阅读说明：本技术 一种级联漂移管电势阱装置及其使用方法 (Cascade drift tube potential well device and using method thereof ) 是由 孙良亭 黄维 谢祖褀 赵红卫 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种级联漂移管电势阱装置及其使用方法,其包括漂移管、电子反射电极、电子枪阴极、电子枪阳极、真空管道、螺线管和铁轭；漂移管设置为多个,并沿轴线方向间隔设置在真空管道内,位于真空管道的入口端设置有所述电子枪阴极和电子枪阳极,位于所述真空管道的出口端设置有所述电子反射电极,多个所述漂移管位于所述电子枪阳极与所述电子反射电极之间；所述真空管道外部设置有所述螺线管,且螺线管的外部设置有所述铁轭。本发明可以将注入的特定电荷态的离子束进行压缩储存,在离子束流储存达到饱和之后,通过快引出或慢引出的方式,可以得到不同脉冲长度的强流离子脉冲束。相比于单个离子源的引出束流,可以有效提高了束流的脉冲强度。(The invention relates to a cascade drift tube potential well device and a using method thereof, wherein the cascade drift tube potential well device comprises a drift tube, an electron reflection electrode, an electron gun cathode, an electron gun anode, a vacuum pipeline, a solenoid and an iron yoke; the drift tubes are arranged in the vacuum pipeline at intervals along the axis direction, the electron gun cathode and the electron gun anode are arranged at the inlet end of the vacuum pipeline, the electron reflection electrode is arranged at the outlet end of the vacuum pipeline, and the drift tubes are arranged between the electron gun anode and the electron reflection electrode; the solenoid is arranged outside the vacuum pipeline, and the iron yoke is arranged outside the solenoid. The invention can compress and store the injected ion beam with specific charge state, and can obtain the high-current ion pulse beams with different pulse lengths by means of fast extraction or slow extraction after the ion beam storage reaches saturation. Compared with the extracted beam of a single ion source, the pulse intensity of the beam can be effectively improved.)

一种级联漂移管电势阱装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种电势阱，特别是关于一种级联漂移管电势阱装置及其使用方 法。

背景技术

现代技术的发展需要加速器能够提供越来越强的高电荷态重离子束流。例如， 美国在建的FRIB(Facility for Rare Isotope Beams)项目，需要约470eμA 的U³⁴⁺离子束流，由于离子源的产生能力有限，采取了折衷的双电荷态技术，即 U³³⁺+U³⁴⁺双离子束加速的办法；日本RIKEN(RIkagaku KENkyusho/Institute of Physical and Chemical Research)的RIBF(RadioIsotope Beam Facility)装置， 则需要525eμA的U³⁵⁺；需要U³⁴⁺离子束流强度达到1emA以上，是现有国际最好 水平的两倍以上。

目前，获得高电荷态离子束流的装置主要有电子回旋共振离子源(ElectronCyclotron Resonance Ion Source,ECRIS)和电子束离子源(Electron Beam Ion Source,EBIS)。为了提高装置性能，这两种离子源均已应用了超导技术以及其他 辅助手段，例如ECR离子源还采用偏压盘技术、采用铝作为等离子体弧腔的材料 等。然而其他辅助技术的提升是有限的，所用的超导线材也将从NbTi超导材料发 展到Nb₃Sn超导材料，离子源造价在不断提升，技术难度也在提高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种级联漂移管电势阱装置及其使用方 法，其造价低、并能有效提高离子束流强度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种级联漂移管电势阱装置， 其包括漂移管、电子反射电极、电子枪阴极、电子枪阳极、真空管道、螺线管和 铁轭；所述漂移管设置为多个，并沿轴线方向间隔设置在所述真空管道内，位于 所述真空管道的入口端设置有所述电子枪阴极和电子枪阳极，位于所述真空管道 的出口端设置有所述电子反射电极，多个所述漂移管位于所述电子枪阳极与所述 电子反射电极之间；所述真空管道外部设置有所述螺线管，且所述螺线管的外部 设置有所述铁轭。

进一步，多个所述漂移管与所述电子枪阴极、电子枪阳极及电子反射电极位 于同一中心轴线上。

进一步，每个所述漂移管均能独立控制电位；每个所述漂移管都具有与全粒 子尺寸相吻合的孔径。

进一步，所述电子枪阴极采用中空结构；所述电子枪阳极包括内圈阳极和外 圈阳极，所述外圈阳极套设在所述内圈阳极外部；所述外圈阳极与所述内圈阳极 之间具有空隙，且两者之间通过陶瓷支撑柱连接；所述内圈阳极采用中空结构。

一种基于如上述装置的使用方法，该方法中采用十个所述漂移管，第一个所 述漂移管至第十个所述漂移管从左至右依次设置在所述真空管道内，其包括以下 步骤：

S1、确定级联漂移管电势阱装置所需的真空度；

S2、确定级联漂移管电势阱装置中各电极的尺寸及电势；

S3、离子束的压缩与储存；

S4、引出离子束。

进一步，所述各电极的尺寸及电势确定方法为：

S21、使用ECR离子源提供所需的特定电荷态离子，根据引出之后的束流尺寸， 确定级联漂移管电势阱装置中位于中心位置处的漂移管内径；根据轴向上不同位 置的磁场值，按漂移管的半径与电子束半径比值不变的原则计算得到其余漂移管 的内径；

S22、根据需要约束的特定电荷态的离子束的电离阈值，确定电子束在势阱中 的能量，使其低于该离子的电离阈值，从而得到电子枪阳极以及从左至右的前九 个漂移管所加载的电压值，电子枪阳极与第一个漂移管所加载的电压要高于第二 个至第九个漂移管的电压值；

S23、ECR离子源引出所需的特定电荷态离子之后，根据束流的传输模拟，确 定第十个漂移管及电子反射电极的加载电压，同时保证电子束从电子枪发射后到 达电子反射电极处被反射。

进一步，所述压缩与储存方法包括以下步骤：

S31、离子束从反射电极外部注入级联漂移管电势阱装置后，在第六个漂移管 处遇到高电势而反射，在离子束回到第十个漂移管处时，提高第十个漂移管的电 势，将离子束约束在第六个漂移管和第十个漂移管之间；

S32、缓慢提高第九个漂移管的电势，实现离子束的压缩，在电势提高完成后， 降低第十个漂移管的电势；

S33、降低第六个漂移管的电势，使离子束进入势阱中，离子束在向前运动时 将遇到第一个漂移管的高电势而反射，同时缓慢提高第八个漂移管的电势，将离 子束往势阱中推进；

S34、第八个漂移管电势提高完成后，降低第九个漂移管的电势，同时缓慢提 高第七个漂移管的电势，进一步推进离子束；

S35、第七个漂移管电势提高完成后，降低第八个漂移管的电势，同时缓慢提 高第六个漂移管的电势；

S36、第六个漂移管电势提高完成后，降低第七个漂移管的电势，此时所有漂 移管的电势分布和ECR离子源引出的离子束注入级联漂移管电势阱装置时一致；

S37、重复步骤S31至S36，直至势阱中储存的离子束达到饱和。

进一步，所述离子束的引出，根据离子束流脉冲长度分为快引出和慢引出两 种方案。

进一步，所述快引出方案为：将电子枪阳极和第一个漂移管的电压下降至与 第二个漂移管电压一致，并依次提高第二个至第五个漂移管的电压，使其在轴向 形成沿着电子枪方向的电场，势阱中的离子束将沿着电场方向，通过电子枪阳极 和电子枪阴极结构中的孔传输而被引出。

进一步，所述慢引出方案为：降低电子枪阳极和第一个漂移管的电压，使其 仍高于第二个漂移管的电压，此时一部分高能离子沿着轴向从第一个漂移管处逃 逸，从而被引出，另一部分离子仍被约束在装置内；同时不断缓慢提高第二个至 第五个漂移管的电势，在提高电势的过程中，保持形成的轴向电场的方向指向电 子枪，使得离子束被持续引出；第二个至第五个漂移管的电势提高速度根据引出 束流的脉冲时间要求来决定，最终提高到与第一个漂移管的电势一致，势阱中的 离子束将全部被引出。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明具有与全粒子尺寸 相吻合的孔径，可以在离子源的引出端下游任何一处位置安装并操控；由于级联 漂移管电势阱装置采用了多个漂移管，而每个漂移管均可独立控制电位，因此可 以将注入的特定电荷态的离子束进行压缩储存，在离子束流储存达到饱和之后， 通过快引出或慢引出的方式，可以得到不同脉冲长度的强流离子脉冲束。相比于 单个离子源的引出束流，可以有效提高了束流的脉冲强度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的电子枪阴极结构放大图；

图3是本发明的电子枪阳极结构放大图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等 指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本 发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以 特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。下面结合附图和实施 例对本发明进行详细的描述。

本发明提供一种级联漂移管电势阱装置，用于对注入的特定电荷态的离子束 流进行储存，最终一次性引出势阱内的离子束，得到脉冲离子束流，其束流强度 比单独使用ECRIS或EBIS得到的束流强度高。在各个漂移管上加载不同电势，轴 向上通过电势的不同将离子束约束在内，径向则通过电子枪入射的电子束流产生 的空间电荷力将离子束约束在内，故称为级联漂移管电势阱装置。

如图1所示，本发明包括多个漂移管1、电子反射电极5、电子枪阴极3、电 子枪阳极4、真空管道2、螺线管6和铁轭7。在本实施例中，漂移管优选设置为 十个。

多个漂移管1沿轴线方向间隔设置在真空管道2内，位于真空管道2的入口 端设置有电子枪阴极3和电子枪阳极4，位于真空管道2的出口端设置有电子反射 电极5，多个漂移管1位于电子枪阳极4与电子反射电极5之间。真空管道2外部 设置有螺线管6，且螺线管6的外部设置有铁轭7。

上述实施例中，多个漂移管1与电子枪阴极3、电子枪阳极4及电子反射电极 5位于同一中心轴线上。

上述各实施例中，每个漂移管1均单独连接不同的控制电源，进而使得每个 漂移管1均可独立控制电位；其中，控制电源一般为电压源。

上述各实施例中，每个漂移管1的长度均不相同。

上述各实施例中，每个漂移管1都具有与全粒子尺寸相吻合的孔径，该孔径 即漂移管1的内径。

上述各实施例中，如图2所示，电子枪阴极3采用中空结构。如图3所示， 电子枪阳极4包括内圈阳极41和外圈阳极42，外圈阳极42套设在内圈阳极41 外部。外圈阳极42与内圈阳极41之间具有空隙，且两者之间通过陶瓷支撑柱连 接；内圈阳极41采用中空结构。通过中空结构的电子枪阴极3和电子枪阳极4， 使其既能提供所需的电子束流，又能保证离子束引出时能通过。

基于上述装置，本发明还提供一种级联漂移管电势阱装置的使用方法，该方 法中采用十个漂移管1，第一个漂移管1至第十个漂移管1从左至右依次设置在真 空管道2内，该使用方法包括以下步骤：

S1、确定级联漂移管电势阱装置所需的真空度。

以U³⁴⁺离子为例，计算得到的真空度需优于10^-10mbar。

S2、确定级联漂移管电势阱装置中各电极的尺寸及电势。

具体确定方法如下：

S21、使用ECR离子源提供所需的特定电荷态离子，根据引出之后的束流尺寸， 确定级联漂移管电势阱装置中位于中心位置处的漂移管1内径。由螺线管6提供 轴向磁场，螺线管6外层的铁轭7使势阱中磁场均匀，根据轴向上不同位置的磁 场值，按漂移管1的半径与电子束半径比值不变的原则计算得到其余漂移管1的 内径；

S22、根据需要约束的特定电荷态的离子束的电离阈值，确定电子束在势阱中 的能量，使之低于该离子的电离阈值，避免离子被电子进一步剥离成更高电荷态 离子，从而得到电子枪阳极4以及势阱中从左至右的前九个漂移管1所加载的电 压值；

第一个漂移管1的电压值比电子枪阳极高约1kV,充当第二阳极，加速电子， 而第二个至第九个漂移管1的电压(低于第一个漂移管1的电压)决定了电子在 级联漂移管电势阱装置中的能量；

S23、ECR离子源引出所需的特定电荷态离子之后，根据束流的传输模拟，确 定第十个漂移管1及电子反射电极5的加载电压，同时保证电子束从电子枪发射 后到达电子反射电极5处被反射。

S3、离子束的压缩与储存。

S31、离子束从反射电极外部注入级联漂移管电势阱装置后，在第六个漂移管 1处遇到高电势而反射，在离子束回到第十个漂移管1处时，提高第十个漂移管1 的电势，将离子束约束在第六个漂移管1和第十个漂移管1之间；

S32、缓慢提高第九个漂移管1的电势，实现离子束的压缩，在电势提高完成 后，降低第十个漂移管1的电势；

S33、降低第六个漂移管1的电势，使离子束进入势阱中，离子束在向前运动 时将遇到第一个漂移管1的高电势而反射，同时缓慢提高第八个漂移管1的电势， 将离子束往势阱中推进；

S34、第八个漂移管1电势提高完成后，降低第九个漂移管1的电势，同时缓 慢提高第七个漂移管1的电势，进一步推进离子束；

S35、第七个漂移管1电势提高完成后，降低第八个漂移管1的电势，同时缓 慢提高第六个漂移管1的电势；

S36、第六个漂移管1电势提高完成后，降低第七个漂移管1的电势，此时所 有漂移管的电势分布和ECR离子源引出的离子束注入级联漂移管电势阱装置时一 致。

S37、不断重复上述步骤S31至S36，直至势阱中储存的离子束达到饱和，再 将离子束引出。

S4、引出离子束。

根据离子束流脉冲长度的要求，可以分为快引出和慢引出两种方案。

(1)若为快引出，将电子枪阳极4和第一个漂移管1的电压下降至与第二个 漂移管1电压一致，并依次提高第二个至第五个漂移管1的电压，使其在轴向形 成沿着电子枪方向的电场，势阱中的离子束将沿着电场方向，通过电子枪阳极4 和电子枪阴极3结构中的孔(即电子枪阴极3的中空结构)传输而被引出；

(2)若为慢引出，降低电子枪阳极4和第一个漂移管1的电压，使其仍高于 第二个漂移管2的电压，此时一部分高能离子可以沿着轴向从第一个漂移管1处 逃逸，从而被引出，另一部分离子仍被约束在装置内；同时不断缓慢提高第二个 至第五个漂移管1的电势，在提高电势的过程中，保持形成的轴向电场的方向指 向电子枪，使得离子束被持续引出，第二个至第五个漂移管1电势提高的速度决 定了引出束流脉冲长度。第二个至第五个漂移管1的电势提高速度根据引出束流 的脉冲时间要求来决定，最终提高到与第一个漂移管1的电势一致，势阱中的离 子束将全部被引出。

上述各步骤中，离子束的引出过程通过对漂移管1电势的调制可以得到不同 脉冲长度的离子束流。

综上，本发明从现有的技术出发，采用常温磁铁技术，造价远低于当前的超 导设备，提出利用级联漂移管的结构作为电势阱装置，将ECR离子源产生的强流 离子束储存其中，最终引出得到强流脉冲离子束流，达到提高离子束流强的目的。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都 是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件 进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。