用于NPA標(biāo)定系統(tǒng)的高頻離子源研制

萬 林， 付宏濤， 袁志凌， 汪 超， 臧臨閣， 羅小兵

(1. 四川大學(xué) 原子核科學(xué)技術(shù)研究所, 成都 610064；2. 核工業(yè)西南物理研究院，成都 610041)

1 引 言

NPA是對(duì)托卡馬克裝置中等離子體內(nèi)通過電荷交換反應(yīng)產(chǎn)生的中性粒子進(jìn)行能譜測(cè)定的裝置，其測(cè)量結(jié)果對(duì)于分析在大功率加熱手段(ICRH、NBI)下快離子的約束、輸運(yùn)及其與磁流體不穩(wěn)定性的相互作用有重要意義[1,2].NPA在投入使用前，均需要用能量可變、束流強(qiáng)度可調(diào)的中性粒子對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定.為了對(duì)核工業(yè)西南物理研究院用于HL-2A/M上的NPA裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所開展了NPA標(biāo)定系統(tǒng)的研制工作，研制的NPA標(biāo)定系統(tǒng)主要由高頻離子源、束流初聚系統(tǒng)、E×B速度選擇器、加速管、電四級(jí)透鏡、靜電偏轉(zhuǎn)板和中性化室等組成.本論文主要介紹研制的用于NPA標(biāo)定系統(tǒng)上高頻離子源的參數(shù)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試.

2 離子源與測(cè)試平臺(tái)

2.1 離子源

高頻離子源的組成包括離子產(chǎn)生部分 (放電管、高頻振蕩器 、供氣系統(tǒng))、離子引出部分(引出電極和聚焦電極)以及相關(guān)電源.圖1a、b分別是其結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖.

圖1 離子源: a—離子源結(jié)構(gòu)示意圖. b—離子源實(shí)物圖.Fig. 1 Ion source: a- Schematic diagram of the ion source structure. b- Physical diagram of ion source.

放電管用復(fù)合系數(shù)很小的派熱克斯玻璃制成，其尺寸選擇為：內(nèi)徑24.6 mm、外徑28 mm、長62 mm.高頻功率采用電感耦合方式提供，耦合線圈用一根截面為2 mm×5 mm的純銅管繞制而成，其長42 mm、內(nèi)徑29 mm、共4.5圈，線圈左右兩端保持對(duì)稱，如圖2a所示.高頻振蕩器采用單只FU-19電子管組成的推挽式電路[5]，工作頻率約為40MHz.引出電極包括陽極和吸極，陽極制成絲狀，并用派熱克斯玻璃把其與放電室隔開；吸極外套有用來建立離子發(fā)射面的石英玻璃(吸極套管)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2b所示.吸極的參數(shù)為D=2.66 mm，d=1.34 mm，h=2.66 mm，H=5.00 mm，滿足理論上吸極的最佳尺寸[6].為了減小離子在金屬表面的復(fù)合，放電管的底座在管內(nèi)暴露的部分用石英套管屏蔽起來.工作氣體利用氫氣在鈀管上的穿透效應(yīng)[3]從放電管底部通入，鈀管規(guī)格：純度99.99%、外徑2 mm、孔徑0.6 mm和長度80 mm.鈀管采用電流加熱，實(shí)驗(yàn)對(duì)工作電流在0～25A范圍內(nèi)變化的氣體流量進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)氣體流量在0～120 ml/h范圍內(nèi)的調(diào)節(jié).束流初聚系統(tǒng)要求不改變離子能量而采用等徑的三圓筒單透鏡，根據(jù)CST模擬(圖2c所示)，確定圓筒內(nèi)徑、中間電極長、邊緣電極長和電極間隙分別為30 mm、15 mm、30 mm和5 mm.電源包括：鈀管電源、高頻電源、引出電源和聚焦電源，其參數(shù)分別為：30 A DC/45 W，800 VAC/320 W，6 kV DC/240 W，8 kV DC/16 W.

圖2 離子源相關(guān)部件: a—耦合線圈. b—吸極結(jié)構(gòu). c—CST模擬的單透鏡聚焦.Fig. 2 Ion source components: a- The coupling coil. b- Profile of the extracting electrode. c- CST simulation of einzel lenses focusing.

2.2 測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試平臺(tái)由高頻離子源、束流測(cè)量系統(tǒng)、真空抽氣系統(tǒng)和高頻電磁場(chǎng)的屏蔽罩等部件組成，如圖3所示.束流從吸極孔道引出，經(jīng)初聚系統(tǒng)聚焦后進(jìn)入鋁制法拉第筒進(jìn)行束流強(qiáng)度的測(cè)量，法拉第筒內(nèi)徑30 mm、深70 mm，筒前端添加φ30 mm的圓環(huán)作抑制次級(jí)電子的偏壓電極，偏置電壓U反取負(fù)60 V.使用ORTEC 439型束流積分儀和六路定標(biāo)器獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，束流積分儀測(cè)量范圍為1 nA～10 mA，滿足實(shí)驗(yàn)束流測(cè)量的量程需求. 真空抽氣系統(tǒng)由抽速為30 m3/h的機(jī)械泵、轉(zhuǎn)速為27000 r/min的分子泵和一臺(tái)微機(jī)型復(fù)合真空計(jì)等組成，監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)真空度為1.3×10-4Pa.

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái).Fig. 3 The test device.

為防止耦合線圈產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)對(duì)儀器(引出電源、高頻電源和微機(jī)型復(fù)合真空計(jì))造成干擾，實(shí)驗(yàn)采用屏蔽罩將放電管、耦合線圈和振蕩電路包絡(luò)起來.屏蔽材料選擇鋁，厚度由趨膚深度(高頻磁場(chǎng)能夠穿透的深度)ds和磁場(chǎng)頻率f的關(guān)系式

(1)

來確定，經(jīng)計(jì)算得磁場(chǎng)在鋁中的最大趨膚深度ds(f=40 MHz)≈13.7 μm，結(jié)合屏蔽罩的成型對(duì)鋁板有一定的強(qiáng)度要求，選取的鋁板厚度為0.4 mm.另外，屏蔽罩按正方體表面展開圖裁剪后一體成型，保證了各連接處的導(dǎo)電性能良好，除放電管散熱和電源輸入導(dǎo)線開孔外，無其他開孔.

3 測(cè)試與分析

3.1 離子源起弧

實(shí)驗(yàn)的工作氣體為氫氣，利用真空抽氣系統(tǒng)將真空度抽到1.3×10-4Pa，打開鈀管電源給鈀管加熱向放電管輸入工作氣體，再打開高頻電源施加一定的板壓來提供氣體放電所需的能量，使離子源起弧形成等離子體.

離子源能夠準(zhǔn)確起弧是進(jìn)行束流測(cè)量和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，而放電管的清潔度是影響起弧的因素之一[3].經(jīng)實(shí)驗(yàn)操作發(fā)現(xiàn)，初次實(shí)驗(yàn)前，用無水乙醇(或5%的氫氟酸)和去離子水先后對(duì)放電管進(jìn)行清洗、干燥處理后，高頻離子源對(duì)氫氣的最低起弧電壓可低于100 V[7]；但離子源在多次工作后，需要200 V～300 V電壓方能保證其起弧，這是由于氣體中的雜質(zhì)(機(jī)械泵的油蒸汽等有機(jī)物)和吸極材料的濺射物等在放電管壁上形成一層薄膜，改變了壁上的離子復(fù)合系數(shù)，因此，應(yīng)再次對(duì)放電管進(jìn)行清洗.

3.2 束流測(cè)量與分析

離子源準(zhǔn)確起弧且放電穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)引出電壓U引、聚焦電壓U聚、振蕩器板壓U板和放電氣壓P，測(cè)量束流強(qiáng)度I的變化曲線，據(jù)此來確定離子源的最佳工作條件.

等離子體兩端施加有用來引出離子流的電壓，稱為引出電壓.實(shí)驗(yàn)在氣壓7.9×10-4Pa、板壓分別為460 V、550 V和640 V的條件下，通過調(diào)節(jié)引出電壓測(cè)量了束流強(qiáng)度的變化曲線如圖4所示，需要注意，改變引出電壓的同時(shí)應(yīng)相應(yīng)的改變聚焦電壓，保證引出束流完全進(jìn)入法拉第筒.由圖可見，束流強(qiáng)度隨引出電壓的變化趨勢(shì)與二極管的伏安特性相似，且都在U引=1600 V時(shí)最大；在曲線的后半段，束流強(qiáng)度隨引出電壓的升高呈降低趨勢(shì)，分析認(rèn)為：此時(shí)離子發(fā)射面內(nèi)凹的曲率變大，呈“過聚焦”狀態(tài)，離子打到吸極內(nèi)壁上，使束流降低[3].

圖4 引出電壓與束流強(qiáng)度的特性曲線.Fig. 4 Beam current versus extraction voltage.

圖5是在引出電壓1600 V、聚焦電壓1550 V、氣壓分別為4.6×10-4Pa、6.9×10-4Pa和9.5×10-4Pa的條件下，測(cè)量的束流強(qiáng)度與板壓的關(guān)系曲線，可以看出束流強(qiáng)度隨板壓的增加而升高，這是因?yàn)楦哳l振蕩器輸出功率受到電子管板壓(U板)調(diào)控，板壓越高則輸出功率越大，提供給放電管內(nèi)等離子體的能量也越多，因此在引出電壓和氣壓不變時(shí)，表現(xiàn)為束流強(qiáng)度的升高.

圖5 板壓與束流強(qiáng)度的特性曲線.Fig.5 Beam current versus anode voltage.

放電管內(nèi)的氣壓是影響束流強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一[3]，實(shí)驗(yàn)一般都采用氣體流量Q作為反應(yīng)放電管內(nèi)氣壓的參數(shù)指標(biāo).經(jīng)用排水法對(duì)氣體流量測(cè)量發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度不同時(shí)，在相同的鈀管電流下，測(cè)量的氣體流量值不同，無法作為參考.因此，實(shí)驗(yàn)采用真空室氣壓P作為放電管氣壓的參考，在引出電壓1600 V、聚焦電壓1550 V、板壓580 V的條件下，通過調(diào)節(jié)鈀管電流改變氣壓，測(cè)量了束流強(qiáng)度的變化曲線如圖6所示.可見，引出離子流強(qiáng)度隨氣壓的升高，在1.2×10-3Pa處有一極大值，其后隨之降低，這是因?yàn)榉烹姽軆?nèi)的離子濃度隨氣壓的升高而增大，引出束流也相應(yīng)增大，但氣壓高于1.2×10-3Pa后，進(jìn)氣速率的增加使電子的平均自由程減小而影響等離子體對(duì)高頻功率的吸收，導(dǎo)致氣體分子發(fā)生碰撞電離的幾率降低；另外，吸極內(nèi)的氣壓隨著進(jìn)氣量的增大而升高，導(dǎo)致離子與氣體分子的散射幾率和電荷交換幾率增大，進(jìn)而促使束流強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)變化.

圖6 氣壓與束流強(qiáng)度的特性曲線.Fig.6 Beam current versus gas pressure.

3.3 束流穩(wěn)定性分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)離子源束流的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，在板壓500 V、引出電壓1000 V、聚焦電壓1000 V、氣壓7.9×10-4Pa和1秒計(jì)數(shù)的條件下測(cè)量了43分鐘內(nèi)的穩(wěn)定性如圖7所示，束流強(qiáng)度、最大束流和最小束流分別為35.6 μA、35.7 μA和35.0 μA，計(jì)算得束流穩(wěn)定性優(yōu)于1.7 %；改變板壓為580 V、氣壓為7.0×10-4Pa，在束流強(qiáng)度為41 μA 和10秒計(jì)數(shù)的條件下測(cè)量了4小時(shí)內(nèi)的束流穩(wěn)定性優(yōu)于2.6 %，滿足NPA標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)束流穩(wěn)定性的要求.

圖7 束流穩(wěn)定性測(cè)量.Fig. 7 Beam stability measurement.

造成束流不穩(wěn)定的因素有很多[4,6]，本實(shí)驗(yàn)中主要取決于：(1)氣壓的波動(dòng)直接影響到等離子體的密度和引出束流的大小，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，利用氫氣在鈀管上的穿透效應(yīng)控制氣壓則至少需要對(duì)鈀管預(yù)熱40分鐘方能穩(wěn)定，并且穩(wěn)定后的氣壓還隨環(huán)境溫度變化而改變；(2)放電管溫度升高會(huì)影響高頻功率的耦合吸收，引起等離子體的不穩(wěn)定，對(duì)此可用強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行冷卻處理；(3)電源和振蕩電路元件，特別是實(shí)現(xiàn)功率輸出的電子管的不穩(wěn)定性引起的束流變化，應(yīng)選用功率大、頻譜純和噪聲小的電子管.

4 結(jié) 論

研制了用于HL-2A/M上NPA裝置標(biāo)定系統(tǒng)中的高頻離子源，實(shí)驗(yàn)對(duì)離子源的起弧，束流強(qiáng)度隨板壓、引出電壓和氣壓的變化關(guān)系，及束流的穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究.經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試表明，工作氣體為氫氣時(shí)，在輸出束流為35.6 μA和41 μA的情況下，分別連續(xù)運(yùn)行43分鐘和4小時(shí)，相應(yīng)的束流最大變化不超過1.7 %及2.6 %；離子源最高能夠引出69 μA的離子束流，滿足NPA的標(biāo)定要求，且相關(guān)結(jié)果對(duì)NPA系統(tǒng)的標(biāo)定具有重要的參考價(jià)值.