加速器物理课件离子源

第二章，离子源ionsource

1，引言

使中性原子、分子或原子团簇电离，并从中引出离子束的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子束薄膜沉积装置、离子束分析装置、离子推进器以及受控热核聚变装置的中性束注入器等设备的不可缺少的部件，且对整体结构与性能起着决定性作用.所有离子源都包含五大部分构成分类按照各种应用所需离子束的基本特征分类

种类：质子（氘）、重离子、团簇离子、极化离子、放射性离子； 电荷态：正、负离子，高电荷态离子； 束流参数：能量、流强、发射度、能散度、束径等）按照离子源结构中主要元件的特征分类

阴极：冷阴极、热阴极、空心阴极、等离子体阴极等； 约束场：永磁体、超导磁场、磁镜场、会切场、均匀磁场、静电阱等； 放电功率源：射频、微波、电子束等； 引出结构：轴向或侧向、膨胀杯、多孔、多电极等 已经研制、生产出很多类型的离子源，形成不同系列和名称。2，电子回旋共振离子源（ECR）

基于磁场中电子回旋共振，微波加热电离的磁约束等离子体离子源。ECR条件为BC＝0.0357f(T/GHz)，式中f为微波频率，BC为磁场强度。 它可分为产生高电荷态离子的ECR离子源（f>2.45GHZ）和产生强流单电荷离子的微波离子源（f2.45GHz）。两者磁场结构也不同。前者按最小磁场原理，由轴向磁镜场叠加径向多极场而成，使放电室中央的磁场强度最小，室壁附近最强，其间存在一个闭合的ECR等磁场面。最高场强越高越有利于高电荷态离子的产生，因此有的采用超导磁场结构。 微波离子源是简单的螺旋管磁镜场。当磁场强度略高于共振值，结合高气压条件（>1Pa）实现不完全共振加热，可以更有效吸收微波能量，从而达到1013／cm3的电子密度，引出很强离子流。这时微波窗的位置和结构是影响离子源性能和寿命的关健问题。标准型离子源结构示意图微波窗不真空密封，经济安全线圈地电位，位置可调，可优化场形三电极引出系统，简单真空隔离高压，方便调整。不同材料内衬，增加质子比

离子源实验台架微波系统及标准型离子源励磁线圈紧凑型离子源与各种形式放电室3，电子束离子源

electronbeamionsource（EBIS）

基于静电约束，用高密度载能电子束产生高电荷态离子的装置。它由电子枪产生一束细长的具有确定能量的高密度强流电子束，被一强的螺旋管磁场聚焦，沿束形成负空间电荷静电离子阱，以捕获正离子并使离子逐级电离，直至达到受电子能量限制的最高电荷态，然后改变轴上电位分布而引出离子。

EBIS装置由超高真空室、电子枪、漂浮管、电子收集器、离子引出器、聚焦磁场以及工作气体或外注入低电荷态离子源等组成。它的电离特性主要由电子的能量、流强密度和束的长度决定。EBIS的电子束长度约1m，当它短到1cm左右则称谓EBIT（ElectronBeanIonTrap，电子束离子阱）。后者已有引出U92＋的记录！不同装置的电子束能量范围为2~200keV聚焦束流密度为102－103A/cm2，磁场强度为1－5T。按其磁场结构可分为“低温EBIS”和“室温EBIS”，前者采用超导螺旋管，后者则为普通磁体。4，双等离子体离子源

duoplasmatronionsource带有两级放电（等离子体）的电子碰撞型强流气体离子源。在阴极、中间电极之间较高气压（~3×10－2Torr

）较低电压（~10V）条件下，维持气体放电产生低密度阴极等离子体。它通过中间电极孔道的几何箍缩和磁场箍缩，进入二级放电，在中间电极和阳极之间较低气压（~2×10－3Torr）较高电压（~80V）和强磁场（<0.1T）条件下形成高密度等离子体（~1014／cm3）。然后在加速电场作用下从阳极孔直接引出离子束；或者从阳极一膨胀杯引出。后者有助于束流形成和传输。最大正离子流强达100mA。利用偏轴引出技术，从双等离子体源可引出负离子束。该源优点是结构紧凑通用性好，束流强而品质好；缺点是灯丝寿命常受限制。

5，潘宁离子源

penningionsource

又名PIG离子源，因与F.M.Penning发明和Philips公司制造电离规IonizationGauge相关的首字母缩写词PIG而得名。 它的基本组成是处在轴向磁场中的一个管形空心阳极及一对阴极。两阴极同轴放置在阳极两端，其中一个为主要电子源称为阴极，另一个与它构成轴向静电电子阱称为反阴极。

阴极发射的电子受磁场约束并在静电阱中振荡，发生碰撞电离形成高密度等离子体。它可以从阳极侧边开孔或反阴极中心开孔在吸极电场作用下引出离子，分别称为径向或轴向引出离子源。阴极引出离子密度高，阳极引出高电荷态离子比例高。按阴极结构可分为冷阴极和热阴极PIG源。前者结构简单，但是弧压高（>1KV）影响寿命，需冷却阴极或限制平均弧功率。

冷阴极材料以Ti钛、Ta钽为好。冷阴极的典型离子流为≤5mA热阴极有：热灯丝、间接加热块状阴极(Ta、W)及等离子体自热阴极（Ta、LaB6等）。热阴极PIG源的典型离子流为≤100mA，热阴工作允许低孤压大弧流，有利于产生高电荷态离子。最高电荷态分别为xe13+氙和Xe16＋。利用溅射电极容易获得高电荷态金属离子PIG源多才多艺，广泛用于各类重离子加速器和离子束设备。它的主要缺点是束流品质欠佳和高功率下寿命短。6，高频离子源

RFionsource利用低压气体中高频放电现象的等离子体离子源。它的基本结构包含放电管（石英或派勒克司玻璃管）、高频功率耦合回路、进气管和离子引出系统。许多源都有10-3－10-2T的磁场（纵向场、横向场或多极会切场）以提高等离子体密度并改善其分布。源的典型工作参数为气压10-3－10-2Torr高频振荡器频率1－100MHz、功率几百瓦。RF离子源按高频功率耦合方式分为电容耦合型和电感耦合型。后者居多，一般将RF线圈放在放电管外面，也有采用将天线结构装入放电室内的。RF离子源最大优点是结构简单、无灯丝，因而寿命长和等离子体中杂质元素少。它适用包括氧的所有气体，在加速器和半导体工业中广泛应用。它利用栅网引出结构可制成大面积（如10cm）大束流（如300mA）适用于离子推进器和中性束注入器。此外，已经发展新型RF会切场离子源，可引出H-离子束（~40mA）和金属Cu+离子。

7，溅射离子源sputteringionsource

利用阴极溅射现象产生固体离子的离子源。它是产生负重离子的主要离子源，可分为离子束溅射负离子源和等离子体溅射负离子源两种结构。米德尔顿（Middleton）等发展的通用型负离子源是前者的典型。 它由钽丝组成的圆柱形表面电离器产生5－10KeV,5-15mA的Cs+

束轰击溅射靶，同时有足量铯原子喷射靶的表面，降低其功函数。这样可得到数百微安的各种重负离子，如Pt-,Cu-,Au-,Si-,C-

等达到150－300A。

8，表面电离离子源

surfaceionizationionsource利用表面电离现象，从高温金属表面蒸发、电离所吸收的原子或分子使其成为离子的装置。它分为产生正离子和负离子两种离子源。正离子离子源适合电离具有低电离电位（5eV）的元素，如一些碱金属、碱土金属和稀士金属元素；同时高温电离器需要采用具有高功函数的材料，如钨、铼、铱或沸石（zeolite）。负离子离子源适合电离具有高电子亲和势(1.8eV)的元素，如卤素元素；高温电离器材料则要求其功函数低，如钨表面涂一层单原子铯，铂表面涂碳或LaB6。

表面电离离子源的优点是引出离子的发射面稳定和元素选择性好，且适合通常比较困难处理的碱金属和卤素元素。其缺点是适用离子种类有限和热耗散太大。

9，电子枪

electrongun产生电子并从中引出电子束的器件或装置。它是阴极射线管、电视机显像管、电子显微镜、电子束加工装置和电子加速器等装置不可缺少的部件。它在真空条件下工作。根据不同用途，要求提供电子束达到的参数包括能量、功率、流强、束斑尺寸和密度分布等差别很大，已有众多类型电子枪。它们一般由阴极、聚束极和阳极构成。阴极产生电子又称电子源，分为热发射、场致发射、等离子体阴极等各种类型。电子在阳极与阴极间高电场作用下加速达到所需能量并通过阳极孔引出，聚束极用以控制电子束流密度和流强。此外，光阴极和微波阴极是为电子直线加速器研究的新一代电子枪。

10激光离子源

11，放射性核束离子源RadioactiveNuclearBeamIonSource

产生放射性核束的设备。一般采取两种不同的方法，即弹核碎裂法(PF法)和在线同位素法(ISOL法)。

PF法:利用中能或高能重离子束(50MeV/u～1GeV/u)打薄的核靶，炮弹核发生碎裂，产生所需要的放射性核，并以与炮弹核相近的速度向前方飞出。利用分离和输运系统，经过收集分离和纯化并形成束流。由于一般中、高能重离子束流较弱(1011

～1012

粒子/秒)只能用薄靶，而且弹核碎裂的开放反应道很多，产生指定放射性核的截面小，固放射性核束流强度低，目前一般在108

粒子/秒以下。而且，PF法的放射性束流纯度低，束流品质差，束流能量固定，其每个核子能量与初级重离子束能量相近，很难用于低能核物理研究。为了克服上述缺点，把PF装置产生的放射性核束注入到储存环中去，进行进一步加工或者加以冷却，以改善束流品质(即束流发射度和能量分辨)，或者进一步加速或减速以满足物理实验的要求。

ISOL法:在线同位素分离法应用几十MeV到1GeV能量的强流(几百μA～mA)的轻粒子束打厚靶，通过各种核反应产生放射性核素。为了使奇异核素能迅速地从靶中扩散出来并从表面解吸，靶必须运行在非常高的温度下(1300℃－2000℃)，为避免靶材料在这样高的温度下气化和升华，要求它必须是具备低蒸汽压的耐高温材料。一般来说，奇异核素产生的几率为10-3量级。从厚靶中扩散出来的奇异核素是中性原子，必须首先将它们在离子源中离化为离子才能对之分析加速以供物理实验用。离子源必须有较高的电离效率；低的发射度；离子源必须能在高温下运行。适宜于在线同位素分离器的离子源有表面电离源，

ECR源和气体放电型离子源等

靶靶材料的选择在靶源中，靶材料的选择是需要面对的挑战之一。靶的材料首先应能与初级束相互作用产生放射性核素,并有较高的产生效率。为了使放射性核素迅速地从靶中扩散出来并从表面解吸,靶材料必须运行在很高的温度下（1300oC-2000oC）,它必须是具备低蒸汽压的耐高温材料。要求所产生的放射性核素本身不是难熔的且不能与靶材料化合成难熔的物质，要求靶材料和放射性核素有相反的物理特性。因为是质子束与靶相互作用，靶材料和放射性核素只能相差几个质量单位，靶的尺寸及形态，理想情况下靶应该是细粉或纤维状的，且在高温下不烧结或融化，以利于放射性核素尽快扩散出来。选择合适的靶厚可以得到最大的放射性核素产生率和最小的放射性。在选择靶材时还特别需要注意尽量避免产生无用的、长寿命寄生放射性核素。靶材尽管对靶材的要求相当苛刻，根据已有的经验，我们仍能找到一些满足上述条件，适合于作靶的材料，它们是C、B、Cr、Hf、Ir、Mo、Nb、Os、Re、Ru、Ta、V、W、Zr及一些金属硼化物，碳化物，氮化物，氧化物，硫化物等，还有一些金属的合成材料以及金属的铝酸盐，硅酸盐，钛酸盐和其它一些更复杂的化合物。放射性核素的等离子体离子源

电子束等离子体离子源,在靶中由核反应产生的放射性核素,通过其外的加热部件将靶加热到合适的温度（根据靶材料的特性，温度可在1000℃到2500℃之间）,使得放射性核素从靶中释放出来，并从靶室通过传输管传送到电离室中,离子源的电子发射阴极由Ta制成，它是传输管的一部分，在其上通过几百安培的电流，一方面可以