一種冷陰極潘寧離子源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種冷陰極潘寧離子源，該冷陰極潘寧離子源陽極采用隱藏式固定結(jié)構(gòu)，對(duì)陰極靠近放電室的表面采用凹形結(jié)構(gòu)，陰極引出采用上下圓錐形結(jié)構(gòu)；陽極上的電壓通過陽極接線柱饋入，陰極板、中間電極外套、連接法蘭、對(duì)陰極焊接法蘭均接地，并通過陶瓷法蘭和絕緣法蘭保持與陽極的絕緣。本發(fā)明提高引出束流強(qiáng)度的同時(shí)，大大延長(zhǎng)了離子源的使用壽命，降低了使用成本。可以引出1~5 mA的D束流，使用壽命大于500小時(shí)；所有部件均采用可拆卸式結(jié)構(gòu)，可方便更換易損部件的同時(shí)，給其參數(shù)的優(yōu)化留下了很大的空間，提高了整體的經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說明】
一種冷陰極潘寧離子源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]
本發(fā)明屬于加速器設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種冷陰極潘寧離子源。
【背景技術(shù)】
[0002]
氘氘(D-D)和氘氚(D-T)聚變反應(yīng)加速器中子源是重要的單能中子源(簡(jiǎn)稱中子發(fā)生器)，可廣泛應(yīng)用于核數(shù)據(jù)測(cè)量、核聚變堆基礎(chǔ)研究、軍工基礎(chǔ)研究、快中子應(yīng)用技術(shù)等各個(gè)方面。D-D和D-T聚變反應(yīng)的特點(diǎn)是，在較低的D束流能量下，有較大的反應(yīng)截面，即可用低能加速器加速D離子束，轟擊氘鈦(TiD)靶或氚鈦(TiT)靶發(fā)生氘氘(D-D)或氘氚(D-T)聚變反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)的快中子，快中子的產(chǎn)額與轟擊在靶上的D束流強(qiáng)度成正比。為了保證100-1201^/1)-0中子發(fā)生器中子產(chǎn)額大于1\108 n/s的技術(shù)指標(biāo)，靶上D束流必須大于I mA，故提出小型化離子源的引出束流必須達(dá)到約2 mA的指標(biāo)。
[0003]就目前的離子源技術(shù)，雙等離子源、高頻離子源、ECR離子源等均能容易獲得較強(qiáng)的D離子束。其中，高頻離子源、ECR離子源需要使用高頻電源和微波源，存在高頻和微波輻射問題，會(huì)對(duì)相關(guān)分析儀器的測(cè)量電子學(xué)系統(tǒng)及中子發(fā)生器控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。雙等離子源的電源均為直流電源，無干擾，且束流很容易能達(dá)到2 mA，已在蘭州大學(xué)大型強(qiáng)流中子發(fā)生器上成功應(yīng)用，其缺點(diǎn)是燈絲壽命較短。還有一類即是潘寧離子源，其結(jié)構(gòu)和電源系統(tǒng)比雙等離子源還要簡(jiǎn)單，壽命可達(dá)上千小時(shí)，并已在密封中子管上廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]
本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種冷陰極潘寧離子源，旨在解決現(xiàn)有冷陰極潘寧離子源引出束流強(qiáng)度不高、使用壽命較短的問題。
[0005]一般現(xiàn)有的實(shí)例當(dāng)中，陽極的固定端是在對(duì)陰極和陰極的中間位置，而陰極和對(duì)陰極均為圓柱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實(shí)施例提供一種冷陰極潘寧離子源，所述冷陰極潘寧離子源的陽極采用隱藏式固定結(jié)構(gòu)，對(duì)陰極靠近放電室的表面采用凹形結(jié)構(gòu)，陰極上的引出孔采用上下雙圓錐形結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明有益效果包括:
本發(fā)明實(shí)施例提供的方案:
1)陽極的隱藏式固定結(jié)構(gòu)基本解決了由于濺射粒子在陰極和陽極、對(duì)陰極和陽極之間的沉積導(dǎo)致其短路的問題；
2)對(duì)陰極靠近放電室表面采用凹形結(jié)構(gòu)，降低了對(duì)陰極單位面積所承受正離子轟擊的功率密度，大大延緩了由于對(duì)陰極表面受損導(dǎo)致潘寧離子源不能正常工作的問題；同時(shí)，由于同一種離子以相同的能量轟擊同種材料，斜入射的二次電子發(fā)射系數(shù)要比垂直入射的二次電子發(fā)射系數(shù)更大，對(duì)陰極表面的凹形結(jié)構(gòu)還會(huì)增大正離子轟擊對(duì)陰極的二次電子發(fā)射系數(shù)，這樣就提高了放電室內(nèi)的等離子體密度，進(jìn)而提高了引出束流強(qiáng)度； 3)陰極上引出孔的上圓錐形結(jié)構(gòu)的作用之一是對(duì)引出的離子進(jìn)行機(jī)械壓縮，增大引出束流的離子密度，這在雙等離子源上取得了很理想的效果;該結(jié)構(gòu)另外一個(gè)作用是增大了正離子轟擊陰極的二次電子發(fā)射系數(shù)，提高了放電室內(nèi)的等離子體密度。這兩個(gè)作用都能夠提高引出束流強(qiáng)度。
[0007]4)陰極上引出孔的下圓錐形結(jié)構(gòu)的作用是為了在引出加速電極作用下形成一個(gè)更加理想的彎月面。
[0008]因此，采用本發(fā)明實(shí)施例提供的方案相比于現(xiàn)有技術(shù)，可大大延長(zhǎng)冷陰極潘寧離子源的使用壽命，提高引出束流強(qiáng)度，降低使用成本。可以引出I?5 mA的D束流，使用壽命大于500小時(shí);所有部件均采用可拆卸式結(jié)構(gòu)，可方便更換易損部件的同時(shí)，給其參數(shù)的優(yōu)化留下了很大的空間，提高了整體的經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說明】
[0009]
圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的冷陰極潘寧離子源的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的冷陰極潘寧離子源內(nèi)電場(chǎng)等位面分布圖。
[0011]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的冷陰極潘寧離子源內(nèi)磁力線分布圖。
[0012]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的冷陰極潘寧離子源的中心軸線處的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。
[0013]圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的冷陰極潘寧離子源的束流引出徑跡圖。
[0014]圖中:1、陰極板;2、陰極;3、陰極法蘭;4、中間電極外套;5、陽極;6、勵(lì)磁線包;7、對(duì)陰極支撐法蘭；8、對(duì)陰極;9、銅線包骨架法蘭；1、陶瓷法蘭；11、絕緣法蘭；12、連接法蘭；13、對(duì)陰極焊接法蘭；14、對(duì)陰極調(diào)節(jié)桿組件；15、進(jìn)氣嘴；16、陽極接線柱；17、第一組真空封裝O型密封圈；18、第二組真空封裝O型密封圈。
【具體實(shí)施方式】
[0015]
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作詳細(xì)的描述。
[0017]請(qǐng)參閱圖1至圖5:
從陰極2或?qū)﹃帢O8發(fā)射的電子通過陰極2或?qū)﹃帢O8和陽極5之間的電場(chǎng)時(shí)被加速，到達(dá)對(duì)陰極8或陰極2之前又被減速并反向加速，即電子在陰極2—陽極5—對(duì)陰極8之間的電場(chǎng)作用下在軸向方向來回振蕩，并在勵(lì)磁線包6產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)作用下作螺旋運(yùn)動(dòng)。
[0018]陰極2、陽極5和對(duì)陰極8所包圍的空間稱為放電室。D氣體由進(jìn)氣嘴15注入，經(jīng)由對(duì)陰極調(diào)節(jié)杠組件14和對(duì)陰極8上開的小孔進(jìn)入放電室。軸向來回振蕩并作螺旋運(yùn)動(dòng)的電子電離進(jìn)入放電室內(nèi)的D氣體，使之離解、電離并產(chǎn)生等離子體。放電室內(nèi)產(chǎn)生的等離子體在引出電場(chǎng)的作用下通過陰極2上的引出孔引出形成D離子束流。
[0019]陽極5上的電壓通過陽極接線柱16饋入。整個(gè)離子源外部法蘭均接地，包括陰極板
3、中間電極外套4、連接法蘭12、對(duì)陰極焊接法蘭13，并通過陶瓷法蘭11和絕緣法蘭12保持與陽極5的的良好絕緣。陽極所加電壓為5 kV時(shí)，冷陰極潘寧離子源內(nèi)電場(chǎng)等位面分布如附圖2中所示，最大電場(chǎng)為22.11^/011，遠(yuǎn)小于高真空擊穿電場(chǎng)1001^/0]1的限值，可保證穩(wěn)定運(yùn)行。
[0020]為了保證放電室內(nèi)的軸向磁場(chǎng)分布，陽極5由非磁性不銹鋼加工而成，外徑30mm，內(nèi)徑20 _，長(zhǎng)32 mm;銅線包骨架法蘭9以及對(duì)陰極支撐法蘭7由磁性不銹鋼或銅加工而成，其余法蘭均采用純鐵或者磁性不銹鋼加工而成;結(jié)合陰極應(yīng)選擇二次電子發(fā)射系數(shù)大的材料和耐一定高溫的考量，陰極2和對(duì)陰極8的材料均選擇由鉬加工而成，陰極2的錐角為45°，對(duì)陰極8球形表面的球半徑為29 mm，陽極5與陰極2和對(duì)陰極8間的距離均為3.5 mm。模擬得到陰極潘寧離子源內(nèi)磁力線分布以及中心軸線處的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布分別如附圖3和附圖4中所示。由模擬結(jié)果可知，線包6在放電室內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)可達(dá)到2500 Guss，完全可以達(dá)到約束電子的目的。
[0021]為了保證冷陰極潘寧離子源用在緊湊型D-D中子發(fā)生器上時(shí)，靶上束斑直徑小于20 mm，對(duì)陰極2靠近引出的方向也采用了類似于擴(kuò)張杯系效果的錐形設(shè)計(jì)。利用PIC粒子輸運(yùn)軟件模擬得到的束流引出如附圖5中所示，束流在靶上的束斑直徑在15 mm左右，符合設(shè)計(jì)要求。
[0022]本發(fā)明實(shí)例陽極采用隱藏式固定結(jié)構(gòu)，對(duì)陰極靠近放電室表面采用凹形結(jié)構(gòu)，陰極引出采用上下雙圓錐形結(jié)構(gòu)，提高引出束流強(qiáng)度的同時(shí)，大大延長(zhǎng)其使用壽命，降低使用成本，可以引出I?5 mA的D束流，使用壽命大于500小時(shí);所有部件均采用可拆卸式結(jié)構(gòu)，可方便更換易損部件的同時(shí)，給其參數(shù)的優(yōu)化留下了很大的空間，提高了整體的經(jīng)濟(jì)效益。
[0023]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種冷陰極潘寧離子源，其特征在于，所述冷陰極潘寧離子源的陽極采用隱藏式固定結(jié)構(gòu)，對(duì)陰極靠近放電室的表面采用凹形結(jié)構(gòu)，陰極上的引出孔采用上下雙圓錐形結(jié)構(gòu)。2.如權(quán)利要求1所述冷陰極潘寧離子源，其特征在于，通過陶瓷法蘭和絕緣法蘭將陽極固定在銅線包骨架法蘭的上端，并保持與銅線包骨架法蘭的絕緣。3.如權(quán)利要求1所述冷陰極潘寧離子源，其特征在于，所述對(duì)陰極凹形的剖面為圓形，圓形半徑為29 mm。4.如權(quán)利要求1所述冷陰極潘寧離子源，其特征在于，所述陰極上的引出錐形孔上下端均為圓形，其中上錐形和圓形的半徑分別為10 mm和1.5 mm，下錐形和圓形的半徑分別為1.5 mm和26.5 mm，上下維形的間距為2 mm。5.如權(quán)利要求1所述冷陰極潘寧離子源，其特征在于，陰極引出孔半徑為1.5mm。6.如權(quán)利要求1所述冷陰極潘寧離子源，其特征在于，陽極和陰極、陽極和對(duì)陰極支撐法蘭之間的間距均為3.5 mm。7.如權(quán)利要求1所述冷陰極潘寧離子源，其特征在于，陽極和陰極之間的距離可以通過對(duì)陰極調(diào)節(jié)桿在Omm-19 mm范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。8.如權(quán)利要求1所述冷陰極潘寧離子源，其特征在于，陽極由非磁性不銹鋼加工而成，銅線包骨架法蘭以及對(duì)陰極支撐法蘭由磁性不銹鋼或銅加工而成，陰極板、陰極法蘭、中間電極外套、連接法蘭、對(duì)陰極焊接法蘭均采用純鐵或者磁性不銹鋼加工而成。9.如權(quán)利要求1所述冷陰極潘寧離子源，其特征在于，所述的冷陰極潘寧離子源的磁場(chǎng)源為電磁鐵。10.—種冷陰極潘寧離子源，其特征在于，包括如權(quán)利要求1?9任一所述的冷陰極潘寧離子源。
【文檔編號(hào)】H01J27/04GK106057614SQ201610658654
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月12日 公開號(hào)201610658654.2, CN 106057614 A, CN 106057614A, CN 201610658654, CN-A-106057614, CN106057614 A, CN106057614A, CN201610658654, CN201610658654.2
【發(fā)明人】黃智武, 王俊潤(rùn), 盧小龍, 韋崢, 張宇, 姚澤恩, 馬占文, 徐大鵬
【申請(qǐng)人】蘭州大學(xué)