本發(fā)明屬于離子束操縱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種束流在線電荷極性轉(zhuǎn)換裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代科學裝置或生產(chǎn)設(shè)備中，常常要實現(xiàn)對低能正離子束的電荷極性進行轉(zhuǎn)換，例如：串列加速器中，為實現(xiàn)離子的二次加速，需向其注入負離子束，而負離子源產(chǎn)生的離子種類和流強受限，往往需要將離子源產(chǎn)生的正離子束的極性轉(zhuǎn)換為負離子束才能滿足串列加速器的注入要求。它的原理是帶電離子束以一定速度進入一定濃度的工藝氣體中與工藝氣體的氣體原子碰撞，在碰撞的過程中氣體原子失去電子，正離子獲得電子，離子與氣體原子發(fā)生電荷交換，經(jīng)過至少兩次碰撞離子所帶電荷由正變負。工作氣體可采用具有較低電子親和勢的堿金屬或堿土金屬蒸氣，由加熱爐加熱工作介質(zhì)(堿金屬或堿土金屬)產(chǎn)生，調(diào)節(jié)加熱爐溫即可控制工作氣體濃度。在極性轉(zhuǎn)換過程中，由于堿金屬和堿土金屬的化學活性較高，容易與進行極性轉(zhuǎn)換的設(shè)備的真空內(nèi)壁發(fā)生反應(yīng)，其氫氧化物也具有較強的腐蝕性，需要對其作用范圍進行限制。此外，這一轉(zhuǎn)化過程中的工作介質(zhì)(堿金屬或堿土金屬)一般為成本較高的貴金屬，因此也需要盡量控制工作介質(zhì)的損耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在保證離子束流電荷極性轉(zhuǎn)換正常進行的情況下，減少工作介質(zhì)的損耗并實現(xiàn)工作介質(zhì)的循環(huán)使用。

為達到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種一種束流在線電荷極性轉(zhuǎn)換裝置，包括底部密封連接加熱爐的外筒，所述外筒筒壁上對稱設(shè)置一對能夠通過離子束流的外筒束流通道孔，所述加熱爐用于通過加熱工作介質(zhì)產(chǎn)生工藝氣體，其中，還包括通過能夠密封設(shè)置在所述外筒頂部的法蘭設(shè)置在所述外筒內(nèi)的內(nèi)筒，所述內(nèi)筒底部的開口位于所述加熱爐頂部的開口上方，所述內(nèi)筒的筒壁上對稱設(shè)置一對與所述外筒束流通道孔相對應(yīng)的、能夠通過所述離子束流的內(nèi)筒束流通道孔。

進一步，所述外筒的底部為開口朝上的錐面結(jié)構(gòu)，所述加熱爐的頂部開口位于所述錐面結(jié)構(gòu)底部中心位置，所述內(nèi)筒的底部開口與所述錐面結(jié)構(gòu)之間留有縫隙，所述錐面結(jié)構(gòu)便于附著在所述外筒內(nèi)壁上的所述工作介質(zhì)以及從所述內(nèi)筒回流的所述工作介質(zhì)流入所述加熱爐中。

更進一步，所述內(nèi)筒采用紫銅材質(zhì)制作，且內(nèi)外表面鍍鎳；所述內(nèi)筒的頂部內(nèi)側(cè)采用開口朝下的錐面結(jié)構(gòu)，便于附著在所述內(nèi)筒頂部的所述工作介質(zhì)沿所述內(nèi)筒的內(nèi)壁回流到所述加熱爐中。

進一步，所述外筒束流通道孔采用錐形孔結(jié)構(gòu)，穿設(shè)在所述外筒的筒壁上，錐度為9度，所述外筒束流通道孔的小孔一端的孔徑為12mm，所述外筒束流通道孔的大孔一端的孔徑為30mm；所述外筒束流通道孔的小孔一端延伸在所述外筒的筒壁之外，所述外筒束流通道孔的大孔一端向所述外筒內(nèi)部延伸，靠近所述內(nèi)筒上的所述內(nèi)筒束流通道孔。

進一步，所述內(nèi)筒束流通道孔采用錐形孔結(jié)構(gòu)，所述錐度為120度，所述內(nèi)筒束流通道孔的小孔一端的孔徑為6mm，所述內(nèi)筒束流通道孔的大孔一端的孔徑為25mm；所述內(nèi)筒束流通道孔的小孔一端位于所述內(nèi)筒的筒壁內(nèi)側(cè)上，所述內(nèi)筒束流通道孔的大孔一端位于所述內(nèi)筒的筒壁外側(cè)上。

更進一步，所述外筒束流通道孔的大孔一端、內(nèi)筒束流通道孔的大孔一端互相對應(yīng)，兩者之間能夠形成阻止所述工藝氣體外溢的氣阻。

進一步，在所述法蘭上還設(shè)有用于補充所述工作介質(zhì)的工作介質(zhì)注入孔。

進一步，所述外筒、內(nèi)筒、法蘭均采用耐強堿腐蝕的金屬制作，所述法蘭與所述外筒之間采用金屬密封結(jié)構(gòu)。

進一步，所述外筒的外壁設(shè)有用于給所述外筒加熱的外筒加熱絲，在所述法蘭上設(shè)有用于給所述內(nèi)筒加熱的內(nèi)筒加熱棒。

本發(fā)明的有益效果在于：

1.外筒束流通道孔6和內(nèi)筒束流通道孔7的束流通道孔徑很小，是良好的氣阻，可有效減少工藝氣體向真空中逃逸。外筒束流通道孔6也采用錐孔設(shè)計，有效約束從內(nèi)筒束流通道孔7逸出的工藝氣體，限制氣體原子的運動區(qū)域，提高工藝氣體密度。

2.氣體原子從外筒束流通道孔6和內(nèi)筒束流通道孔7的內(nèi)表面蒸發(fā)增加內(nèi)外筒之間的電荷交換區(qū)域的工藝氣體密度提高了電荷交換幾率。

3.采用內(nèi)筒2和外筒1所構(gòu)成的雙層筒壁結(jié)構(gòu)，極有效的限制了工藝氣體的作用范圍。

4.通過在內(nèi)筒2頂部、外筒1底部設(shè)置錐面結(jié)構(gòu)，使得附著在筒壁上的工作介質(zhì)能夠回流到加熱爐3中，實現(xiàn)了工作介質(zhì)的循環(huán)利用，節(jié)約了成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明具體實施方式中所述的束流在線電荷極性轉(zhuǎn)換裝置的示意圖；

圖中：1-外筒，2-內(nèi)筒，3-加熱爐，4-工作介質(zhì)注入孔，5-內(nèi)筒預(yù)留加熱孔，6-外筒束流通道孔，7-內(nèi)筒束流通道孔，8-法蘭，9-爐加熱絲，10-內(nèi)筒加熱棒，11-外筒加熱絲。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種束流在線電荷極性轉(zhuǎn)換裝置，由外筒1、內(nèi)筒2、加熱爐3、法蘭8等組成。

其中，外筒1的底部連接加熱爐3，加熱爐3用于通過加熱工作介質(zhì)來產(chǎn)生工藝氣體(工藝氣體的氣體原子帶正電荷，用來與離子束流進行電荷交換)。加熱爐3的頂部設(shè)有開口，外筒1與加熱爐3的頂部開口之間為密封連接，加熱爐3產(chǎn)生的工藝氣體被限制在外筒1內(nèi)部的區(qū)域范圍中。外筒1筒壁上設(shè)置有一對能夠通過離子束流的外筒束流通道孔6，外筒束流通道孔6為對稱設(shè)置，離子束流能夠通過其中一個外筒束流通道孔6進入外筒，從對應(yīng)的另一個外筒束流通道孔6射出。

外筒1頂部設(shè)置有法蘭8，法蘭8與外筒1之間為密封連接(采用的是耐強堿腐蝕的金屬密封結(jié)構(gòu))，內(nèi)筒2的頂部與法蘭8相連，通過法蘭8，內(nèi)筒2能夠被設(shè)置在外筒1的內(nèi)部，外筒1和內(nèi)筒2構(gòu)成雙層筒壁結(jié)構(gòu)。內(nèi)筒2底部設(shè)有開口，且位于加熱爐3頂部的開口上方，加熱爐3產(chǎn)生的工藝氣體能夠直接進入到內(nèi)筒2內(nèi)部。

內(nèi)筒2的筒壁上同樣對稱設(shè)置一對能夠通過離子束流的內(nèi)筒束流通道孔7，并且內(nèi)筒束流通道孔7與外筒束流通道孔6相對應(yīng)，在相對應(yīng)的內(nèi)筒束流通道孔7、外筒束流通道孔6附近為離子束流與工藝氣體的電荷交換區(qū)域。

外筒1的底部為開口朝上的錐面結(jié)構(gòu)，加熱爐3的頂部開口位于錐面結(jié)構(gòu)底部中心位置，內(nèi)筒2的底部開口與錐面結(jié)構(gòu)之間留有縫隙(縫隙用于方便外筒1的內(nèi)側(cè)筒壁流下的工作介質(zhì)經(jīng)錐面結(jié)構(gòu)重新回流到加熱爐3中)，錐面結(jié)構(gòu)便于附著在外筒1內(nèi)壁上的工作介質(zhì)以及從內(nèi)筒2回流的工作介質(zhì)流入加熱爐3中。通過外筒1、內(nèi)筒2所構(gòu)成的雙層筒壁結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了工作介質(zhì)的循環(huán)使用，減少了工作介質(zhì)的消耗，同時增加了電荷交換區(qū)域的工藝氣體的濃度，保證離子束流與工藝氣體的電荷交換的效果。

內(nèi)筒2采用紫銅材質(zhì)制作，且內(nèi)外表面鍍鎳；內(nèi)筒2的頂部內(nèi)側(cè)采用開口朝下的錐面結(jié)構(gòu)，便于附著在內(nèi)筒2頂部的工作介質(zhì)沿內(nèi)筒2的內(nèi)壁受重力影響沿筒壁內(nèi)側(cè)回流到底部的加熱爐3中。

外筒束流通道孔6采用錐形孔結(jié)構(gòu)，穿設(shè)在外筒1的筒壁上，錐度為9度，外筒束流通道孔6的小孔一端的孔徑為12mm，外筒束流通道孔6的大孔一端的孔徑為30mm；外筒束流通道孔6的小孔一端延伸在外筒1的筒壁之外，外筒束流通道孔6的大孔一端向外筒1內(nèi)部延伸，靠近內(nèi)筒2上的內(nèi)筒束流通道孔7。

內(nèi)筒束流通道孔7采用錐形孔結(jié)構(gòu)，錐度為120度，內(nèi)筒束流通道孔7的小孔一端的孔徑為6mm，內(nèi)筒束流通道孔7的大孔一端的孔徑為25mm；內(nèi)筒束流通道孔7的小孔一端位于內(nèi)筒2的筒壁內(nèi)側(cè)上，內(nèi)筒束流通道孔7的大孔一端位于內(nèi)筒2的筒壁外側(cè)上。

外筒束流通道孔6的大孔一端、內(nèi)筒束流通道孔7的大孔一端互相對應(yīng)，兩者之間能夠形成氣阻，氣阻能夠阻止工藝氣體外溢(并利于工作介質(zhì)回收)。

在法蘭8上還設(shè)有工作介質(zhì)注入孔4，工作介質(zhì)注入孔4用于向加熱爐3內(nèi)補充工作介質(zhì)。

外筒1、內(nèi)筒2、外筒束流通道孔6、內(nèi)筒束流通道孔7、法蘭8均采用耐強堿腐蝕的金屬制作，法蘭8與外筒1之間采用金屬密封結(jié)構(gòu)。

外筒1的外壁設(shè)有用于給外筒1加熱的外筒加熱絲11，在法蘭8上設(shè)有用于給內(nèi)筒2加熱的內(nèi)筒加熱棒10。內(nèi)筒加熱棒10設(shè)置在與內(nèi)筒2頂部連接的內(nèi)筒預(yù)留加熱孔5中，內(nèi)筒預(yù)留加熱孔5穿設(shè)在法蘭8上。加熱爐3外圍設(shè)有爐加熱絲9，用于加熱爐3的加熱。外筒加熱絲11、內(nèi)筒加熱棒10可實現(xiàn)對外筒1和內(nèi)筒2的筒壁溫度的控制。與筒壁(特別是在外筒束流通道孔6、內(nèi)筒束流通道孔7的錐形筒的內(nèi)壁)碰撞的工藝氣體的氣體原子一部分會因受熱再蒸發(fā)和擴散再次返回電荷交換區(qū)域，增加電荷交換區(qū)域的工作氣體濃度，提高電荷交換幾率。

最后舉例說明本發(fā)明所提供的一種束流在線電荷極性轉(zhuǎn)換裝置的實際應(yīng)用。

在本實施例中，使用貴金屬銫(cs)作為工作介質(zhì)。組裝好的在線電荷極性轉(zhuǎn)換裝置中(在線電荷極性轉(zhuǎn)換裝置處于真空環(huán)境中)，通過工作介質(zhì)注入孔4用于向加熱爐3內(nèi)注入金屬銫，對加熱爐3以及內(nèi)筒2、外筒1進行加熱，使得金屬銫產(chǎn)生相應(yīng)的工藝氣體。由于內(nèi)筒2底部開口與外筒1底部(錐面結(jié)構(gòu))之間的縫隙很小，工藝氣體的氣體原子從加熱爐3中逸出后擴散大部分進入內(nèi)筒2，少部分氣體原子通過內(nèi)筒束流通道孔7和內(nèi)筒2、外筒1之間的隙進入外筒1。離子束流(帶正電荷)從外筒1上的一個外筒束流通道孔6進入外筒1，并經(jīng)過與該外筒束流通道孔6相對應(yīng)的內(nèi)筒束流通道孔7進入內(nèi)筒2中，隨后離子束流穿過內(nèi)筒2的另一個內(nèi)筒束流通道孔7以及相對應(yīng)的另一個外筒束流通道孔6射出(此時離子束流帶負電荷)。在這一過程中，離子束流與工藝氣體的氣體原子碰撞并發(fā)生電荷交換(電荷交換區(qū)域主要是在相對應(yīng)的內(nèi)筒束流通道孔7、外筒束流通道孔6附近，交換的幾率與離子和工作介質(zhì)的性質(zhì)等有關(guān))。工藝氣體的氣體原子在內(nèi)筒2、外筒1中的進一步擴散會與筒壁碰撞。由于內(nèi)筒2和外筒1均使用加熱裝置進行溫度控制，與筒壁碰撞的氣體原子一部分會因受熱后再蒸發(fā)和擴散再次返回電荷交換區(qū)域，增加電荷交換區(qū)域的工藝氣體濃度，提高電荷交換幾率。另一部分沒有蒸發(fā)的工作介質(zhì)由于重力作用會沿(內(nèi)筒2和外筒1的)筒壁向下運動，最終進入加熱爐3中實現(xiàn)工作介質(zhì)的循環(huán)使用。

本發(fā)明所述的裝置并不限于具體實施方式中所述的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出其他的實施方式，同樣屬于本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新范圍。