ECR强流离子源

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1、136Ⅱ.加速器物理和技术CNIC-01638/12CNNC-0003*用于质子直线加速器的强流ECR离子源崔保群李立强包轶文蒋渭生王荣文中国原子能科学研究院北京，102413摘要：介绍了正在研制的一台强流ECR离子源。它的目标是用于加速器驱动的次临界系统(ADS)。两种结构的离子源均获得了较好的结果。在30keV能量下，氢离子最大束流达到100mA，质子比好2于85%，引出束流密度最高可达340mA/cm。初步测定的发射度约为0.11πmm·mrad。已通过了100h的连续运行考验。关键词：ECRADS质子比发射度引言中国原子能科学研究院正在进行加速器驱动的次临界系统(Accele

2、ratorDrivenSub-criticalSystem)的研究。其质子直线加速器的第一个重要部件就是强流离子源。为了与RFQ加速段匹配，质子能量需75keV，连续束流强大于50mA，质子比高于85%，归一化均方根发射度εn·rms≤0.2πmm·mrad，能上千小时地连续稳定运行。这些要求对离子源研究工作是一个重大挑战。微波激励的电子回旋共振型(ECR型)离子源由于没有灯丝阴极，寿命可以大大延长。另外，它的效率高，束流品质好，故国际上许多实验室都选用[1～4]这种离子源。我们从1999年开始了ECR离子源的研制，经过多次改进，已经达到了第一阶段目标，即在30keV能量下，引出束流

3、大于50mA，并通过了100h连续运行的考验。1实验装置ECR离子源是将微波功率以适当的方式馈入一个放电腔，腔内有一个*本项目得到国家自然科学重点基金及国家重点基础研究(973)计划的资助。Ⅱ.加速器物理和技术137与微波电场相垂直的恒定磁场，当磁场强度达到电子回旋共振的条件时，腔中的电子将从微波获得能量并与周围的气体碰撞产生电离，形成等离子体。用高压电场从放电腔的一个引出孔将离子引出而形成离子束。我们研制了两种不同结构的ECR离子源，它们都用2.45GHz的微波来产生放电等离子体。图1是一台紧凑型的ECR离子源。它的微波系统由磁控管、三螺钉调谐器、反射功率监测器组成。磁控管及波导为

4、标准产品，三螺钉调谐器用来调整微波的传输，减少反射。一段脊波导用来匹配波导和放电室的阻抗。真空密封由位于脊波导与螺钉调谐器之间的Al2O3陶瓷窗完成。微波功率通过脊波导馈送到一个石英的放电管中，由一个厚3mm的BN薄片微波窗与脊波导相隔，管的另一端与离子源的出口板相连，它们一起构成了放电室。一个细石英管将气体送进放电室内。ECR放电所需的共振磁场由图中所示的电磁铁产生。两块磁铁沿脊波导形成一个磁极，软铁制成的出口板构成另一个磁极。一个水冷的励磁线圈可方便地产生和调节放电室中的磁场，使得引出流强最大。离子束被一个加速、减速电极系统引出，目前加速电压为30kV。束流由一个带磁场抑制的水冷

5、法拉第筒测量，并经过了热量法的校正，排除了二次电子的影响。引出束经过一台60°分析磁铁测定其质谱。束进入磁铁前有一段漂移空间，可以放置发射度测量装置。图1微波离子源结构示意图1——引出电极；2——放电室；3——励磁线圈；4——软铁；5——脊波导；6——微波窗；7——调谐段；8——检测段；9——磁控管138Ⅱ.加速器物理和技术2实验结果紧凑型离子源用了一个直径仅30mm的石英放电室，配以改进的脊波导，获得了很好的结果。源的引出孔径为5mm。其引出束流与磁场的关系见于图2，最佳磁场强度约为1020Gs，比标准的共振场875Gs为大。这是由于在此磁场下，等离子体从一个更为复杂的过程中进一步

6、获取能量而大[5]大提高了浓度。引出束流与气压的关系见图3。图中的气压是真空系统的压力，故是一个相对值。可以看出，气压过高并无好处。图4是测得的质子比。在较大的微波功率下质子比可高达92%以上。引出的氢离子流最大2可达68mA，相应的束流密度达到340mA/cm。我们还研制成功另一种结构的ECR离子源，其结构见图5。它的两个励磁线圈在真空室之外，可分别调节其位置和电流，使之在放电室中产生最佳的磁场强度及分布。放电室直径100mm，长100mm，/mA出口孔径7.3mm。微波系统与前述一台相同。实验束流强度显示，该源的效率很高，在进气量为1.5ml/min时，离子源最大束流可达磁场强度

7、/Gs100mA(见图6)。它的质图2磁场强度与束流强度的关系子比也达到了85%以上。/mA束流强度进气量/ml·min-1图3进气量与束流强度的关系Ⅱ.加速器物理和技术139微波功率/W图4质子比与微波功率的关系图5强流ECR离子源结构图我们用“缝—板”法初步测量了源的的发射度。离子束穿过一排狭缝并漂移相当距离后，在一块铝板上打出清晰的束斑印痕。据此我们作出的相图见图7。它的实验室发射度值为216πmm·mrad。若束流密度是均匀分布，则相应的归一化均方