ECR离子源学习总结

1、读离子的喷泉电子回旋共振离子源 张翔 2011年8月29日  1. 离子源的相关基本知识： 1.1 离子源概说： 原子是由原子核和核外电子构成，当原子核外层电子被剥掉一个或几个，即形成了离子。被剥离的电子数目称为离子的电荷态。 一台离子源的性能根本上是由电离室（放电室）内等离子体的性质决定的。而等离子体的性质与下列因素密切相关：周围的磁场和电场分布；放电室表面状况及伴随所发生的相关效应；放电室内工作气压；为加工离子源所涉及到的工艺。 从离子源中引出的离子束必须在真空管道中传输，管道内真空度必须足够好，一般

2、要求它的密度比大气密度的十亿分之一还要小。否则管道内剩余气体的原子会与离子束的离子“碰撞”，使离子从剩余气体的原子中俘获电子而损失掉。从离子源中喷射出来的离子并不都是沿着平行于管道中心轴线运动，而是与中心轴线成一定的夹角，也就是说，从离子源中出来的离子有一定的发散度，如果没有外界力的作用使其改变方向，则随着传输距离的增加，许多离子就会打到管壁上损失掉。在这一点上，离子束与光束很类似，为了防止发散，都需要利用透镜聚焦束流。聚焦透镜一般都是利用电场或磁场使带电粒子在横向受一定的作用力，从而迫使带电粒子靠近中心轴线。 离子源系统一般是由：放电室，引出部分，聚焦透镜，分析选择器，和测量部分组

3、成。其中分析选择器是用于筛选不同同位素和电荷态离子的，与以前学的速度选择器不同。 1.2 离子的产生： 我们知道，当原子中的电子从外界获得能量时，可以从低能级跃迁到高能级，这种原子称为受激原子。当这种能量大到一定数值时，原子中的外层电子就可逃脱原子核的束缚，变成自由电子。我们称这种情况的原子被电离成自由电子和正离子。原子被电离的方法有很多，可以通过电子与原子的碰撞（将电子的动能部分地转移给原子，使其激发，物理机制是量子力学的内容）；原子和原子的碰撞；光子对原子的作用；电子或离子作用在固体表面；固体电极表面电场非常强时，也会由表面释放出电子，产生电离。不管是ECR源

4、还是RF源还是潘宁源采用的都是电子和原子碰撞使其电离的方法。使电子逃脱原子核束缚，成为自由电子所需要的最低能量，称为电离能。 当电子和一个原子“碰撞”时，它的电场将和原子内电子的场相互作用，并不像我们想象的那样直接会碰在一起，而是通过场的作用进行能量转换，这些就需要较为复杂的量子力学来解释了，经典力学是无法解释的。（我们说经典力学研究的是宏观物体的机械运动规律）带电粒子之间的能量转换也有一定的几率问题，并不是电子能量超过了靶核的电离能就一定能够使其电离的。这种几率可以用电离截面来表示。统计表明，基本上随着电子能量的上升，电离截面先是增加，后又下降。当电子的能量很大时，电离截面反而减小

5、，这便是带电粒子的量子效应在作怪。 1.3 离子的消失： 离子的产生和消亡是一对紧密联系的过程。在离子源中，总是设法加强电离，产生更多的离子和电子，同时尽可能地避免离子的损失，设法提高离子的寿命。离子损失和消亡的基本过过程有以下三三种：电荷交交换、复合、扩扩散损失。电荷交换就就是已经成为离子的原子与中性原子“碰撞”，从从对方处获得得电子，自身回到电中中性状态，而而对方失去电子，成为阳离离子。电荷交交换过程也存存在几率问题题，并不是所所有的碰撞撞都能导致电电荷交换。通通常的情况是，多电荷态离离子捕获一个个电子的电荷荷交换截面最最大。这也也是多电荷态态离子源中多电荷态

6、离子主要的损失机机制。 离子获得电电子而成为中性原子或分子的过程，叫做复合。叫复合是电离的复的逆过程。我们知我道电电离是有域能能特点的，复合合则必须满足足相反的条件件。由复合组组成的离子必必须摆脱剩余余的能量（复合释放出出的能量），否否则定会很快快被再次离解解。复合过程程中的剩余能能量一般都是转换成离离子的动能，或或以光子的形形式辐射出来来。复合和电离离一样也有一一定的几率，用截面来表表示。 等离子体密密度总是在放放电室中央或或某个局部位位置处较高，而在放电室室器壁附近密度较低。也就是说，等离子体中总等总是存在着带带电粒子的密密度梯度，由于热运动必由必然会发生由密度梯度度引

7、起的带电电离子的输运运过程，这个过过程成为扩散散。实际的情情况是，离子子源放电室内离子和电电子总是“急急于”跑向放电室壁。相对对于放电室的的中央位置，放电室壁面面处于低电位位。阳离子子扩散到放电电室壁面处与电子复合，即即变成中性原原子，或使其其电荷态降低低。在某种程程度上说，离子源的壁面是一个强大大的中性原子子源。这些中中性原子一部部分又回到等等离子体中被被重新电离离，另一部分分被真空系统抽走。实际上上，在离子源源中，只有一一小部分的离离子能够达到引出孔，并被加速引引出；绝大部部分的离子都跑向放电室壁壁。 可见，要想想使离子源有更更多的离子被被引出，必须须想方设法阻阻止离子向放放电室

8、壁扩散散。对带电电粒子的约束束，最为有效的的方法之一是是利用磁场。有一定空间间分布的轴向向磁场是约束束等离子体体的主要方式式。 1.44 离子的引引出 离子源的另另一个重要问题就是设法将将产生的离子子及实地从放放电室里拉出出来，形成具具有一定光光学性质的离离子束。对于等等离子体离子子源，一般都都在放电室出出口放置一个个电极（叫等等离子，体电电极）。此电极极与放电室同同处于一个电电位（在PHS的ECR里面，等离子体电电极处于+50kV）其中中一面直接与与等离子体相相“接触”。通通过电子的轴轴向扩散，在在等离子体和和等离子体电极之间会会形成一定的的“鞘层”。也也就是说

9、，等等离子体与等等离子体电极极之间有一边边界面。当等离子体电电极面上开有有一定大小的孔，而在其周周围有一定的的电场分布时时，离子就会会从这个等离子体边界界面上发射出出来。这个等离离子体边界面面被成为等离离子体发射面面。等离子体体发生面的形形状和它的的相对位置，是由等离子体体的密度、等等离子体的温温度等因素决决定。它好像像是一个有弹弹性的薄膜膜。当等离子子体的参数一定时，发射面面的形状随着着引出电压的的变化而变化化；当引出电压一定时时，发射面的形状则随着等等离子体参数数而变化。两者的变化规两规律很相似。发射面的三三种形状如如下图所示：  注：从左到右依依次称为：欠欠聚焦、最佳

10、聚聚焦、过度聚聚焦。CPHS的ECR源采采用的就是聚聚焦模式。 对于等离子体离子源引出系统，基本上可以近似认为离子是由离子发射面垂直发射的，一般有初始会聚或发散。离开发射面后的离子，在电场作用下加速，最后经引出电极引出，形成离子束。 根据以上对离子引出的说明，可以看出，只要等离子体本身和等离子体电极确定，引出系统的固有特性就已经确定。在一些强流离子源和低能离子源中，常常使用的是三电极引出系统，如下图所示。 1等离子体电极    2抑制电极    3地电极  

11、0;  CPHS中使用的三电极系统示意图 一般来说，等离子体电极处于正高电位，抑制电极处于负电位，最后一个电极一般处于地电位。这样由于抑制电极的负电位，使得地电极以后由于阳离子碰撞产生的自由电子，就不能反向注回离子源当中，这也是为什么第二个电极称为抑制电极的原因。  现在离子束的引出模拟计算程序还不精确，计算结果只能作为设计的参考。这主要是离子束流的物理过程还没有搞清楚，数值计算采用的公式不够精确导致的。这样的计算程序有PbGun，我的电脑上有。实际的引出系统设计，基本上都是由实验结果和实际经验来确定，并根据实验结果再不断地做进一步的调整。&#

12、160;2. 电子回旋共振离子源： 2.1 等离子体 等离子体是由大量带电粒子和部分中性气体原子组成的，称为物质的第四种聚集态。在日常生活中的日光灯，辉光球，汽车的喷漆，天空中的闪电，太阳耀斑等都是等离子体。等离子体是电离了的气体，它由电子、离子和未电离的中性粒子组成。但是我们所研究的等离子体还必须满足以下两个条件：一是整体呈电中性；二是集体效应起主导作用。集体效应是等离子体区别于一般气体的重要特征。普通气体中分子之间的相互作用是通过碰撞实现的，是一种近程作用。等离子体不同，除了这汇总碰撞外，还存在带电粒子之间的库仑力，它是一种长程作用。正是这种长程相互作用力，产

13、生了等离子体的集体效应。下面介绍等离子体的几个性质： a. 德拜(Debye)屏蔽 等离子的一个基本性质是它的流动性，这样它能在一个很薄的厚度内屏蔽在等离子体内出现的电荷，这个厚度称为德拜长度。（注：Debye是诺贝尔化学奖获得者）在我们感兴趣的ECR源等离子体中，德拜长度远小于毫米量级。 b. 等离子体的振荡（频率） 假设等离子体体内部很小范围内出现了过剩的电子，这些过剩电子便产生一个电场，迫使电子向外运动，但是当这个小范围内恢复电中性后，向外跑的电子并不会马上停下来，而是继续往外跑，结果使原来电子过剩的小范围出现电子不足，于是又出现相反方向的电场，把

14、电子拉回来，电子过剩又重新出现。这样的过程继续下去，就出现电子的集体振荡。等离子体内带电粒子的运动，使等离子体产生振荡。 c. 等离子体的不稳定性 等离子体的不稳定性可以分为两类：宏观不稳定性和微观不稳定性。大体上讲，宏观不稳定性是离子和电子一起运动，等离子体的行为就像导电流体一样，这种不稳定性存在的后果是使等离子体整体运动或崩溃。值得庆幸的是，由于技术物理学家们的努力，现在已能通过适当构形的磁场来约束等离子体，使宏观不稳定性不能发生。这种轴线分布的磁场，在等离子体内产生中心低，两头高的磁势。等离子体被约束在该磁势内，不发生整体性漂移。微观不稳定性不引起等离子体的整体运动，

15、是由于等离子体中离子在速度空间中的不均匀性所引起的。即由于周围电场或其他扰动对粒子运动的影响，使得粒子的速度分布偏离Maxwell分布律，成为各向异性分布，这时出现的不稳定性叫损失锥不稳定性。另外，非均匀等离子体也产生微观不稳定性，这时称为漂移不稳定性。 所有这些微观不稳定性，最终都会产生高频干扰，使得等离子体横越约束磁场，从而导致等离子体横向损失增加。 2.2 磁约束 在等离子体源中，一般都是采用磁镜、磁瓶来约束等离子体。通常采用永磁体和励磁线圈两种方法。实际情况中，这两种方法的使用频率各占一半。励磁线圈的优点是磁场形状可调，而粒子流强和束流分布很大程

16、度上依赖于磁场形状。永磁体的优点是无需提供电源系统和冷却系统，减小设备占用的空间。  等离子体是一种逆磁物质，有去磁作用。一旦在本来均匀的磁场中建立起等离子体，则在等离子体内部，磁场将降低。这样在等离子体内就会产生一种磁阱场形，被约束的等离子体位于阱底最小磁场附近。从内向外看去，磁场到处都是增加的，这不仅是为了对等离子体提供足够强的磁压力，而且可以有效地抑制ECR离子源中等离子体的宏观不稳定性。 2.3 微波系统 a. 微波的特性  微波也称为高频(radio frequency)，它是无线电波的一个波段的名称。比

17、起普通的无线电波，微波的频率高得多，波长也很短。微波的频带为0.3GHz3000GHz。他的特点是方向性很强，不容易被导体（铁、铜、大气、等离子体）反射。产生微波的元件有：磁控管、速调管。 b. 微波功率管  有一类ECR离子源是提供单电荷态的强流离子束，它使用价格低廉的磁控管产生微波，频率为2.45GHz。而频率在618GHz的微波，几乎都用速调管产生并放大微波功率。最常用的是频率14GHz、连续输出2kW的速调管。它的大小约为家用电风扇一样，管子体积的大部分被一个永磁铁磁路占据，这个磁路提供一个轴向磁场，用于速调管中电子束的聚焦，使它不再横向损失掉，而速调管的

18、核心部分只占用比一支白纸灯泡还小一点的体积。  CPHS的ECR源提供的是60mA强流脉冲质子束。采用的就是频率为2.45GHz的脉冲微波馈入ECR产生脉冲质子束。 c. 微波的传输原件 微波技术中传输微波使用金属波导。早在1933年，人们就发现空心的金属管可以用来传输微波能量。当前，金属波导是最常用的微波传输元件，根据它的横截面几何形状不同，金属属波导又可分分为矩形波导导、圆形波导、椭圆波导、脊波导以及及同轴线。（CCPHS项目采采用的就是是矩形波导+脊波导脊+同轴轴线）一般的，波导材料使使用紫铜做成成，而且导体体内壁还要镀镀上一层银银。波导横截截面的

19、尺寸和传输微波的频频率有关。总总的趋势是，随着频率的的增加，所用波导横截截面尺寸减小小。在波导中，微波被波导导侧壁反射，但在轴线不不受约束，所所以微波可沿沿其轴向以以“行波”方方式传输。 d. 微波谐谐振腔 微波谐谐振腔是由一一个具有一定形状的导电壁壁所封闭的空空腔，在它内内部可以激励励起有特定频率的的微波电磁振振荡。对于微波波而言，ECRR的弧室就是是一个谐振腔腔，用于将馈馈入的微波约束在在其中。在腔内，微波以“驻波”的形形式存在。它它还可以组成成网络，使特定频率的微波或或通过，或截截止，以及作为微波系统中各部分之间间的阻抗匹配配。 在ECRR中，考虑到到所需磁

20、场建建立的方便，通常都是用用圆柱空腔来来容纳被约束束的等内后，希望建离子体。微波从外部注微入到这个腔内建立起能量密密度尽量高的的微波场，用以加热等离子体体。在ECR离子源中，由离由于微波是用用来加热腔内内等离子体的的，所以反而而希望“损耗”越越大越好，因此这时谐振腔的品质因数数很低。 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、微波波调配器、定定向耦合器。 微波窗窗： 微波窗窗是ECR弧室室与微波系统统的交界面，用于大功率率波导系统中中做充气用的密封窗，也常用于微波传传输时遇到的的真空部分与与大气部分的的隔离窗。窗窗口材料一般般是微波

21、频率率介质损耗小小，热性能好的材料。在我我们CPHS中，采用中AlNN和BN材料料作为微波窗窗的材料。一一般微波窗厚度在几个毫米米左右。由于于微波加热，在ECR源运行源过程中中需要不断地地对微波窗进行冷却。微波波窗的使用寿寿命是ECR个设备使用寿命中最短短的那块板。  微波窗示示意图 微波调调配器（短路路活塞/螺钉调调配器）： 用于波波导传输终端端的短路活塞，它通过调节节波导内活塞塞的位置来改改变微波的分分布状的传输匹配。态，从而达到特定从。同样的短路路原理也用于于螺钉调配器器上。螺钉通通常在矩形波波导的宽边中央部插入，通通过螺钉旋入入的深度，可以改变波

22、导可导的电容，电感特性，从从而调节波导导的阻抗与微波匹配。  螺钉调调配器的阻抗抗特性 2.4 电子回旋共振加热 把外界的电磁波注入到存在外磁场的等离子体中，在一定条件下，电磁波的电场可以同步地（共振地）把等离子体中的电子加速到高的能量，从而实现电磁波的能量转化为等离子体的能量，使等离子体加热，这就是电子回旋共振加热。 大家知道，等电磁波传播过程中遇到金属导体时，大部分电磁波要被反射回来，而不能穿入导体内继续传播。对于等离子体也有类似的情况，它具有导电性，也反射电磁波。尤其是等离子体中的电子，由于质量很小，有很好的流动性，所以能迅速地

23、对外部的电磁场做出反应，并有效地阻止电磁波在等离子体中得传播。 但是，在一定条件下，等离子体就像开了一些窗口，允许一定频率的电磁波进入。当外界电磁波的频率与等离子体的某个固有频率相同时，电磁波可以激励起等离子体在这个固有频率下的电磁振荡，把电磁波的能量转化为等离子体的能量。等离子体内部的电磁振荡称为等离子体波，它是在等离子体的固有频率下，在入射电磁波或其他扰动印象时，等离子体自己产生的。在等离子内有很多种等离子体波，因此实际上等离子体对电磁波开得窗口也是很多的。ECR就是利用了其中的某个窗口，2.45GHz频率的电磁波对单电荷态的ECR源中电子的加热起着很重要的作用。等离子体波固有频

24、率由等离子体的密度决定。 2.5 ECR离子源 ECR源的两个最重要的用途，一个是提供高电荷态的离子，另一个是提供高密度强流单电荷态离子。前者需要对等离子体进行充分的约束，电子有充分的时间被加速到高能，才有可能剥离出高电荷态离子。后者采用高的微波功率向离子源内耦合，以期望在引出孔附近建立起高密度的等离子体。 a. 高电荷态ECR源 一台高电荷态ECR离子源主要由约束磁场，微波、真空、供料及引出五部分组成。约束磁场是由线包提供的轴向磁镜场和六极永磁体形成的径向六级磁场叠加而成的一个磁阱。磁场的线包是由空心的铜导线绕成，空心铜线同时内通冷却水。这种水采用的是专门处理的所谓“去离子水”，它在一个封闭的循环系统中。如果线包散热量大，则去离子水还需要二回路冷却。一台高电荷态ECR离子源核心的器件并不大，但是电源，冷却等辅助设备却要占去很大的空间。 ECR源的另一个主要设备就是微波机，用于产生所需频率的电磁波，馈入放电弧室。一般高电荷态ECR源的微波由速调管产生，而单电荷态ECR源的微波用磁控管就够了。产生的微波经波导传输，穿过微波窗，再通过同轴线馈入离子源弧室内。在最小磁镜场的作用