2.45GHz ECR强流等离子体源核心部件设计与实验研究.pdf

第 卷 第 期原 子 与 分 子 物 理 学 报.年 月 .J.At.Mol.Phys.,2024,41:053001(7pp)053001 强流等离子体源核心部件设计与实验研究李 钢 陈 根 段文学 彭 标 尉传颂(安徽建筑大学 电子与信息工程学院 合肥 中国科学院合肥物质研究院等离子体物理研究所 合肥 安徽大学 物质科学与信息技术研究院合肥 合肥中科离子医学技术装备有限公司 合肥)摘 要:电子回旋共振()等离子体源能产生高电荷态离子、高流强的单电荷态离子提供稳定的束流和良好的重复性 核心部件的设计对 等离子体源是至关重要的磁场对等离子体的生成和分布有直接影响良好的磁场可以提高等离子体的性能和效率 采用有限元分析方法对 等离子体源磁场进行分析与设计得到了满足设计需求与目标的磁场位形通过高斯计对设计的永磁环轴向磁场精确测量发现磁场仿真结果与实验结果吻合比较好只是轴向磁场最大值及对应位置上有点偏差 通过集成实验研究核心部件对离子源引出束流强度的影响引出束流稳定且强度达到 关键词:等离子体源 磁场设计 引出束流中图分类号:文献标识码:10.19855/j.10000364.2024.053001 ():():收稿日期:基金项目:国家重点研发计划()作者简介:李钢()男 安徽六安人 硕士研究生 从事等离子体技术与应用研究 :引 言()等离子体源是一种强流多电荷态的离子源 是常用加速器的采用方式 加速器的核心就是()等离子体源 等离子体1第 卷原 子 与 分 子 物 理 学 报第 期053001源是一种广泛应用于物理、化学、生物学等领域的等离子体产生方式 在过去的几十年中关于 等离子体源的研究取得了很大的进展其中磁场设计是一个极其重要的方面 磁场设计是 等离子体源中至关重要的因素之一 对于等离子体的产生和分布有着决定性的影响 研究表明 磁场的强度、空间分布和构造等都对等离子体的产生和分布产生显著的影响 因此 磁场设计在 等离子体源中被广泛关注 本文将对 等离子体源放电腔中的磁场进行详细的设计 并且与磁场集成测试 研究 等离子体源核心部件对引出束流强度的影响 首先详细阐述 等离子体源系统设计以及磁场设计准则、依据设计需求与目标 然后采用数值仿真和实验测量相结合的方法对 等离子体源放电腔的磁场进行设计 根据仿真与实验结果确定了满足用于加速器的 等离子体源系统中磁场设计方案 对磁场设计进行了总结并分析了磁场设计仿真与实验结果存在偏差的可能原因 最后通过集成实验 研究了 等离子体源核心部件设计对引出束流强度的影响 离子源系统设计 离子源系统由微波系统、磁场系统和引出系统组成 本系统所采用的 源微波产生和传输装置设备 其核心组件有:微波电源、环形器、三鞘钉调配器、三阶脊波导、微波窗等 利用多种传输部件的结合 有效的传送微波 减少其反射功率 磁场的设计也非常重要因为只有在微波向反应腔中提供足够的能量 才能引起电子回旋共振 激励产生等离子体 从微波到调谐器都是标准的工业产品 波导、磁场和微波窗等均按自己的需求进行设计 在法拉第筒观察窗中观察反应腔体是否能够正常地起弧 离子源系统设计如图 所示:图 离子源系统图 磁场设计原理对于强流单电荷态 等离子体源而言 放电腔中的磁场分布对离子源高密度等离子体的产生及引出束流强度有着十分重要的影响 一方面磁场的存在保证了部分电子在轴向静态磁场的作用和约束下 在磁场中做频率为 的拉莫回旋运动 回旋频率 /当微波注入等离子体反应腔时 如果电子的回旋频率与注入微波频率相同 即:()当电子的回旋频率 等于微波频率 时部分电子将受到回旋共振加热并电离工作气体产生高温等离子体 当微波频率为 时我们可以得到共振磁场大约为 另一方面放电腔中的磁场分布决定了等离子体在放电腔中的密度与分布 直接影响到引出束流的大小以及微波系统与放电腔之间的阻抗匹配 磁场设计目标为了更好的获得离子源的质量 因此 在设计离子源磁场时需要满足:()在注入端的 谐振面尽量大 这样就可以很好地形成等离子体从而确保微波的吸收效率()可以对等离子体进行更好的束缚和稳定()为了防止产生共振点 输出端的磁场不能过低 的电子回旋共振离子源中 共振场强达 在 的磁场中 由于其本身的扩散作用可以使其在约 的范围内形成等离子体 实验表明 在磁场强度略大于谐振点的情况下 等离子体的生成效率最高 在设计磁场时 径向磁场的形状以中间低、两边略高的马鞍形为好 因为这种磁场位形在两个峰之间形成等离子体磁势阱 可以减少电子的逸出 提高等离子体密度 在对 等离子体离子2第 卷李 钢 等:强流等离子体源核心部件设计与实验研究第 期053001源研究中 放电腔磁场的设计是非常重要的 磁场的设计影响等离子体的密度和温度分布 进而影响等离子体的性质和分布 为了确保等离子体具有良好的性质 磁场设计应该经过大量的仿真计算 我们对 等离子体源放电腔中的磁场进行优化设计 通过仿真结果和实验测试结果进行比对 来验证磁场的位形是否为最优磁场 首先 以钕铁硼为永磁环材料 内半径 外半径 并对其进行了多次仿真以确定最佳的磁场位形 永磁环间距由 变化通过仿真计算得到相应的磁场位形 第一组仿真磁环间距选择的是 对该模型进行仿真和计算 仿真结果如图 所示 图 ()间距 永磁环模型()等值线共振区分布 ()()由图 可以看出 两个永磁环在反应腔中可以产生共振 磁场强度呈正方形分布 正方形周边磁场强度较大 越靠近正方形的中心区域 其磁场强度下降速度越快 在整个共振区域等离子体得不到有效地控制 等离子体的损耗增大 使等离子体的密度大为减少 图 ()间距 永磁环模型()等值线共振区分布 ()()第二组仿真 永磁环间距为 对该磁场设计下磁环共振的磁场位形进行仿真和计算 仿真结果如图 所示 从图 中仿真计算结果可知 中间共振磁场约为 并且呈马鞍形 能够很好地约束等离子体 增强共振区的等离子体密度 磁场共振强度模拟结果基本符合 离子源设计与实验需求 另外 还模拟了永磁环间距为 共振磁场强度的分布见图 从图 可知 当磁环的间距增大到 时 磁环共振区域形状为两个椭圆 两个椭圆关于磁环中心对称 椭圆形磁场位形的优点是其磁场强度比较高 可以用较低的功率生成高浓度的等离子体 但是椭圆形磁场位形缺点是其磁场分布不均匀 生成的等离子体容易造成热不均匀现象 图 ()间距 永磁环模型()等值线共振区分布 ()()图 不同间距下永磁环中心轴线磁场分布 同时还计算了该结构的永磁环在不同间距下的中心轴线处的磁场分布 结果见图 通过模拟结果可以看到 随着永磁环间距由 增加至 时 永磁环中心轴线中点处的磁场由 增大至 结合三组共振云图对比 磁环间距为 谐振时的磁磁场最接近 是本次实验所需要的 因此 这次的磁场设计选择的是 间隔 另外磁场设计不仅是研究产生共振磁场强度大小 还需要研究磁环中过永磁体对称中心不同方向的磁场强度以便今后和实验进行对此 由于两个磁环是相互对称的 所以通过软件对单个磁环进行仿真 单3第 卷原 子 与 分 子 物 理 学 报第 期053001个永磁环仿真模型图如图 所示 图 永磁环立体图和侧视图 从图中 可知 首先研究的是沿内径 且过永磁体对称中心在径向磁场分量 仿真时 我们从磁环的对称点出发 在半径方向上分别向两端运动 根据距离中心的不同尺寸 来测定不同部位的磁场强度 仿真结果如图 所示 从图中可知中心的磁场最低的 离中心越远 磁场就越强图 永磁环径向磁场分布图 此外 我们还需要对中心轴上的磁场强度进行分析 在此基础上 利用计算机模拟了沿直线 且过永磁体对称中心在轴线磁场分量 仿真模型如图 所示 图 永磁环立体图和正视图 仿真时 从磁环对称点出发 沿着轴线方向分别向两端运动 然后根据距离中心的大小 来测量磁场的强弱 仿真结果如图 所示 图 永磁环轴向磁场分布图 由图 可以看出 在磁环的中心处 磁场的强度是最大的 大约为 而当距离中心 时 磁场的强度降至到最低点 在 至 的中心位置 磁场强度逐渐增大至 反之 在磁环中心另一端 磁场强度大小是相同的 通过仿真 可以预测磁场的空间分布、强度等指标 并对其进行评估和优化 为实际的磁场设计提供理论支持 然而 仿真结果仅反映了模型的预测能力 不能完全反映实际磁场情况 仿真和实验是相辅相成的 所以还需要进行实验 以验证仿真结果的准确性 通过实验结果可以帮助我们评估磁场设计的实际效果 以及实际磁场与仿真磁场的差异 对此 我们对所设计的磁环进行加工 在加工结束之后 在进行实际的测量 根据模拟的数据 利用高斯计在磁环的中心进行测量 以确定磁场强度和模拟值之间的关系 实际测量如图 所示 利用高斯计在磁环中根据模拟数据的不同位置进行测量 得到实测数据 数据如图 所示 以磁环中心位置为 从实测数据图 可以看出 当位置为 磁场仿真值为 实测值为 磁环中心位置最高磁场实测值与仿真值存在一点偏差 但是磁环轴线其他位置的实测结果与模拟结果基本一致 该磁环结构可以满足 离子源产生谐振所需的磁场 等离子体源实验研究以我们研制的 等离子体源测试平台 测4第 卷李 钢 等:强流等离子体源核心部件设计与实验研究第 期053001图 永磁环实测图 图 轴线磁场仿真和实测值 量不同情况实验条件下 等离子体源的引出束流 通过分析测试结果 研究了引出电压 进气气体流量 微波功率等因素对引出束流的影响 引出电压对引出束流的影响测量了进气量为 永磁环间距为 抑制电压为 微波功率为 时不同引出电压下的引出束流强度 结果如图 所示随着引出电压由 增加至 束流强度亦从 增加至 而引出束流强度则显示出与引出电压近似的线性增长趋势 进气量对引出束流的影响测量了永磁环间距 微波功率 引出电压 抑制电压 时 不同进气量下引出束流的变化 结果如图 所示 在其他条件不变的情况下 随着进气量从 增加至 引出束流亦由 增长至 然而 随着进气量的增加 束流增长速率图 束流强度随引出电压的变化 图 束流强度随进气量的变化 逐渐减缓 当进气量由 增加至 时束流强度的增长趋势几乎不变 因此 适度增加进气量可以有效提升束流强度 但若进气量过高则容易导致引出电极间火花放电 并造成工作气体的浪费 微波功率对引出束流的影响测量了永磁环间距为 进气量 引出电压 抑制电压 时引出束流随着微波功率的变化 结果如图 所示 由图 可知 束流强度随着微波功率的增加近似线性增长 微波功率由 增加至 束流强度由 增加至 微波功率和电压对引出束流的影响测量了进气量为 抑制电压为 引出束流随着不同出电压和微波功率的变化 结果如图 所示 根据图 所示的结果 可以观察到微波功率和引出电压对引出束流强度呈正相关关系 随着5第 卷原 子 与 分 子 物 理 学 报第 期053001图 束流强度随微波功率的变化 图 束流强度随微波功率和电压的变化 微波功率和引出电压的逐渐提高 引出束流的强度呈现逐步上升的趋势 当微波功率从 到 时 引出电压为 时 引出束流增加速率变缓 表明微波功率变化范围较小时 束流强度对引出电压的响应较小 在 到 的微波功率范围内 不同引出电压下 束流强度的增加更为明显 这说明随着微波功率的增加 引出束流强度也随之增加 当微波功率为 时 在引出电压从 到 的范围内观察到束流强度从 增加到 变化幅度显著 这表明在相同的微波功率条件下 增加引出电压可以显著提高引出束流强度 总 结本文对 等离子体磁场进行了初步的设计 并给出了磁环的相关参数:磁环的材质为钕铁硼 磁环内半径 外半径 通过三组仿真结果的对比 当磁环间距为 时 磁环所产生的磁场位形为马鞍形 马鞍形磁场位形是在正方形和椭圆形磁场位形的基础上结合得到的一种磁场位形 马鞍形磁场具有正方形磁场位形的磁场分布均匀和椭圆形磁场位形的磁场强度高的优点 但是实际测量的轴向磁场为 与模拟值有一点偏差 偏差来源主要有:()永磁体材料的制造过程()永磁材料的磁导率 以及永磁材料的剩余磁性 这将会对磁场的谐振位置产生影响 因此 在未来的磁场设计中 除了要考虑永磁环的间距 还要考虑磁环材料、永磁环的磁导率以及磁环剩余磁对磁场的影响 这些都对优化 等离子体源的性能有帮助 通过实验研究结果 后面我们应该继续优化离子源 希望能够得到更高流强的束流和更长的运行寿命 并且结合 等离子体源模拟计算 深入理解离子源工作过程 探索离子源工作时各个系统部件工作条件与等离子体状态和引出流强之间准确的关系 参考文献:()张力戈.用于质子治疗的 超导回旋加速器注入引出系统研究设计.武汉:华中科技大学 :()崔保群李立强包轶文等.用于质子直线加速器的强流电子回旋共振离子源.原子能科学技术:()张萌 陆元荣 彭士香 等.强流重离子整体分离环 的升级改造.第三届全国加速器技术学术交流会:()沈武林.微波 等离子体的磁电加热研究.武汉工程大学 .:()罗童 陈强.微6第 卷李 钢 等:强流等离子体源核心部件设计与实验研究第 期053001波 等离子体刻蚀 模板中 薄膜的研究.真空与低温:()邓乔元.铜掺杂薄膜在白蛋白溶液中促进摩擦界面形成类石墨碳润滑层的研究.成都:西南交通大学 :.7