一種高穩(wěn)定長壽命氣體離子源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種高穩(wěn)定長壽命氣體離子源的新結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，波導(dǎo)采用脊波導(dǎo)設(shè)計，脊波導(dǎo)外圍加磁場。與波導(dǎo)連接的微波窗位于離子源的中上部，微波窗下端高于離子源的中心，微波窗上面有一個高壓電子發(fā)射裝置，用于產(chǎn)生電子使離子源更容易產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體。這一獨特設(shè)計使ECR離子源從根本上避免了高能返流二次電子束對微波窗的破壞，從而提高ECR離子源壽命，使其連續(xù)工作壽命在一年以上，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備長期穩(wěn)定運行的條件。
【專利說明】一種高穩(wěn)定長壽命氣體離子源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單電荷態(tài)微波(ECR)等離子體源和微波(ECR)等離子體裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]單電荷態(tài)微波氣體離子源(ElectronCyclotron Resonance 1n Source)的工作原理是:當(dāng)電子在垂直其運動方向的磁場中做回旋運動時，其回旋運動的頻率只和電子的質(zhì)量、電子的電量、磁場的大小有關(guān)，與電子的運動速度沒有關(guān)系，在不考慮相對論效應(yīng)的條件下，電子的質(zhì)量、電量不變，也就是說對于電子，在磁場固定的條件下，電子在磁場中在回旋運動的頻率是不變的。如果電子在磁場運動的過程中，加一個與其回旋頻率相同的電磁波，就可以通過共振使電子獲得足夠的能量，從而把它周圍的分子或原子電離，形成等離子體。ECR離子源就是利用這種原理而制成的。
[0003]單電荷態(tài)微波氣體離子源沒有熱陰極，理論上其工作壽命很長。但在微波離子源工作過程中，在離子加速區(qū)不可避免的會產(chǎn)生二次電子，這些二次電子以很高的能量反轟到放電室底部的微波窗，微波窗一般由能夠傳輸微波的絕緣體構(gòu)成，由于二次電子的能量很高，這些微波窗材料的相對導(dǎo)熱性能較差，通常的離子源設(shè)計，微波窗部位的冷卻也較差，不能把微波窗的熱量及時導(dǎo)出，因而微波窗在電子束的轟擊下很容易因為過熱而開裂或蒸發(fā)，造成微波窗的損壞，導(dǎo)致離子源不能正常工作。通常束流較強(qiáng)的單電荷態(tài)微波氣體離子源連續(xù)工作壽命在1-2周左右。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有單電荷態(tài)微波氣體離子源使用壽命短的問題，提供一種能夠極大提高單電荷態(tài)微波氣體離子源使用壽命的新結(jié)構(gòu)。
[0005]一種單電荷態(tài)氣體離子源，包括波導(dǎo)、放電室、真空室、勵磁線圈、加速電極等幾個部分。放電室后端經(jīng)微波窗與波導(dǎo)連接，另一端與真空室相連。放電室外部為永磁體或勵磁線圈，用以在放電室內(nèi)形成電子回旋共振所需的磁場。工作氣體進(jìn)入放電室后，與放電室內(nèi)回旋電子發(fā)生碰撞電離，然后通過離子引出孔進(jìn)入加速區(qū)，在加速區(qū)高壓電場的作用下形成高能離子束。本發(fā)明提供的技術(shù)中，關(guān)鍵在于微波窗的偏心設(shè)計，微波窗用陶瓷制成，它位于放電室后端法蘭中心錐形孔的上方，錐形孔中間通冷卻水，用來帶走反轟電子能量。
[0006]這種偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計的好處是，放電室后側(cè)法蘭由不銹鋼制成，導(dǎo)熱性能好，并且把反轟電子轟擊部位做成錐形，使受轟擊面積增大，工作時，單位面積受熱量減少，熱量可以及時發(fā)散。這種結(jié)構(gòu)避免了普通單電荷態(tài)氣體離子源微波窗受反轟電子作用容易損壞的問題，可以大大提高離子源的壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1單電荷態(tài)氣體離子源結(jié)構(gòu)示意圖
[0008]I波導(dǎo)；2脊波導(dǎo)；3永磁體；4大法蘭；5微波窗；6錐形孔；7勵磁線圈；8放電室；9反轟電子；10真空室；11引出孔；12引出電極；13離子束；14冷卻水；15進(jìn)氣口實施例
[0009]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所提供的技術(shù)方案作進(jìn)一步闡述。
[0010]如圖1所示，一種單電荷態(tài)氣體離子源，包括波導(dǎo)1、放電室8、勵磁線圈7、真空室
9、加速電極10等幾部分。其中波導(dǎo)I通過微波窗5同放電室8的一端連接，放電室8的另一端安裝在真空室10的上面，緊鄰放電室的外徑是勵磁線圈7。本實施例中，波導(dǎo)I內(nèi)加脊波導(dǎo)2主要用于提高微波的傳輸效率；脊波導(dǎo)2和波導(dǎo)外永磁體3均米用鐵氧體材料，一方面用于調(diào)節(jié)放電室內(nèi)磁場強(qiáng)度，另一方面利用鐵氧體材料對微波傳輸?shù)膶?dǎo)向作用，減少微波的反射功率。與波導(dǎo)連接的微波窗5采用高介電常數(shù)陶瓷材料，微波窗5位于錐形孔6上方。真空室8內(nèi)壁采用氮化硼材料，有利于提高微波放電效率。
[0011]離子源工作時，工作氣體由進(jìn)氣口 15進(jìn)入放電室8。微波通過波導(dǎo)1、經(jīng)過微波窗5進(jìn)入放電室8，放電室8內(nèi)的電子在外部磁場的作用下做回旋運動，回旋運動頻率與微波的頻率相同，二者形成共振，電子通過共振可以吸收得到很高的能量，這些電子會使進(jìn)入放電室8內(nèi)的氣體電離，電離后形成的離子通過弓丨出孔11進(jìn)入真空室10，再被弓I出電極12加速形成離子束13。
[0012]這種技術(shù)方案的優(yōu)點有:
[0013]1.獨特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，即有利于提高微波的傳輸效率，又對提高微波的利用率，并且可以條件放電室內(nèi)磁場的場形分布和大小。
[0014]2.獨特的微波窗防反轟電子結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過這種微波窗保護(hù)結(jié)構(gòu)，反轟高能電子直接打在放電室大法蘭反轟電子收集圓錐孔內(nèi)，不會造成微波窗的損壞；圓錐孔的結(jié)構(gòu)增大了反轟電子接收的面積，使其單位面積熱接收能量降低，更容易被冷卻水導(dǎo)出。
[0015]3.微波窗采用小直徑陶瓷的方法，有效的減少了離子源的體積，放電室內(nèi)壁采用氮化硼材料，有效防止了因微波窗結(jié)構(gòu)改變造成離子源引出束流的降低。
[0016]采用本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的一臺單電荷態(tài)氣體離子源，在工作電壓80kV，引出束流30mA的工作條件下，已長期正常工作累計長達(dá)半年時間。
【權(quán)利要求】
1.一種單電荷態(tài)微波氣體離子源，包括波導(dǎo)(I)、放電室(8)、勵磁線圈(6)、真空室(10)、電子點火裝置(15)、加速電極(12)等幾部分，其中波導(dǎo)⑴通過微波窗(5)同放電室(8)—端相連，放電室(8)周圍纏繞勵磁線圈(6)，另一端的離子出口(11)與真空室相連，在離子束的引出通道上設(shè)置加速電極(12)，其特征在于:所述微波窗為圓形陶瓷微波窗，微波窗位于離子源放電室中線的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述離子源，其特征在于:所述的波導(dǎo)(I)內(nèi)有兩個脊波導(dǎo)(2)，波導(dǎo)(I)外有兩個永磁體(3)。
3.根據(jù)權(quán)利I所述離子源，其特征在于:放電室(8)左側(cè)大法蘭(4)中心有一圓錐孔(6)，其直徑大于返流電子束截面。
4.根據(jù)權(quán)利I所述離子源，其特征在于:放電室⑶左側(cè)有一高壓點火裝置，可以解決離子源運行過程中可能遇到的不能形成等離子體的情況。
5.根據(jù)權(quán)利I所述離子源，其特征在于:放電室(8)內(nèi)壁稱氮化硼材料。
6.根據(jù)權(quán)利I所述離子源，其特征在于:大法蘭(4)內(nèi)部通冷卻水(13)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。
7.根據(jù)權(quán)利3所述離子源，其特征在于:大法蘭(4)內(nèi)部通冷卻水(13)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。
8.根據(jù)權(quán)利3所述離子源，其特征在于:微波窗(5)位于圓錐孔(6)上方。
【文檔編號】H01J27/18GK103681178SQ201210355895
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月24日
【發(fā)明者】袁萍 申請人:無錫慧明電子科技有限公司