离子源教材ppt课件.ppt

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1、第二章，离子源ionsource1，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1.放电室、2.放电物质与功率的导入元件、3.维持放电稳定和离子寿命的约束电场或磁场结构，4.离子引出5。抽气系统等五大部分。l按照产生离子的不同方法（电子碰撞电离、热表面电离、粒子束表面轰击电离、场致发射电离等），l各种应用所需离子束的基本特征（种类：质子（氘

2、）、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）l离子源结构中主要元件的特征（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

3、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（f2.45GHz）。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

4、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

5、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（~3×10－2Tor

6、r）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.Pennin

7、g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