加速电极(10)， 其特征在于：所述的波导(2)为金属材料制成的单脊波导，微波耦合窗(5) 的中心线穿过单脊，单脊波导(2)的单脊端面并与微波耦合窗(5)紧密 贴合，单脊波导(2)内部通过冷却水(3)进行强制冷却。
2.根据权利要求1所述的微波离子源，其特征在于：所述的单脊波 导(2)用铁磁材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的微波离子源，其特征在于：在微波耦 合窗(5)的中心位置开设一直径大于返流电子束截面的中心孔(14)。
4.根据权利要求3所述的微波离子源，其特征在于：在单脊波导(2) 上与微波耦合窗(5)的中心孔(14)正对的位置开设一个锥底孔(13)。
说明书 :
技术领域
本发明属于离子源技术领域，具体涉及一种微波离子源的新结 构。
背景技术
微波离子源的原理是选用合适的微波，通过微波耦合窗将微波 功率馈入到一个放电室中。放电室处于一个特定的磁场内，其中的自 由电子受到微波的激励会产生回旋共振(即ECR)，获得能量的电子 使放电室中的工作气体电离，所形成的离子被加速电场引出而获得所 需的离子束。微波离子源具有放电效率高、引出束流强大、品质好、 单原子离子比例高、工作寿命长等优点，可广泛地应用于加速器、中 子发生器及离子注入机等方面。
微波离子源没有热阴极，理论上其工作寿命应该非常长。但国 内外所制造的微波离子源都遇到一个严重的技术难题，即离子源微波 窗的寿命问题。因为在离子加速区中不可避免地会产生二次电子，它 们以很高的能量返轰到放电室底部的微波耦合窗板中心部位。现在所 使用的微波离子源的微波耦合窗板是由陶瓷类材料制成，自身导热性 能差；通常采用的波导设计，中心部位不能冷却，而波导同微波耦合 窗板的接触面有限，不能帮助微波耦合窗板带走热量。故在返流二次 电子束的轰击下微波耦合窗板很快就因产生高热而开裂或者蒸发，形 成通孔，致使微波离子源不能正常工作。因此，微波离子源的使用寿 命受到极大限制。目前，性能较好的微波离子源的寿命只有一百多个 小时。
技术方案
本发明就是针对现有技术中，微波离子源的使用寿命较短的问 题，提供一种能极大延长使用寿命的微波离子源的新结构。
一种微波离子源，包括波导、放电室、励磁线圈、真空室、加 速电极等部件。其中放电室后端经微波耦合窗与波导相连，另一端与 真空室相衔接。放电室周围缠绕励磁线圈。工作气体进入放电室电离 后，通过离子引出孔进入加速区，被加速电场加速以形成所需的离子 束。本发明所提供的技术中，关键在于波导采用单脊设计，用金属材 料制成，微波耦合窗的中心线穿过单脊，且波导脊的端面与微波耦合 窗紧密贴合，通过冷却水强制冷却。
这种单脊设计的好处是，通过强制水冷的波导脊为金属材料制 成，导热性能好，其脊端面同微波耦合窗板紧密接触，接触面大，有 利于微波耦合窗板上的热量通过波导脊导出；同时，即使微波耦合窗 板被击穿，由于脊端面的气封作用，依旧不影响离子源的正常运行， 极大提高微波离子源的使用寿命。
同时，为了进一步延长微波耦合窗板的寿命，可在微波耦合窗 板被返流电子轰击的中心部位的开设一个中心孔，使返流电子直接轰 击在波导的脊端面上，保护微波耦合窗板，从而进一步延长微波离子 源的使用寿命。
微波离子源没有热阴极，理论上其工作寿命应该非常长。但国 内外所制造的微波离子源都遇到一个严重的技术难题，即离子源微波 窗的寿命问题。因为在离子加速区中不可避免地会产生二次电子，它 们以很高的能量返轰到放电室底部的微波耦合窗板中心部位。现在所 使用的微波离子源的微波耦合窗板是由陶瓷类材料制成，自身导热性 能差；通常采用的波导设计，中心部位不能冷却，而波导同微波耦合 窗板的接触面有限，不能帮助微波耦合窗板带走热量。故在返流二次 电子束的轰击下微波耦合窗板很快就因产生高热而开裂或者蒸发，形 成通孔，致使微波离子源不能正常工作。因此，微波离子源的使用寿 命受到极大限制。目前，性能较好的微波离子源的寿命只有一百多个 小时。
技术方案
本发明就是针对现有技术中，微波离子源的使用寿命较短的问 题，提供一种能极大延长使用寿命的微波离子源的新结构。
一种微波离子源，包括波导、放电室、励磁线圈、真空室、加 速电极等部件。其中放电室后端经微波耦合窗与波导相连，另一端与 真空室相衔接。放电室周围缠绕励磁线圈。工作气体进入放电室电离 后，通过离子引出孔进入加速区，被加速电场加速以形成所需的离子 束。本发明所提供的技术中，关键在于波导采用单脊设计，用金属材 料制成，微波耦合窗的中心线穿过单脊，且波导脊的端面与微波耦合 窗紧密贴合，通过冷却水强制冷却。
这种单脊设计的好处是，通过强制水冷的波导脊为金属材料制 成，导热性能好，其脊端面同微波耦合窗板紧密接触，接触面大，有 利于微波耦合窗板上的热量通过波导脊导出；同时，即使微波耦合窗 板被击穿，由于脊端面的气封作用，依旧不影响离子源的正常运行， 极大提高微波离子源的使用寿命。
同时，为了进一步延长微波耦合窗板的寿命，可在微波耦合窗 板被返流电子轰击的中心部位的开设一个中心孔，使返流电子直接轰 击在波导的脊端面上，保护微波耦合窗板，从而进一步延长微波离子 源的使用寿命。
附图说明
图1微波离子源的结构示意图
1微波功率输入；2脊型波导；3冷却水；4励磁线圈；5微 波耦合窗；6放电室；7返流的二次电子；8离子引出孔；9真空室； 10加速电极；11引出的离子束；12工作气体；13锥底孔；14中 心孔；
实施例
下面将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，一种微波离子源，包括单脊波导2、放电室6、励 磁线圈4、真空室9、加速电极10等几部分。其中单脊波导2通过微 波耦合窗5同放电室6一端相连，放电室6周围缠绕励磁线圈4，另 一端的离子出口8与真空室9相通。本实施中，单脊波导2采用金属 材料，尤其是铁磁材料制成，其内部通冷却水3进行强制冷却。同时， 波导2的单脊端面同微波耦合窗板5紧密贴合，其厚度超过微波耦合 窗板5的中心。另外，在微波耦合窗板5的中心位置开设一中心孔 14，中心孔14的直径大于返流电子束7截面的直径；在单脊波导2 上与中心孔14正对的位置也可以开设一个锥底孔13。
工作时，工作气体12进入放电室6被通过微波耦合窗5馈入的 微波功率电离后，从放电室6的离子引出孔8进入真空室9，再被加 速电极10加速后形成所需的离子束11。
这种技术方案的益处十分明显：
1)独特的单脊波导设计，既利于微波耦合窗板的导热，又可 在微波耦合窗板被击穿时依旧保持放电室有效气封，既能有效地阻止 放电室中工作气体的流失，也防止了波导中残余杂气对工作气体的污 染，与现有技术的波导相比，对延长微波离子源的寿命大有益处。
2)微波耦合窗板上开设中心孔，使返流电子直接轰击在波导 的脊端面上；在单脊波导上开设锥底孔，增大了被返流电子轰击的面 积，同时，因锥底孔内磁场很快减弱，并方向是指向孔壁，射入锥底 孔中的返流电子被分散而轰击在锥底孔的孔壁上，从而大大减轻了表 面热负荷强度。
3)波导脊使用铁磁材料制成，有利于放电室中的磁场，节省 了励磁功率。
这一些的独特设计，使微波离子源从根本上避免了高能返流二 次电子束对微波耦合窗板的破坏，使微波离子源真正成为有超长寿命 的离子源。它用于相应的加速器、离子注入机等设备，必将大大提高 设备运行的可靠性及运行效率，从而产生良好的社会效益和经济效 益。
例如，采用本发明所提供新结构的一台微波离子源，其主要参 数是，工作气体：氢气；最高引出电压：75kV；最大引出流强：100mA； 最佳导流系数时的引出束流密度：200mA/cm2；归一化发射度ε≤ 0.129πmm·mrad；质子比H+/H++H2++H3+≈90％。在75kV引出束 流，大于65mA的情况下连续运行超过二百小时。
1微波功率输入；2脊型波导；3冷却水；4励磁线圈；5微 波耦合窗；6放电室；7返流的二次电子；8离子引出孔；9真空室； 10加速电极；11引出的离子束；12工作气体；13锥底孔；14中 心孔；
实施例
下面将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，一种微波离子源，包括单脊波导2、放电室6、励 磁线圈4、真空室9、加速电极10等几部分。其中单脊波导2通过微 波耦合窗5同放电室6一端相连，放电室6周围缠绕励磁线圈4，另 一端的离子出口8与真空室9相通。本实施中，单脊波导2采用金属 材料，尤其是铁磁材料制成，其内部通冷却水3进行强制冷却。同时， 波导2的单脊端面同微波耦合窗板5紧密贴合，其厚度超过微波耦合 窗板5的中心。另外，在微波耦合窗板5的中心位置开设一中心孔 14，中心孔14的直径大于返流电子束7截面的直径；在单脊波导2 上与中心孔14正对的位置也可以开设一个锥底孔13。
工作时，工作气体12进入放电室6被通过微波耦合窗5馈入的 微波功率电离后，从放电室6的离子引出孔8进入真空室9，再被加 速电极10加速后形成所需的离子束11。
这种技术方案的益处十分明显：
1)独特的单脊波导设计，既利于微波耦合窗板的导热，又可 在微波耦合窗板被击穿时依旧保持放电室有效气封，既能有效地阻止 放电室中工作气体的流失，也防止了波导中残余杂气对工作气体的污 染，与现有技术的波导相比，对延长微波离子源的寿命大有益处。
2)微波耦合窗板上开设中心孔，使返流电子直接轰击在波导 的脊端面上；在单脊波导上开设锥底孔，增大了被返流电子轰击的面 积，同时，因锥底孔内磁场很快减弱，并方向是指向孔壁，射入锥底 孔中的返流电子被分散而轰击在锥底孔的孔壁上，从而大大减轻了表 面热负荷强度。
3)波导脊使用铁磁材料制成，有利于放电室中的磁场，节省 了励磁功率。
这一些的独特设计，使微波离子源从根本上避免了高能返流二 次电子束对微波耦合窗板的破坏，使微波离子源真正成为有超长寿命 的离子源。它用于相应的加速器、离子注入机等设备，必将大大提高 设备运行的可靠性及运行效率，从而产生良好的社会效益和经济效 益。
例如，采用本发明所提供新结构的一台微波离子源，其主要参 数是，工作气体：氢气；最高引出电压：75kV；最大引出流强：100mA； 最佳导流系数时的引出束流密度：200mA/cm2；归一化发射度ε≤ 0.129πmm·mrad；质子比H+/H++H2++H3+≈90％。在75kV引出束 流，大于65mA的情况下连续运行超过二百小时。