Penning型负氢离子源诊断

Penning型负氢离子源诊断 强激光与粒子束，第卷第期 ,,,,:,,,,::,, ，年月 ,:,,,,,,,:,,,,,, ,:,,, ,,,,, ,:, ,,,,,,,, ,,,,,, 文章编号, ,, ,::,,,,,,:,,:,,,:,:,))) , 型负氢离子源诊断 ,,,,,,, ， ， ， ， ， 董 攀龙继东杨 振王 韬何小中张开 志 ,,，中国工程物理研究院 流体物理研究所四川 绵阳 ,,,,:: , ，。 摘 要为了给小型医用回旋加速器提供负氢离子研制了一台 采用发射光谱型负氢离子源 ,,,,,,,，。 法对该负氢离子源进行了诊断同时结合离子源功率变化对离子源工作状态进行了分析实验测 量 了 不 同 氢 、，气流量离子源弧流及磁场条件下该离子源等离子体氢原子巴尔末系中前三条谱线的相对光强和离子源功率 ，。 ,，变化分析了不同工作条件对离子源工作状态的影响结果表明在可调节范围内该离子源的工作状态主要 ，。受氢气流量的影响对离子源弧流及磁场的变化不敏感 , , , , 关键词型离子源等离子体发射光谱离子源功率 ,,,,,,, ,,, , 中图分类号 文献标志码 ,:,,:,,:,,,,,,,,:,,,,:,,,,:,:,,,, ，，。小型医用回旋加速器要求离子源体积小引出束流高并且能在低压下工作最满足这些要求的无疑是潘 ,,。，，宁源源内的电子在轴向上和径向上分别受到电场和磁场的约束沿着轴向来回振荡运 ,,,,,,,,,,,,,, ,,,，，。动路径长更容易和空间中的其他粒子碰撞所以它具有很高的气体利用率和电子密度源这一独 ,,,,,,, ,,), ,，。 特的电子约束机制使其非常适合低压下的气体放电即使在作为小型医用 气压下仍能维持放电,:,, ,,,，、。回旋加速器的内源它还具有工作寿命长结构和供电系统相对简单等优势源一般工作在磁场环 ,,,,,,, ,,, ，，，境下常规探针无法测量而且探针对等离子体还有干扰作用因此一般更多采用发射光谱法测量等离子体 ,,, 。，，、，参数发射光谱法不需要接触等离子体对等离子体完全无干扰而且操作简便灵敏度高是目前广泛使用 。，，的一种等离子体诊断手段本文采用发射光谱法测量了离子源发射光谱的相对强度同时还测量了离子源功 ，。率变化分析了不同条件下离子源的工作状态 实验 。 ，，实验采用的离子源结构如图所示阴极和对阴极置于圆柱形阳极筒内阳极筒放在 型电磁铁中电 , , 。，。，磁铁可产生沿阳极筒轴向的均匀磁场阴极和对阴极由金属钽制成阳极筒由金属铜制成放电时阳极筒接 ，，。，地阴极和对阴极接负高压阴阳极间产生强电场氢气由一根气管导入阳极筒内阳极筒内的初始电子在强 ，，。电场加速作用下和氢气分子发生电离碰撞产生雪崩反应在阳极筒内形成等离子体阳极筒径向上开有一个 ，，。小孔用来观察等离子体发射光谱并引出负氢离子 。，测量离子源发射光谱的实验装置如图所示离子源放置于真空腔内实验时用一台分子泵对真空腔抽 , ),，。，。，气 并 用 真 空 计 监 视 真 空 腔 内 气 压 的 变 化 通 氢 气 后 真 空 腔 内 气 压 维 持 在左 右 离 子 源 放 电 时 等 ,:,, ,,,收稿日期 修订日期 , :,,,:,,,,:,,,:,,)))),,,金项目中国工程物理研究院军民两用技术开发项目 :,,::::,,,—,，，，，,。者简介董 攀男硕士助理研究员主要从事离子源诊断研究 ,,,,,,,,,,,,,,,,:,,, ，，离子体发出的光通过真空腔上的石英玻璃窗被窗外透镜聚焦后经光纤进入光谱仪中分光相机将分光 ,,, ，。后的光谱信息下来并传到计算机中处理实验采用的光谱仪和 均是 公司研 ,,, ,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,，,。。制的型号分别是 和 光谱仪采用 作为光电转换装置时分辨力为,,,:,,, ,,,,,,::,,,,, :,:,,, 结果与讨论 , ，，，对于氢等离子体来说一般测量的氢原子巴尔末系前三条谱线 和 均位于可见光区域分别,,, αγβ ，，。，是 从电子能态跃迁到能态时发出的光子由于同一谱线的强度与该成分的粒子数成正比所以通,,,,,,,过谱 。 ，线相对强度随外界条件的变化可预测该粒子数的变化趋势离子源工作时处于电弧放电状态工作 、。，。状态主 要受起弧电源磁场和氢气流量等条件的影响起弧电源是恒流源用来改变离子源弧流大小 ，，保持离子源弧流和磁场强度不变只改变输入离子源内的氢气流量测得离子源发射光谱的相对光强变化 。，。 如图所示随着氢气流量的增加三条谱线的强度均一直增加离子源内氢原子和电子的激发碰撞不仅和 , ，。，，氢气分子数密度有关还和电子能量有关氢气流量增加时氢气分子数密度增加电子和氢气分子间的碰撞 ，，，。，频率增加同时电子能量降低但影响还不显著激发态原子数目增加当氢气流量增加到一定程度后电子和 ，，，氢气分子间的碰撞非常频繁平均自由程下降电子能量得不到有效积累发生激发碰撞或电离碰撞的几率反 ,,:，。，，而下降激发态原子数目减少一般情况下激发态原子数目随气流量的增加应有一个极大值但在图中 , ，，。并没有出现这个极大值说明氢气流量还不够大离子源内气压并没有达到拐点 ，，，图给出了氢气流量增加的过程中离子源消耗的功率变化情况由图可见随着氢气流量的增加离子源 , 。,，，消耗的功率先降低然后再上升氢气流量在状态下左右时离子源消耗的功率最低此时离子 , ,,,,, ，。源效率最高粒子间碰撞损失的能量最小 ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,:,, ,,,, ,,,:,,,:,,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,:,, ,,,,,,,, 图 图 相对光强随氢气流量的变化离子源功率随氢气流量的变化,, ,,, 而等离子体电导率可表示为 ,,,, ν,, ,, ρ , ,, , ,,，,,式中是电子质量是电子和中性分子碰撞频率和中性气体分子密度有关是电子电荷量是电子密,, , , ν,,, 。,,， 度根据式离子源消耗功率可表示成, ,ν, ,,,, ,, , ,,,, ,,,, ,,,。，。式中是弧流是等离子体长度是等离子体横截面积对确定的离子源来说和可近似认为是常量 , , , , , ,第期 董 攀等型负氢离子源诊断 ,,,,,,,,,:,, ,,,,，，。 式中是电子迁移率是离子源轴向电场强度是气压和是系数并且 和大于小于根 ,,,, , , , : ,, , , ,,，，据式并将常量合并电子数密度可表示为 , ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,, 相对光强随弧流的变化离子源功率随弧流的变化图 图 ,, ,,, ,ν ,,,, ,,, , , , , ,。，，，。式中为系数气流量不变时是常量保持不变电子数密度和弧流成正比而激发碰撞几率和电子数, , ,,ν ，，。，，密度成正比所以弧流增加时激发态原子数量增加由于起弧电源的限制图中弧流增加的幅度不大故相 , 。，对光强的变化也很小此时离子源消耗功率为 , ,,,) ,, ,,, ,, ,,ρ , ,。,,，。，式中为系数由式可知离子源功率和弧流成正比其实从能量的角度也可定性解释这个关系当其它 , , ，，，，条件不变时为了提高离子源的弧流需要提高等离子体电子数密度而中性气体密度不变要提高等离子体电 ，，，子数密度只能提高电子能量来提升电离碰撞截面这样电子从阴极出来时需要带走更多的能量从而要求离 。子源提供更高的功率 ，，。保持离子源弧流和氢气流量不变改变磁场强度大小离子源发射光谱相对光强的变化如图所示相对 : ，光强随磁场强度的增加几乎保持不变图中磁场强度增加时离子源功率不变也说明了磁场对离子源的影响 , 。微乎其微 ,,, ，。 ，实际上磁场对等离子体的影响相当复杂轴向磁场对电子径向运动有约束作用可阻止电子碰壁损 ，，，，。失改善放电区的均匀性而且电子在磁场里螺旋运动相当于延长电子运动路径可提高电子碰撞几率但在，，，，图中几乎看不到磁场对离子源的影响这是因为实验用离子源内部空间很小即使气流量很小离子源内 :, 。 ，,，。气压也非常高根据经验当氢气流量为标准状态下时离子源内气压即可达到左右 , ,,,,, ,:,, ，，，。高气压下电子平均自由程很小和中性气体分子之间碰撞频繁电子运动主要由碰撞决定磁场影响很小 ,,,: ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,, 图 相对光强随磁场的变化图 磁场和离子源功率的关系:, 结论 , 、，本文研究了 型离子源随离子源弧流磁场和氢气流量改变时工作状态的变化规律发现在可调节 ,,,,,,, ，，，，的范围内离子源受弧流和磁场的影响很小主要受氢气流量的影响这样在调节离子源的工作状态时主要调 。，,，，节气流量即可通过实验测量结果表明气流量在标准状态下 附近时离子源所需功率最低产生 , ,,,,, 。电子的效率最高 ,参考文献 ,, ,，,，,,,，,徐学基诸定昌气体放电物理上海复旦大学出版社,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,)) ,,,,,,, ，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,) , ,,,,， ,，,,,罗 斯 工业等离子体工程 北 京科 学 出 版 社 :,,,,,,,,,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,),,,,,,,,,,,,,,,,,) ,, ，，，,,,:,,,,,,,,,,:,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,:,,::,,,,,,,,,,,,,,,,, ，，,,,,,,, ,,,,,::,,,,,,) ,, ，,,，，,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,, ,,,,,,,:,,,,,:,,,,,,,,:,,,,,,,,:,,:,,,,,:,,,,,,,,:,::,,,,,:,,,,,,,::,,,,:,,:,:,)) ,,,,,,, ，，,,，，,,,,，， 屠昕陆胜勇严建华大气压直流氩等离子体光 谱诊断研究光谱学与光谱分析,,:,,,,, ,,,,,,,,,:,,:,,::,,,,:,:,,),,, ，，,,,,,,:,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,,:,,,,,:,,,,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,:,,, ,,,,,,,,,,,,,,,::,,:,: ,,,,,,,,,,,, ,,:,,,:,,) ,, ，，，,,,,，，,,,,，罗丽霞吴卫东朱永红等和 体系等离子体发射光谱分析强激光与粒子束 ,,,,:,,,,:,,,,,,,,,,,,,:,,::,,:,,,,,, ,) ，，,,，,,,,:,:,,,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, , ,,,,,,,, ，,,,,,::,,:,,,,,:,) ,，， ,, ，，，,,，，,,,吴立峰马志斌翁国峰等高气压微波氢等离子体发射光谱诊断强激光与粒子束:,:,,,,,,,,,,,,:,,,,,,:,,:,:,,,,:,:), ，,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,:,,,,,,:,,:,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,),)) ,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,,,,,,，，,,,,:,,) ,,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,:,:,, ,,,，，，，，,，,张华顺万春侯王耿介等离子源和大功率中性束源 北 京原 子 能 出 版 社 ,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,) ,, ，,，,,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,) ,,,,,,,, ,,,,:,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,:,,,, ),,,,,,, ， ， ， ， ， ,:,,,,,:,:,,:,,,,:,,,,,,,,:,,,,,:,,:,:,,,,,,,,,,,,,,, , ，，,,，，,:,,,,,,,,,,,::,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,) ,,,, ，, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,,:,,, ,),,,,,,,,,,, ,,,,) ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,::,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,:,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,,:,,, ,,,,,,,,, ’,,:,,,,,,,,,, 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