2.45GHz ECR等离子体源引出系统初步设计.pdf

:./.等离子体源引出系统初步设计李 钢安徽建筑大学电子与信息工程学院 安徽合肥 中国科学院合肥物质研究院等离子体物理研究所 安徽合肥 摘 要:电子回旋共振()等离子体源是用来产生单电荷态离子束的等离子体装置它可以产生束流较强或者较高的电荷态离子同时还能提供束流的稳定性、重复性和工作寿命 引出系统的设计对 等离子体源是至关重要的引出系统对等离子体的引出束流有直接影响良好的引出系统设计可以提高引出束流强度采用有限元分析方法对 等离子体源引出系统进行分析与设计得到了满足设计需求与目标的引出束流关键词:等离子体源引出系统设计引出系统仿真:().:随着社会的发展医学技术的提升质子治疗目前已经成为理想的治疗方法之一质子治疗系统最重要组成部件是质子加速器 在质子放射治疗系统中采用了回旋加速器和同步加速器由于采用了超导技术使回旋加速器的回旋能力极大增强相比于同步加速器它可以产生持续的离子束效果更好 超导回旋加速器的核心就是 离子源电子回旋共振离子源是一种由高频电磁波感应的电场对电子进行加热使其与中性气体发生碰撞从而形成一种高电荷态离子束 离子源的研究始于 世纪 年代末美国、法国、中国等均已开展了 离子源研究工作 离子源已成为国际上研究的热点引出系统的设计是 等离子体源中至关重要的因素之一对等离子体的引出强度和分布有着决定性的影响 因此引出系统设计在 等离子体源中被广泛关注 本文将对.等离子体源引出系统进行初步的设计 首先详细阐述.等离子体源引出系统设计准则、依据设计需求与目标然后采用数值仿真的方法对 等离子体源放电腔的引出系统进行设计根据仿真与实验结果确定了满足用于加速器的.等离子体源系统中引出系统设计方案最后对引出系统设计进行了总结并分析了引出系统在实际设计中需要考虑关键因素 引出系统设计.引出系统设计目标在离子源中引出系统是一个非常关键的部件它直接影响到引出束流的质量 在离子源中引出装置的好坏直接影响到引出装置的性能需要满足:()在质子束的引出过程中关键是能够形成具有良好聚焦特性的束流并尽可能降低可能出现的打火和不稳定情况对束流性能的影响()在一定的引出系统构造条件下要得到最大的束流强度同时又要保持所需要的发射度从而使束流得到最优的聚焦()在有混气影响的条件下要确保一定的气阻以保持源端和引出端间的压力差值以最大限度地增加气体的利用率()为了提高电极的使用寿命和降低系统的功耗必须尽量减少二次电子和其他电子在引出区的电流()为了响应离子源不同的引出状态 离子源引出系统应尽可能具有可调节性 在此基础上对引出束流进行综合优化以减小因电极间的针尖放电及因非线性电场而导致的束流发射面积增大()在离子源中为了使其具有最小的发射度在考虑到传输损耗的情况下引出束流的总量应该超过其达到加速器装置进口时的最大峰值 离子源系统如图 所示电子信息科技风 年 月图 离子源系统示意图.引出系统仿真在离子源中离子被高压电场引出并加速在传输过程中需要通过引出系统并形成离子束 了解离子在引出系统中的传输过程非常重要因为它可以提高束流质量、降低束流散度以及提高传输效率 在 等离子体源中等离子体达到稳态后其电势对于离子束的引出起到了至关重要的作用 在引出离子束时需要产生一个电势差来克服空间电荷中和效应这个电势差的大小取决于等离子体中的电子密度和温度 此外束流中离子的比例、离子与等离子体相互作用等因素也会对离子源的引出性能产生影响对 等离子体源束流引出的模拟研究常用的程序包括、等 为了能使引出系统模拟的需求最终选择 作为研究 等离子体源束流引出的模拟程序 是一种用于模拟电子或离子束流引出与传输的计算程序支持一维、二维、三维和圆柱对称的模拟 该程序最初是用于模拟负氢离子源的引出与传输系统但后来被扩展到支持正离子的模拟但需要以相反的电势进行计算以符合实际情况常见的引出系统有 引出系统、两电极、三电极以及多电极引出系统 对此 等离子体源引出系统采用了三电极结构三种电极排列顺序为:等离子体电极、加速电极、地电极利用 软件计算所设计的引出系统进行了仿真仿真物理模型如图 加速电极引出孔直径为 等离子体电极引出直径为 等离子体电极电压大约 左右抑制电极电压为图 三电极物理模型束流模拟结果如图 所示图 三电极束流模拟图 科技风 年 月电子信息 从图示中可以看出三电极引出系统引出的束流均匀且直线程度高长度约为 经过仿真结果的验证该系统基本满足实验需求 然而在实际设计中我们必须充分考虑实验的具体要求和设备参数以确保离子源的稳定性和性能得到最大化的提升在优化引出装置的结构和参数时我们可以通过改变电极的形状和尺寸调节电极之间的距离和角度以及选择合适的电压和频率来实现 此外还可以采用微调装置来调整电极的位置和角度以进一步提高离子的引出效率针对磁场控制我们可以通过使用磁铁或电磁铁来产生磁场并使用磁场感应探头来监测磁场的强度和均匀性 通过调整磁铁或电磁铁的位置和电流可以实现对磁场的精确控制 此外还可以使用磁场补偿装置来调整磁场的均匀性以减小磁场对离子引出的影响总之对于三电极引出系统的设计和优化需要综合考虑电极设计、引出装置结构和参数、磁场控制等方面的因素 通过实验和仿真相结合的方法可以逐步优化系统设计确保系统能够稳定、高效地引出离子 总结本文初步设计了.等离子体引出系统并提供了相关参数 等离子体电极引出直径为 加速电极引出孔直径为 等离子体电极电压大约为 抑制电极电压为 通过模拟结果发现该设计基本满足实验的需求 然而在没有考虑磁场和电场的影响下束流才能表现出这样的结果 实际应用中电极材料、电极间距、引出孔直径等因素都会影响束流强度 因此在未来的磁场设计中需要综合考虑这些因素以优化 等离子体源的性能此外还需要在设计中考虑引出系统的稳定性和可靠性 稳定性可以通过控制系统的参数和反馈机制来实现确保系统在长时间运行中能够保持稳定的离子引出效率可靠性可以通过选择高质量的材料和组件以及严格的制造和装配过程来保证从而减少故障和损坏的可能性最后还需要考虑引出系统的安全性 在设计过程中应该考虑到高电压和强磁场对操作人员和设备的潜在危险并采取相应的安全措施如防护罩、遮蔽和隔离设备以确保操作的安全性综上所述设计和优化 等离子体源引出系统需要综合考虑稳定性、可靠性、匹配性和安全性等多个因素通过合理的设计和优化可以实现高效、稳定、可靠的离子引出为科学研究和实际应用提供有力支持 未来的研究可以进一步探索和改进引出系统的设计方法和技术以满足不断发展的需求参考文献:宁兆元任兆杏.电子回旋共振()等离子体的研究和应用.物理学进展():.赵红卫刘占稳张汶等.高电荷态 离子源.原子能科学技术():.().().:().():.:.():.:.():.:.():.基金项目:国家自然科学基金资助项目()作者简介:李钢()男汉族安徽六安人硕士研究生研究方向:等离子体技术与应用电子信息科技风 年 月