[科普中国]-双等离子管

概述

双等离子管是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。

气体放电、电子束对气体原子(或分子)的碰撞，带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离过程都能产生离子，并被引出成束。根据不同的使用条件和用途，目前已研制出多种类型的离子源。使用较广泛的有弧放电离子源、PIG离子源、双等离子体离子源和双彭源。这些源都是以气体放电过程为基础的，常被笼统地称为弧源。高频离子源则是由气体中的高频放电来产生离子的，也有广泛的用途。新型重离子源的出现，使重离子的电荷态显著提高，其中较成熟的有电子回旋共振离子源(ECR)和电子束离子源(EBIS)。负离子源性能较好的有转荷型和溅射型两种。在一定条件下，基于气体放电过程的各种离子源，都能提供一定的负离子束流。1

基本原理双等离子体离子源是在非均匀磁场中工作的一种弧放电离子源。它的电极系统和磁系统都经过精心安排，使得放电产生的等离子体发生两次收缩(几何箍缩和磁箍缩)。由于引出的离子流强度大、亮度高、而主体结构又比较紧凑，使用十分普遍。

大功率的双等离子体离子源能产生安培级以上的正离子束，是一种有效的强流离子源。正离子被中和以后，就转化为中性束。从双等离子体离子源中可以直接引出负离子束，也可以先引出正离子束，再用间接方法得到负离子。

双等离子体离子源由阴极、中间电极和阳极组成，如图1所示。中间电极的电位高于阳极，它们都是用铁磁材料作成的，是磁路的一部分。1

双等高子体的“双”字是指这种离子源中以中间电极为界形成了两个等离子体。这种类型的源，由于电弧放电被压缩到局部区域，能产生高密度的等离子体，因而能提供几百毫安数量级的强流离子束，所以20多年来，它一直是最重要的离子源之一。它的缺点是结构复杂、消耗功率大、冷却麻烦、寿命较短等。

典型的双等离子体离子源结构如图2所示。它的放电机构由热阴极3，中间极4，阳极s和产生磁场的线圈2组成。引出系统则由阳极5，等离子体膨胀杯9和引出极7构成。

阴极一般采用钨丝或氧化物等热阴极。中间电极用铁磁材料制成，它在靠近阳极的一端做成圆锥状，通常锥张角取110°，中间开有一个5mm左右的小孔。阳极需用耐高温材料制成，一般用铝做成一个圆片并镶在阳极座上，以便更换。阳极的中间也开有一小孔，孔径为0.5~1.5mm左右。阳极座也用铁磁材料制成。中间电极和阳极座都是磁路的一部分。引出极一般用不锈钢制成，引出孔的直径为5mm左右。外壳用纯铁，它也是磁路的一部分。双等源在工作时，它的阳极座和磁场线圈都需要通水或油进行冷却。

双等源工作时需要提供几种电源，它们是电磁铁电源，阴极加热电源，起弧电源。起弧电源加在阳极和阴极之间，中间电极也加正电位，通常取阳极电压的一半。有的双等源中间电极不接任何电源，而是处在一个浮动电位上。2