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1、------------------------------------------------------------------------------------------------单电荷态电子回旋共振离子源丁俊章赵玉彬刘占稳赵红卫袁平曹 第24卷 第1期 2001年1月核 技 术NUCLEAR TECHNIQUESVol.24,No.1 January20012.45GHz单电荷态电子回旋共振离子源丁俊章 赵玉彬 刘占稳 赵红卫 袁 平 曹 云 雷海亮张子民 张雪珍 张 汶 郭晓
2、虹 王 辉 冯玉成李锦玉 马保华 高级元 宋 沛 李锡霞(中国科学院近代物理研究所 兰州 730000)摘要 描述了一台2.45GHz单电荷态电子回旋共振(ECR)离子源的原理、结构与应用。介绍了其微波系统与磁场结构。在微波输入功率约600W,引出高压22kV,引出孔径为<6mm时,该离子源的总束流I(H1++H2++H3+)可达90mA。关键词 ECR离子源,微波,等离子体频率,永磁体中图分类号 TL503.3电子回旋共振(ECR)离子源是一种无阴极源。它具有电离度高,形成的等离子体密度高
3、,束流强度大,性能稳定可靠等优点。对2.45GHz全永磁单电荷态ECR源,所用微波频率在工业通用频率段,无需强的共振磁场,采用永磁体减小了源体的体积。这些特点不仅降低了离子源——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------造价,而且能长期提供稳定的高品质离子束。在离子注入、离子刻蚀
4、、薄膜技术、辐照育种、材料表面改性、离子束沉积等工农业、医学与科研领域得到广泛的应用。1 离子源的结构及原理离子源的结构如图1所示。等离子体弧腔采用双层结构,用去离子水循环冷却,内径为7cm,长7cm。引出采用加速-减速电极系统,加速和减速间隙分别为6mm和3mm。产生的单电荷态离子先经过<6mm单孔等离子体电极,再通过吸极引出。吸极加负电位,它与地极之间的电场可阻止束流路径中的电子被反向加速至离子源内。工作气体通过微波窗旁两个进气孔进入腔体。在离子源腔体内,轴向磁场由永磁铁与三个辅助线包产
5、生,当馈入微波频率与电子在磁场中的拉摩回旋频率相等时会产生共振,电子获得能量,从而使腔体内的工作气体电离形成等离子体。共振应满足fce=28B0(1)式中,fce为电子回旋共振频率(GHz);B0为静磁场磁感应强度(T)。当fce为2.45GHz时,按(1)式,B应为8.75×10-2T。实际在等离子体腔内,由于受到等离子体密度和回旋电子的去磁作用等因素的影响,电子会在B0为8.75×10-2T附近形成共振并吸热。等离子体加热与其密度及静磁场之间的关系即CMA图见文献[1]。这是经典加热理论得出的
6、结果,但对于低温等离子体的加热来说,所显示的许多趋势仍是正确的。当电磁场沿磁场降低的方向向电子回旋共振区域传播时,非寻常波(X波)被反射,只有右旋极化波(R波)在这种条件下能到达电子回旋共振——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------区域产生共振。第一作者:丁俊章,男,1975
7、年出生,2000年7月从中国科学院近代物理研究所核技术及应用专业硕士生毕业收稿日期:1999-08-16,修回日期:2000-04-30?1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.44 核 技 术第24卷 对2.45GHzECR离子源来说,为了获得流强足够高的质子束,腔体中形成的是密度很高的非共振等离子体,约为1018—1020/m3。其等离子体密度远大于该频率下的经典的等离子体截止密度。在该离子源中,腔体中的
8、静磁场的磁感应强度大于BECR。在这种高磁场、高密度的等离子体区域中,电磁波以θ角入射时,电子可以发生共振加速。共振应满足的条件是ωRF2(ωRF2-ωUH2)+ωce2ωpe2cos2θ=0(2)式中,ωRF为馈入微波频率;ωUH为高混杂频率;ωce为电子回旋共振频率;ωpe为等离子体频率;θ为波矢量K与静磁场B的夹角,对非寻常波(X波),θ=π/2;对右旋极化波(R波),θ=0。从(2)式中可以看出,R波可以被共振吸收。当粒子的运动轨道受到大量的随机碰撞影响时,它的旋转相位会落
