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1、收稿日期: 1996204209 收到修改稿日期: 1996208224第31卷第3期原子能科学技术Vol . 31,No. 31997年5月A tom ic Energy Science and TechnologyM ay 1997用于蓝姆移动型极化离子源 的低能强流双等源王荣文 陈 泉 史淑梅 李立强(中国原子能科学研究院核物理研究所,北京, 102413)建立了用于蓝姆移动型极化离子源的双等源和低能引出聚焦系统,实验比较了等离子体出口孔径和聚焦电极之间的距离对引出束的影响,并调整了离子源的运行参数。 离子束的质子比可达60%以上,满足了极化离子源的工作要求。 约有4 mA低能氢离子束(
2、550 eV)或氘离子束(1100eV)进入铯蒸汽电荷交换管道,在极化源上使用低能强流双等源后,可获得200 nA左右的极化质子(或氘核)束。关键词 双等源 蓝姆移动型极化源 低能束 质子比1 原理双等源和低能束形成系统的良好性能对于极化离子源的成功运行具有十分重要的意义。质子束或氘核束进入铯蒸汽管道时,不同的电荷交换机制使得粒子束具有不同的成份,如正离子、 负离子、 基态和亚稳态原子等。 其中亚稳态原子束是蓝姆移动型极化源产生极化束的基础, 不同粒子产生的截面与入射粒子的能量和铯蒸汽的密度有关。 如入射质子能量为550 eV或氘核能量为1100 eV ,铯蒸汽厚度为112104cm- 2,产
3、生亚稳态的截面达极大值。 由于离子能量极低,空间电荷斥力使离子束在传输过程中迅速分散,但由于铯蒸汽存在,铯原子提供的大 量电子使入射离子几乎完全中和,极大地缓解了低能束的空间电荷斥力。 因此,只要双等源提 供聚焦良好的强流低能束就能获得强流极化束。在平行平面二极管引出电极中,空间电荷限流的引出离子流密度J(A?cm2)可以用Child2L angmuir2Schottky(CL S)定律表示:J=40 9(2em)1?2V3?2d2这里V为引出电压,d为离子发射面和引出极间的距离。 为了引出足够大的离子流,可以提高 引出电压或缩短引出距离,但它们受到减速过程聚焦性能的制约;增大等离子体发射面尺
4、寸也是一种途径。 使用等离子体扩张杯,即使引出电压较低,亦可引出较大流强。2 离子源结构这里描述的双等源和加速2减速系统非常类似于Los A lamos实验室的双等源结构1(图图1 双等源结构示意图及引出系统Fig. 1 Schematic view of the duoplasmatron and itsextraction system1)。 中间电极由碳钢制成,放电室周围有冷却通道,通道内径 为36mm ,锥形头沟 道长10 mm、 孔径4 mm。 中间电极外围 绕有磁场线圈,激磁强度可达2500安匝,在中间电极顶端气 隙中产生约012 T磁感应强度。 本源采用氧化物阴极:将镍 网折成U
5、字形后,再涂上碳酸钡和碳酸锶乳浊液,经几小时的充分烘干去气,即成为良好的电子发射体。U字形顶端与 中间电极底端间的距离约10mm为宜,加热电流35 A ,就可 产生足够的发射电子。 氧化物阴极使用寿命较长,可连续使 用100- 200 h,即使暴露大气(先用N2气破坏真空)仍可多 次(4- 5次)激活后反复使用。 阳极底板由碳钢制成,等离子体出口孔板是1 mm厚钼片。 孔径大小是个重要参数。 实验 确定017 mm孔径最佳,较小的孔径不足以引出较强的束 流,较大的孔径虽能供给较大的束流,但聚焦欠佳,造成不必 要的束流负载。 为了能用较低的电压引出较强的离子流,引 出区域采用扩张杯结构,其顶角7
6、5、 深16 mm。 引出电极是3 mm厚的不锈钢平板,束流通孔直径10mm ,减速极的孔径14 mm ,并具有75 的锥角,它们之间的最佳距离由实验确定。3 实验结果311 束流成份的测定 从双等源中引出束的离子成份与离子源的运行参数2, 3,如弧流、 气压、 磁场强度及中间电 极到阳极之间的距离等有关。 对于氢气放电引出束流的成份,H+ 1、H+ 2、H+ 3将随这些参数改变, 但是对原子离子成份起主导作用的乃是放电弧流。 测量质子比在简单的试验台架上进行。 离子 由双等源引出后,加速到25 keV ,经单透镜聚焦,由90 偏转磁铁分析后用法拉第筒测量束 流。 图2(a)显示出离子成份随弧
7、流变化的情况。 弧流增加,H+ 1比例迅速上升,伴随着H+ 3成份迅 速下降,而H+ 2成份下降相当缓慢。 弧流工作6 A时,质子比可达60%以上。 放电室气压是影 响质子比的另一个重要因素。 用在空气中标定的皮拉尼真空计测量放电区域的气压。 实验结果 表明,放电气压在40- 70 Pa范围内都可以工作。 图2(b)显示H+ 1和H+ 3成份随气压提高而增 加,H+ 2呈相反趋势。 放电室气压提高有利于H+ 1生成,从离子源的阳极等离子体出口孔可观察 到粉红色亮光随气压提高变为深红色。 从图2(c)可看出双等源中间电极顶端气隙中的磁感应 强度与质子比的关系。H+ 1成份随磁场增加而上升,而H+
8、 2及H+ 3的成份却下降。 恰当的工作磁 感应强度为012 T以上。 实验中,中间电极到阳极间的距离对质子比的影响不是个很敏感的 参数,仅有较小的影响,约3 mm为较佳。 在束流成份测量中,除H+ 1、H+ 2、H+ 3以外,尚有质量数14和16的离子,但这些离子含量低,而且随运行时间延长而下降,最终可忽略不计。312 低能束形成及在极化源上使用结果 根据蓝姆移动型极化源的工作原理,质子束或氘核束进入铯蒸汽管道的能量分别为550eV或1100 eV ,因此,空间电荷的斥力将十分严重。 对于一个直径013 cm均匀分布的1 mA 柱形质子束,简单计算表明,空间电荷的最大电场强度可达380 V?
9、cm ,在此场强作用下,束流 将很快散失掉。 为了缓解空间电荷斥力造成的束流分散,低能束在进入铯管道前应是束径较大932第3期 王荣文等:用于蓝姆移动型极化离子源的低能强流双等源图2 束流成份与弧流(a)、 氢气压(b)和磁场(c)间的关系Fig. 2 Ion fractions of extracted beam from duoplasmatron as functionof arc current(a),H2gas pressure(b)and the magnetic field strength(c)(a)气压50 Pa,B= 210 T; (b)弧流5 A ,B= 012 T; (
10、c)弧流5 A ,气压50 Pa(1 cm)的准平行束,这样的低能束可用一个短间距的加速2减速电极系统形成。 极间距离是重要参数,用实验确定这些数值。 将2 cm孔径的法拉第筒放置在铯管道位置上测量束流,通 过齿轮传动,在真空室外可沿束流前进方向移动电极位置,改变极间距离,可以提高流强30% 以上。 较仔细的测量表明,当加速电极与扩张杯之间的距离为415 mm时,减速电极与加速电 极之间的距离约4 mm可获得较好的低能束聚焦性能。 在极化源上使用目前的双等源及低能束形成系统,提高了极化束的强度。 将弧电流维持在4- 5 A、 引出电压10 kV左右、 离子源偏置在550 V(对氢)或1100
11、V(对氘),约有4 mA离 子束进入铯管道。 将前述法拉第筒移置到距离子源出口80 cm处,当铯不加热时,可测量到15! 束流。 随着铯温增加,铯蒸汽的密度提高,法拉第筒测到的束流不断上升,最高达100A 以上。 这个结果表明,通过铯蒸汽管道的亚稳态原子束强度也有了极大的提高。 再经过极化源 的其它过程后,可测量到200 nA以上负极化氢(或氘)束。 在束流成份测定工作中得到蒋渭生和刘乃义等同志的大力支持,在此表示感谢。参 考 文 献1 L aw rencl GP. Ohlsen GG,M ckibben JL. Source of PolarizedN egative Hydrogen an
12、dDeuterium Ions . PhysL ett, 1969, 288: 594.2 Kelley GG,L azar NH,M organ OB. A Source for the Production of L arge DC Ion Currents . N ucl InstrumM ethods, 1961, 10: 263.3 M azanori W. Pressure Dependent Characteristics of an Q ak R idge Type Duoplasmatron Ion Source.Japanese Journal of Applied Phy
13、sics, 1967, 6: 1127.042原子能科学技术 第31卷A HIGH INTENSITY DUOPLAS MATRONW ITH LOW ENERGY FOR THE LAM B-SHIFT POLARIZED I ON SOURCEW ang Rongw en Cheng Q uan Shi Shumei L iL iqiang(China Institute of A tom ic Energy,P.O.B ox275235,B eijing, 102413)ABSTRACTA duoplasmatron and its low energy extraction2focus
14、ing system are built for the L amb2shift polarized ion source. The investigation of anode plasma exit aperture size and distancebetw een electrodesw hich affect beam intensity and focusing ismade. Opti mum operating pa2rameter is determ ined. The proton ratio of the beam can reach more than 60% ,w h
15、ich meetsconditon of pola2rized ion source. A bout 4mA of low energy hydrogen ion beam(550 eV)ordeuterium ion beam(1100 eV)enters into Cs charge2exchange canal . A fter putting it into op2eration in polarized ion source, 200 nA or so polarized proton or deutierium ion beam is ob2tained.Key words Duoplasmatron L amb2shift polarized ion source Low energy beam Pro2ton ratio142第3期 王荣文等:用于蓝姆移动型极化离子源的低能强流双等源
