一种d+离子源
阅读说明：本技术 一种d+离子源 (D+Ion source ) 是由 赵芳 陈红涛 张凯 阮锡超 侯龙 刘世龙 龚新宝 刘邢宇 张坤 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于中子发生器技术领域,具体涉及一种D<Sup>+</Sup>离子源。设置在中子发生器的真空管上,包括尾端设有引出结构(15)、顶端与氘气钢瓶(6)相连的放电管(3),放电管(3)的尾端设有圆盘形的离子源底盘(18),引出结构(15)位于离子源底盘(18)中心；还包括套装在放电管(3)的外表面的电容耦合环(8)和设置在放电管(3)的顶端的阳极探针(4)。本发明采用射频电源馈入高频功率,只需一台射频电源,无需振荡器；解决了离子源向外发送干扰信号的不利问题；对引出结构进行强制制冷,提高了离子源的使用寿命。(The invention belongs to the technical field of neutron generators, and particularly relates to a D + An ion source. The device is arranged on a vacuum tube of a neutron generator and comprises a discharge tube (3) of which the tail end is provided with a lead-out structure (15) and the top end is connected with a deuterium gas steel cylinder (6), the tail end of the discharge tube (3) is provided with a disc-shaped ion source chassis (18), and the lead-out structure (15) is positioned in the center of the ion source chassis (18); the device also comprises a capacitive coupling ring (8) sleeved on the outer surface of the discharge tube (3) and an anode probe (4) arranged at the top end of the discharge tube (3). The invention adopts the radio frequency power supply to feed in the high frequency power, only one radio frequency power supply is needed, and an oscillator is not needed; the problem that the ion source sends interference signals outwards is solved; the extraction structure is forcibly cooled, so that the service life of the ion source is prolonged.)
技术领域
本发明属于中子发生器技术领域，具体涉及一种D+离子源。
背景技术
D+离子源是用来将氘气电离产生D+的离子源，一般用在高压倍加器或者静电加速器等大型加速器上，对其尺寸和信号干扰要求不高。这种离子源具有结构简单、尺寸较小、引出束流强度较高等优势条件。为了满足小型中子发生器的需要，有必要展开对D+离子源用于小型中子发生器的研究和开发，也对D+离子源的尺寸、冷却、信号干扰、寿命等提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是针对小型中子发生器的技术要求，提供一种尺寸小、可靠性高、寿命长的D+离子源。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种D+离子源，设置在中子发生器的真空管上，其中，包括尾端设有引出结构、顶端与氘气钢瓶相连的放电管，所述放电管的尾端设有圆盘形的离子源底盘，所述引出结构位于所述离子源底盘中心；还包括套装在所述放电管的外表面的电容耦合环和设置在所述放电管的顶端的阳极探针。
进一步，所述引出结构位于所述放电管的轴线上，由铝电极和石英套管组成，所述铝电极为中心带圆孔的圆柱体，所述圆孔为束流引出孔道；所述石英套管套装在所述铝电极外面。
进一步，所述离子源底盘采用不锈钢制作，所述离子源底盘的一侧通过压盖和压片与所述放电管的尾端连接，所述压盖与所述离子源底盘之间通过螺纹连接；所述放电管的尾端上设有环形橡胶密封圈，在所述压盖和压片的作用下实现所述放电管与所述离子源底盘之间的密封；所述离子源底盘的另一侧用于与所述真空管连接，所述离子源底盘与所述真空管之间通过“O”型密封圈密封；所述离子源底盘内部为圆形空隙夹层，作为冷却水层，设有与所述冷却水层连通的进水口和出水口，冷却液通过所述进水口进入所述冷却水层从所述出水口排出，对所述引出结构进行冷却。
进一步，所述放电管采用高纯石英玻璃制作，所述放电管的尾端为平底，所述尾端的中心设有圆孔，所述圆孔用于套装在所述引出结构的所述石英套管上；所述放电管的顶端设有进气管，所述进气管通过真空橡皮管与所述氘气钢瓶相连，用于向所述放电管内输入氘气；所述阳极探针设置在所述放电管的顶端的中心位置，用于加载引出电压；所述阳极探针采用钨棒制作。
进一步，所述进气管与所述氘气钢瓶之间还设有气体流量控制器，所述气体流量控制器采用针阀控制气体流量，所述气体流量控制器两端分别用所述真空橡皮管连接所述氘气钢瓶和放电管的所述进气管。
进一步，还包括设置在所述放电管***的屏蔽盒，所述放电管的顶端和尾端位于所述屏蔽盒之外，所述屏蔽盒为一个铝质的盒子，在所述屏蔽盒上设有若干散热孔。
进一步，所述电容耦合环为两个尺寸相同的铜环，分开套装在所述放电管的外表面，还包括与所述电容耦合环相连的射频电源匹配器，通过功率输出线与所述射频电源匹配器相连的射频电源；所述射频电源匹配器设置在所述屏蔽盒内部底部，所述射频电源设置在所述屏蔽盒之外，通过所述射频电源匹配器和所述电容耦合环将功率馈入所述放电管中；所述屏蔽盒上安装所述功率输出线的接头，用于连接所述射频电源匹配器和所述射频电源。
进一步，还包括套装在所述放电管外的环形的永磁铁，所述永磁铁设置在所述屏蔽盒内部，靠近所述放电管的尾端，用于产生轴向磁场，磁场强度为2000高斯。
进一步，还包括设置在所述屏蔽盒内部的冷却风扇，用于所述屏蔽盒内部的散热。
本发明的有益效果在于：
1.使气体电离的高频功率馈入方式有电容耦合和电感耦合两种方式，对于电容耦合高频功率的馈入通常采用外接两台电源的高频振荡器，这种功率馈入方式使得系统所需电源增加，本发明采用射频电源馈入高频功率，只需一台射频电源，无需振荡器，减少了一台电源，同时减小了系统尺寸。
2.由于高频振荡器是一个开放式的天线，不断向外发射高频功率，对外部电源、信号传输等设备发射干扰信号，使其难以稳定工作，要完全解决干扰除了需要屏蔽离子源放电管外，还需屏蔽振荡器，屏蔽振荡器不仅具有一定的技术难度，还会增大离子源和系统尺寸，要投入额外的设备和技术，目前并没有报道对高频离子源采取屏蔽的有效措施。本发明由于采用了射频电源馈入高频功率的方式，只需屏蔽离子源的放电管3，使得对干扰信号的屏蔽难度降低，通过将放电管3安装在屏蔽盒1内的方法，有效解决了离子源向外发送干扰信号的不利问题。
3.现有的D+离子源都采用了外加电源的电磁线圈磁场，这种磁场的产生方式需要电源、电磁线圈尺寸大、重量大，优点是磁场强度可调。本发明经过大量实验研究，发明了适用于小型中子发生器的永磁型磁场结构(即永磁铁9)，不需要外接电源，不需要冷却，磁体尺寸和重量减小了一个数量级以上。
4.现有的D+离子源采用的是通过风扇冷却离子源底盘，然后由离子源底盘传热，带走引出结构上的热量，这种散热方式传热慢，造成引出结构使用寿命短，而引出结构是影响离子源寿命的一个主要因素，本发明对离子源底盘18进行了设计，采用外接循环冷却水的方式，对引出结构15进行强制制冷，有效提高引出结构15的冷却效果，从而提高了离子源的使用寿命。
5.本发明所提供的离子源引出束流强度大于2.5mA，质子比大于75％。离子源的平均使用寿命达到1000小时以上。
附图说明
图1是本发明
具体实施方式
中所述的一种D+离子源的示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述的离子源底盘18的示意图；
图中：1-屏蔽盒，2-冷却风扇，3-放电管，4-阳极探针，5-气体流量控制器，6-氘气钢瓶，7-进气管，8-电容耦合环，9-永磁铁，10-射频电源匹配器，11-射频电源，12-进水口，13-压盖，14-压片，15-引出结构，16-环形橡胶密封圈，17-出水口，18-离子源底盘。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明提供的一种D+离子源，设置在中子发生器的真空管上，包括放电管3、阳极探针4、氘气钢瓶6、进气管7、电容耦合环8、永磁铁9、射频电源11、离子源底盘18、引出结构15等部件。
放电管3采用高纯石英玻璃制作，引出结构15设置在放电管3尾端，放电管3顶端与氘气钢瓶6相连。放电管3的尾端为平底，尾端的中心设有圆孔，圆孔用于套装在引出结构15的石英套管上；进气管7设置在放电管3的顶端，进气管7通过焊接设置在放电管3的顶端的侧面位置，进气管7通过真空橡皮管与氘气钢瓶6相连，用于向放电管3内输入氘气；阳极探针4通过焊接设置在放电管3的顶端的中心位置，用于加载引出电压；阳极探针4采用钨棒制作。
圆盘形的离子源底盘18设置在放电管3的尾端，引出结构15位于离子源底盘18中心；电容耦合环8套装在放电管3的外表面上；阳极探针4设置在放电管3的顶端。
引出结构15位于放电管3的轴线上，由铝电极和石英套管组成，铝电极为中心带圆孔的圆柱体，圆孔为束流引出孔道，孔径为2mm；石英套管套装在铝电极外面，滑配安装，石英套管的孔径为5mm。
如图2所示，离子源底盘18采用304不锈钢制作，厚度为12mm，离子源底盘18的一侧通过压盖13和压片14与放电管3的尾端连接压盖13和压片14起到固定放电管3的作用，压盖13与离子源底盘18之间通过螺纹连接；放电管3的尾端上设有环形橡胶密封圈16，在压盖13和压片14的压紧作用下实现放电管3与离子源底盘18之间的密封；离子源底盘18的另一侧用于与真空管连接，离子源底盘18与真空管之间通过“O”型密封圈密封；离子源底盘18内部为圆形空隙夹层，作为冷却水层，设有与冷却水层连通的进水口12和出水口17，冷却液通过进水口12进入冷却水层从出水口17排出，对引出结构15进行强制冷却。
进气管7与氘气钢瓶6之间还设有气体流量控制器5，气体流量控制器5采用针阀精确控制气体流量，气体流量控制器5两端分别用真空橡皮管连接氘气钢瓶6和放电管3的进气管7。氘气由氘气钢瓶6通过减压阀(减压阀设置在氘气钢瓶6上)和气体流量控制器5经放电管3上的进气管7流入放电管3内。
还包括设置在放电管3***的屏蔽盒1，放电管3的顶端和尾端位于屏蔽盒1之外，屏蔽盒1为一个铝质的盒子，在屏蔽盒1上设有若干散热孔，散热孔的孔径为6mm。
电容耦合环8为两个尺寸相同的铜环，分开一定距离套装在放电管3的外表面，还包括与电容耦合环8相连的射频电源匹配器10，与射频电源匹配器10相连的射频电源11，射频电源匹配器10为PSG-Mini型匹配器，射频电源匹配器10与射频电源11通过功率输出线相连；射频电源匹配器10设置在屏蔽盒1内部底部，射频电源11设置在屏蔽盒1之外，通过射频电源匹配器10和电容耦合环8将功率馈入放电管3中(即射频电源馈入高频功率方式)；射频电源11的输出频率为108MHz、最大功率200W，型号为RSG200；屏蔽盒1上安装功率输出线的接头，用于连接射频电源匹配器10和射频电源11。
环形的永磁铁9套装在放电管3外，构成永磁型磁场结构，永磁铁9设置在屏蔽盒1内部，靠近放电管3的尾端，用于产生轴向磁场，磁场强度为2000高斯。永磁铁9安装在屏蔽盒1底部中心位置，安装时放电管3穿过屏蔽盒1两个端面的中心孔，使永磁铁9的中心、放电管3的中心和屏蔽盒1的两个端面中心重合。
还包括设置在屏蔽盒1内部的冷却风扇2，用于屏蔽盒1内部的散热。
本发明提供的一种D+离子源的工作原理：
将D+离子源的主体组装密封好后安装在中子发生器的真空管上(真空管位于D+离子源的尾端),通过真空管上的真空泵将放电管3内真空抽至10-3Pa以上量级后，由气体流量控制器5向放电管3内输入一定气压的氘气，然后通过射频电源11向电容耦合环8馈入高频功率(高频电场)，使放电管3内的氘气电离，使放电管3内的游离电子在电场作用下往复运动，获得与管内气体分子碰撞几率，同时由于轴向磁场的存在，使电子运动变成往复螺旋运动，增加电子与气体分子碰撞的几率，使原子***电子剥离，使其电离，产生D+，同时产生更多的电子，产生的电子再次使气体电离，经过一定时间的电离过程后，气体电离达到平衡并逐渐形成D+等离子体，在引出结构15的上方形成等离子面，经高压电源向阳极探针4加载正直流高压后，电离产生的D+将通过阳极探针4和引出结构15之间形成的电场作用下由引出结构15的孔道引出到离子源底盘18后端的真空管中。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。