加速器原理课件：第二章 带电粒子的产生

1、 第二章 带电粒子的产生 一、电子枪 二、离子源 一、电子枪（1）热发射电子枪 常用材料：钨丝，六硼化镧 方式：直热式，间热式 束流调节方法：灯丝电流，栅极电压 （2） 场致发射电子枪计算机辅助设计上海EBIT中的电子枪 离子源的分类： 按产生离子的机制分为：气体离子源 固体表面离子源 气体离子源：电子碰撞产生等离子体，引出离子，又称等离子体离子源 二、离子源1 概述气体离子源的组成： 对离子源的要求要求离子种类多、电荷态高要求离子束的强度足够大要求离子束的发射度小、亮度高、能量分散小要求离子源的寿命长要求离子源的效率高 等离子体离子源原理 等离子体：包含有带电粒子，气体分子，原子，但不存在空

2、间电荷的空间。而且由于正、负带电粒子的浓度相等，故称为等离子体。 等离子体的形成和复合 以氢分子为例，其主要电离过程有：原子和分子俘获一个电子形成负离子，因此放电室中有中性粒子、电子、正离子和负离子。电离的逆过程，称为复合。复合现象主要发生在放电室壁附近，并与壁的材料有关。金属的复合系数高于绝缘材料，因此有些离子源的放电室采用石英或优质玻璃制成。复合现象对工作状态影响不大的离子源，放电室仍由金属制成。采用附加磁场，以增加等离子体密度离子源的引出2 几种常用的等离子体正离子源（1）高频离子源放电原理：在高频源中，电子从高频电磁场中得到能量，并与气体分子碰撞使其电离，产生等离子体。优点：结构简单、

3、寿命长、工作稳定、离子含量高流强可达10mA量级常规的高频离子源在常温下只能电离气体状态的物质，因此能产生的离子种类少 高频放电是电感耦合，频率20MHz，气耗7.5mL/h，可引出500A正离子束，原子离子80%，能散4050eV （2）潘宁离子源 PIG源（Philips Ionization Gauge）放电原理 ：从阴极发射出的电子在阴极和对阴极之往返的运动同时，又受到轴向磁场的约束，使电子沿轴线做螺旋运动。从而增加了与气体分子发生电离碰撞的概率。流强可达几百mA量级可以产生多电荷态的离子潘宁源有冷阴极、热阴极、电子轰击型间热阴极、弧放电加热的自热阴极等等潘宁源的引出系统有轴向和径向两

4、种，轴向引出比径向引出的离子流发射度好，流强高一个量级，但电荷态较低，而且分子态离子多，径向引出几乎没有分子态离子。放电电流700mA，可引出42mA离子束（3）双等离子体离子源电极形状使电弧放电形式的等离子体压缩一次，再由不均匀轴向磁场完成第二次压缩，从而提高了等离子体的密度。磁压缩：当电子流通过中间电极和阳极之间的非均匀轴向磁场时，再一次受到磁场的聚焦，形成对等离子体的第二次压缩机械压缩：中间电极锥形收缩的几何形状导致电子流的聚焦和进一步加速，使电离强化，形成密度较高的“等离子体泡”，也称为静电压缩三种正离子源性能比较及其应用：高频离子源：单原子离子比例大，结构简单，寿命长 输出超过10mA时散热及真空不易解决 常用于高压倍加器潘宁源：气体利用率高，功耗低，寿命长 用于回旋加速器、静电加速器、直线加速器双等源：气体利用率高，流强大，亮度大 结构复杂，寿命较短 用于要求高流强、高束流光学品质的高能加速器 串列静电加速器等3 固体表面电离源： 热表面电离离子源 溅射离子源4 其他离子源： 负离子源 多电荷（重）离子源 脉冲离子源 课后作业1）电子枪引出电压20kV ,电子横向热