CSNS強(qiáng)流負(fù)氫離子源及其改進(jìn)

劉盛進(jìn)，歐陽(yáng)華甫，黃 濤，肖永川，曹秀霞，呂永佳，薛康佳，陳衛(wèi)東

(1.中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科學(xué)中心，廣東 東莞 523803)

中國(guó)散裂中子源(CSNS)作為中子散射多學(xué)科研究平臺(tái)，為生命科學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)、物理等領(lǐng)域的微觀研究提供了強(qiáng)有力的研究手段[1-2]。目前，CSNS加速器提供50 kW束流功率，束流可利用效率超過(guò)90%，未來(lái)束流功率將進(jìn)一步提升至設(shè)計(jì)值100 kW。CSNS加速器包含1臺(tái)80 MeV負(fù)氫直線加速器、1臺(tái)1.6 GeV快循環(huán)質(zhì)子同步加速器。

負(fù)氫直線加速器包括前端系統(tǒng)和漂移管直線加速器(DTL)系統(tǒng)。前端系統(tǒng)提供3.0 MeV、約15 mA的負(fù)氫束流注入DTL進(jìn)行進(jìn)一步加速。前端系統(tǒng)的主要設(shè)備有負(fù)氫離子源(IS)、低能傳輸段(LEBT，長(zhǎng)度1.82 m)、射頻四級(jí)加速結(jié)構(gòu)(RFQ，長(zhǎng)度3.688 m)及中能傳輸段(MEBT，長(zhǎng)度3.002 m)[3-4]。在目前加速器的運(yùn)行中，前端系統(tǒng)提供的束流模式有1 Hz-100 μs(重復(fù)頻率為1 Hz，脈寬為100 μs)、5 Hz-100 μs、25 Hz-115 μs、25 Hz-250 μs及單脈沖。在供束期間，主要運(yùn)行模式有25 Hz-115 μs，束流功率為20 kW；25 Hz-250 μs，束流功率為50 kW。在對(duì)加速器工藝進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試時(shí)，RFQ入口負(fù)氫束流約為17.5 mA，出口負(fù)氫束流為16.5 mA，RFQ通過(guò)率為94.2%。為了匹配當(dāng)前質(zhì)子打靶功率50 kW的要求，離子源出口的束流強(qiáng)度維持在25 mA，經(jīng)過(guò)50%切束后RFQ出口束流流強(qiáng)約為5.3 mA。供束期間，前端系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，供束效率達(dá)到99%。本文對(duì)前端系統(tǒng)中的強(qiáng)流負(fù)氫離子源進(jìn)行改進(jìn)研究。

1 負(fù)氫離子源

前端系統(tǒng)的總體布局如圖1所示。前端系統(tǒng)中的負(fù)氫離子源是潘寧型等離子體放電表面負(fù)氫離子源[5]，該類型離子源具有高發(fā)射電流密度、低發(fā)射度和壽命穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有維護(hù)簡(jiǎn)單及建造成本相對(duì)較低的特點(diǎn)，因此被多個(gè)實(shí)驗(yàn)室選用作為負(fù)氫離子源[6-7]。離子源放電室的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，負(fù)氫離子源的等離子體放電空間為方塊狀區(qū)域，其邊界為鉬陰極和鉬陽(yáng)極及等離子體縫板，銫蒸氣和氫氣通過(guò)陽(yáng)極小孔進(jìn)入到放電區(qū)。潘寧磁場(chǎng)作用于放電區(qū)，與陰極表面垂直，電子受到該磁場(chǎng)的約束在兩個(gè)陰極表面來(lái)回螺旋運(yùn)動(dòng)。在等離子體放電過(guò)程中，氫粒子與陰極表面碰撞俘獲電子從而形成負(fù)氫離子(H-)，這一機(jī)制是表面負(fù)氫離子源形成負(fù)氫離子的主要方式。負(fù)氫離子通過(guò)等離子體縫板縫隙被引出電極所形成的電場(chǎng)引出。在運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)氫離子源采用脈沖弧放電模式，脈沖放電占空比固定為1.5%(重復(fù)頻率為25 Hz，脈寬為600 μs)，束流引出采用脈沖方式，其占空比根據(jù)加速器所需而調(diào)整，如圖3所示。在加速器調(diào)束期間，束流的引出模式有：1 Hz-100 μs、5 Hz-100 μs和單發(fā)束流模式，在供束期間，當(dāng)前束流的功率為50 kW，因此束流引出的模式是25 Hz-250 μs。離子源的運(yùn)行參數(shù)列于表1。

圖1 前端系統(tǒng)的總體布局Fig.1 Overall layout of front end system

離子源的壽命取決于放電室的使用情況。當(dāng)放電狀態(tài)不穩(wěn)定，伴隨著束流波動(dòng)、束流弱，這種情況下需更換放電室，并重新起弧運(yùn)行。在25 Hz-600 μs下運(yùn)行，負(fù)氫束流通常維持在30 mA，放電室的壽命約為30 d，過(guò)去1 a期間，共使用10套放電室。對(duì)于目前運(yùn)行的負(fù)氫離子源，銫可有效提高負(fù)氫的產(chǎn)額，在運(yùn)行前后通過(guò)微天平的測(cè)量，銫金屬消耗量約為每月3.5 g，也即每天0.12 g。離子源運(yùn)行期間，放電電極受到等離子體的轟擊、腐蝕而逐漸惡化，被濺射出來(lái)的粒子會(huì)布滿整個(gè)放電區(qū)域(圖4)，造成等離子體放電的不穩(wěn)定，從而引起束流波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致放電室短路。隨束流波動(dòng)的加劇，離子源將停止運(yùn)行，備份的新放電室快速替代舊放電室，離子源再次起弧、運(yùn)行。正常運(yùn)行情況下，負(fù)氫流強(qiáng)大于20 mA，并能根據(jù)加速器運(yùn)行要求進(jìn)行調(diào)整。在低占空比(1 Hz-100 μs)束流引出時(shí)，引出電極表面沉積銫粒子，易引起高壓打火，甚至?xí)斐墒髦袛?，這時(shí)需要通過(guò)高占空比(25 Hz-400 μs)束流轟擊電極表面去除銫粒子。

圖2 離子源放電室結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ion source discharge chamber

1——脈沖氫氣控制閥門電壓；2——脈沖弧流；3——脈沖引出電壓；4——脈沖引出電流(包括電子和負(fù)氫)圖3 離子源脈沖放電Fig.3 Ion source discharge at pulse mode

表1 束流功率為50 kW的離子源運(yùn)行參數(shù)Table 1 Ion source running parameter at beam power of 50 kW

圖4 放電室的放電區(qū)域Fig.4 Discharge region of discharge cell

2 負(fù)氫離子源的改進(jìn)

對(duì)于最初的潘寧負(fù)氫離子源的設(shè)計(jì)，分析磁鐵作為90°偏轉(zhuǎn)磁鐵，其主要作用為匹配引出電壓，確保負(fù)氫束流沿設(shè)計(jì)的軌道進(jìn)入低能傳輸段，同時(shí)過(guò)濾從離子源引出的電子，潘寧磁場(chǎng)則由分析磁鐵頂端平面上兩個(gè)拓展磁極而產(chǎn)生。在負(fù)氫離子源調(diào)試過(guò)程中，分析磁鐵會(huì)隨引出電壓的變化而變化，分析磁鐵的變化影響潘寧磁場(chǎng)，因此穩(wěn)定的潘寧磁場(chǎng)對(duì)離子源脈沖放電的穩(wěn)定性非常重要。此外，拓展磁極安裝在分析磁鐵頂端平面上，與放電室源體表面的間隙約為2.5 mm，由于兩者間有超過(guò)10 kV的電勢(shì)差，當(dāng)離子源起弧放電時(shí)，銫蒸氣從等離子體縫板縫隙飄逸出來(lái)沉積在拓展磁極表面，易引起打火，造成離子源的運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，通過(guò)對(duì)潘寧磁場(chǎng)的計(jì)算，設(shè)計(jì)用永磁鐵代替拓展磁極，圖5示出磁場(chǎng)隨偏轉(zhuǎn)角的變化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算，對(duì)于17 keV的負(fù)氫束偏轉(zhuǎn)90°，磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.24 T。在這種情況下，其對(duì)應(yīng)的等離子體放電區(qū)間的潘寧磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.15～0.2 T[8]。該永磁鐵安裝在帶冷卻的法蘭板上，與離子源放電室同電位，從而避免永磁鐵與源體打火。對(duì)于永磁鐵，Sm-Co磁鐵具有較高的熱穩(wěn)定性，通過(guò)霍爾計(jì)測(cè)量，該磁鐵表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.6 T，安裝完成后，離子源放電區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.2 T。因此該Sm-Co永磁鐵完全滿足潘寧放電對(duì)磁場(chǎng)的要求，其安裝如圖6所示。因此，利用永磁鐵的磁場(chǎng)作為潘寧磁場(chǎng)，一方面穩(wěn)定的潘寧磁場(chǎng)有利于離子源弧流的穩(wěn)定性，同時(shí)減少高壓打火；另一方面分析磁鐵可跟隨引出電壓的變化而變化，但不影響潘寧磁場(chǎng)。

圖5 磁場(chǎng)隨偏轉(zhuǎn)角的變化Fig.5 Magnetic field vs. bending angle

圖6 偏轉(zhuǎn)鐵頂端的拓展磁極(a)及永磁鐵(b)Fig.6 Bending magnet (a) and permanent magnet (b) at top of deflection magnet

此外，50 kV陶瓷絕緣環(huán)被重新設(shè)計(jì)，如圖7所示。在地電位端增加了帽沿設(shè)計(jì)，帽沿的長(zhǎng)度為45 mm，因此絕緣環(huán)的總長(zhǎng)度增加了10 mm，但在真空一側(cè)的爬電距離卻增加100 mm。該設(shè)計(jì)確保了絕緣距離，增加了爬電距離，提高了絕緣性能，同時(shí)減弱絕緣距離的增加對(duì)束流光路的影響。圖8為改進(jìn)離子源運(yùn)行48 h的狀態(tài)，AC弧流約為45 A、加速高壓為50 kV、離子源出口負(fù)氫流強(qiáng)維持在40 mA。運(yùn)行期間高壓維持在50 kV，僅發(fā)生1次打火并迅速恢復(fù)，另外兩次丟束主要由引出電壓打火所致。整個(gè)運(yùn)行期間，弧流、高壓、束流流強(qiáng)保持穩(wěn)定。

圖7 新設(shè)計(jì)的絕緣環(huán)Fig.7 New design isolation ring

3 小結(jié)

強(qiáng)流負(fù)氫離子源為中國(guó)散裂中子源的運(yùn)行提供了穩(wěn)定的束流，同時(shí)離子源的改進(jìn)進(jìn)一步提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。未來(lái)中國(guó)散裂中子源的升級(jí)需要更高流強(qiáng)和更高品質(zhì)的負(fù)氫束流，因此負(fù)氫離子源的性能研究仍需不斷改進(jìn)。此外，新型RF射頻驅(qū)動(dòng)負(fù)氫離子源也在研發(fā)、測(cè)試中。

從上到下依次為H-流強(qiáng)、加速高壓、弧流圖8 改進(jìn)離子源運(yùn)行48 h的狀態(tài) Fig.8 Improved ion source operation within 48 h