離子注入機(jī)直線加速器原理

江永兵 楊怡

（杭州士蘭集昕微電子有限公司 浙江省杭州市 310000）

1 引言

直線加速器分為兩種，一種是帶圓孔的膜片行波直線加速器，一種是帶漂移管的諧振腔駐波直線加速器。帶圓孔的膜片行波加速適用于加速電子，而硼離子等相對原子質(zhì)量比較大的離子常采用帶漂移管的諧振腔駐波加速的結(jié)構(gòu)。離子注入機(jī)上通常用于加速硼離子、磷離子等相對原子質(zhì)量比較大的離子，因此采用的是帶圓柱形金屬漂移管的諧振腔駐波直線加速器。帶電離子在直線加速器中是用高頻電磁波軸向分量的電場進(jìn)行加速的，電磁波模式為TM010模。

離子注入機(jī)直線加速器由一個控制單元控制RF電源的輸出頻率和加載到負(fù)載（諧振腔漂移管）上的相位以及電壓幅度，同時控制聚焦電源輸出加載到聚焦電極上的電壓幅度。離子的加速是通過漂移管和聚焦電極之間的電場完成的，高頻RF電源提供的射頻電流通過諧振腔將電壓放大，放大倍數(shù)與諧振腔的品質(zhì)因素Q有關(guān)。放大后的電壓加載到漂移管上形成加速電場的正極，漂移管前方和后方的聚焦電極形成電場的負(fù)極。帶電離子通過聚焦電極和漂移管時即可獲得加速，在漂移管內(nèi)部的帶電離子不受電場作用，保持勻速直線運(yùn)動。

2 直線加速器控制框圖

如圖1所示，控制單元控制直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）產(chǎn)生12路13.56MHz的頻率，該頻率輸送到12個RF電源上，然后在通過控制單元上的移相電路來控制12路頻率的相位，在通過電壓信號控制RF電源的功率輸出幅度。通過以上方式，可以控制加載到負(fù)載諧振腔上電場的相位和電壓幅度，用來協(xié)調(diào)每個諧振腔和離子的同步，讓更多的帶電離子通過每個諧振腔時都呈現(xiàn)加速狀態(tài)。加載到諧振腔上的RF電源功率通過諧振腔可以實現(xiàn)電壓放大，放大后的電壓加載到漂移管上形成帶電離子的加速電場。同時根據(jù)帶電離子的能量，控制聚焦電源輸出電壓的大小。

圖1：直線加速器控制框圖

2.1 諧振腔電壓放大原理

圖2：諧振腔等效電路圖

2.2 諧振腔頻率和相位控制原理

離子注入機(jī)中的可變相直線加速器的頻率和相位控制單元，包括振蕩器、功率放大器、功分器、直接數(shù)字式頻率合成器（DFS）、數(shù)字相位合成電路（DPS）、鎖相環(huán)和增益放大器七部分組成。首先通過振蕩器產(chǎn)生基準(zhǔn)波形，通過功率放大器增強(qiáng)基準(zhǔn)波形的功率，然后使用功分器將基本波形分為多份。每一路頻率信號會通過數(shù)字式頻率合成器（DFS）產(chǎn)生需要的精確的13.56MHz，在通過數(shù)字相位合成電路（DPS）在精確頻率上增加相應(yīng)的相移，最終通過鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生控制RF電源的信號。原理框圖如圖3所示。

圖3：頻率和相位控制框圖

2.2.1 功率合成器和分配器

如果不使用功率合成器和功率分配器，單單使用直接數(shù)字式頻率合成器輸出的頻率來控制12個RF電源，會出現(xiàn)由于傳輸線的衰減和均分12路，會造成每一路的功率都不夠，信號失真的問題。因此需要先將基準(zhǔn)信號通過功率分配器平均分成多份，再通過功率放大電路同時對多個輸入信號進(jìn)行放大，然后將各個功放的輸出信號通過功率合成器相加，這樣得到的總輸出功率遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)信號。增強(qiáng)的信號在通過功率分配器平均分給12路RF電源使用。如圖4所示。

圖4：功率合成器和分配器

2.2.2 直接數(shù)字式頻率合成器

圖5：直接數(shù)字式頻率合成器

2.2.3 鎖相環(huán)

圖6：鎖相環(huán)

3 直線加速器加速原理

可變相直線加速器由12 個諧振腔和14組四極聚焦透鏡組成，每個諧振腔末端有一個圓柱狀的漂移管供帶電離子通過。正離子進(jìn)入直線加速器時，先通過第一和第二個四極聚焦透鏡Q1和Q2，然后通過第一個諧振腔C1，往后則是四極聚焦透鏡和諧振腔依次分布在一條直線上。直線加速器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7：直線加速器結(jié)構(gòu)

3.1 連續(xù)離子流的離散化

當(dāng)很多連續(xù)的正離子進(jìn)入直線加速器時，首先被Q1和Q2兩組四極透鏡聚焦成橢圓的離子團(tuán)，然后再進(jìn)入第一個諧振腔C1。C1諧振腔和C2諧振腔加速的作用很小，主要目的是把連續(xù)的離子流變成一束一束的離散的正離子團(tuán)。目的是為了便于上述諧振腔相位變換時容易控制。離散化主要是通過每個正離子速度不同實現(xiàn)的。由于漂移管接在RF輸出的正弦波電壓上，當(dāng)運(yùn)動在前面的離子進(jìn)入漂移管前，漂移管呈現(xiàn)正電性，則正離子被減速進(jìn)入漂移管。如圖8所示。

圖8：漂移管正電性

運(yùn)動在前面的正離子進(jìn)入漂移管后，運(yùn)動在后面的正離子準(zhǔn)備進(jìn)入漂移管時，電性改變成負(fù)電性，此時運(yùn)動在后面的正離子加速運(yùn)動進(jìn)入漂移管。已經(jīng)運(yùn)動出漂移管的正離子此時再次受到電場的力呈現(xiàn)減速運(yùn)動。如圖9所示。

圖9：漂移管負(fù)電性

在前運(yùn)動的正離子減速，在后運(yùn)動的正離子加速，離子被集中到一起變成一團(tuán)一團(tuán)的離子束。圖10顯示了正離子進(jìn)入C1諧振腔前的離子束寬度a和離開C1諧振腔后的離子束寬度b，以及離開C2諧振腔后的離子束寬度c。

圖10：離子通過C1和C2后的寬度

3.2 離子束的加速

當(dāng)集中在一起后的正離子束被四極聚焦透鏡聚焦Q4聚焦后，向圖7中C3諧振腔的漂移管運(yùn)動，此時漂移管上的電壓呈負(fù)電性讓離子加速。當(dāng)離子離開C3漂移管時，C3漂移管呈現(xiàn)正電性，繼續(xù)讓正離子受斥力呈現(xiàn)加速運(yùn)動，以此實現(xiàn)離子的不間斷加速，增加離子能量。后續(xù)通過控制單元控制每一個RF電源的相位，即可實現(xiàn)離子通過每一個諧振腔都能呈現(xiàn)加速的狀態(tài)。

對于諧振腔漂移管的長度、相位和輸出幅值而言。從C3開始到C12，由于離子運(yùn)動速度越來越快，為了讓漂移管的電性和離子同步，在每個諧振腔頻率一定的情況下，相位轉(zhuǎn)化時間一定。因此需要逐漸增加往后每個漂移管的長度，以此來增加離子在漂移管中的運(yùn)動時間，讓控制單元能夠有足夠的時間轉(zhuǎn)換RF電源的極性，使離子呈現(xiàn)加速狀態(tài)。

由于C1和C2主要目的是集中束流使其離散化，加速功能不占主要目的，因此相位幾乎為330°±10°。從C3開始到C12，每個諧振腔之間由于相應(yīng)漂移管和RF電源之間的傳輸線長度不同，導(dǎo)致時間延遲不同，為了能讓離子一直呈現(xiàn)加速狀態(tài)，諧振腔的相位必須延時或提前，相鄰諧振腔在10-60°之間增加。諧振腔輸出幅度越大，差異越大。這是因為更大的電壓幅度偏差導(dǎo)致更短的離子運(yùn)動時間跨越兩個電極之間的間隙。同時隨著離子束能量的增加，在每個電極內(nèi)花費(fèi)的時間減少，每個連續(xù)的間隙也需要更高的相移。從C3開始到C12，為了增加離子的傳輸效率，簡化相位的運(yùn)算量，每個諧振腔的輸出電壓是一樣的。C1和C2作用不同，因此電壓不同。

3.3 離子束加速效率

離子注入機(jī)一般用來加速氫離子、硼離子等質(zhì)量較大的離子，離子運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速，因此采用駐波加速以獲得較高的加速效率。加速效率表示在一定的高頻RF功率下，諧振腔能建立多大場強(qiáng)的電勢場。加速效率受RF電源的頻率和諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸影響。一般RF電源的頻率越高，諧振腔尺寸越小，加速效率越高。離子注入機(jī)采用13.56MHz的頻率和400mm直徑的諧振腔加速正離子。

在結(jié)構(gòu)和RF頻率固定的情況下，直線加速器的加速效率與三個方面相關(guān)，分別是12個諧振腔之間的相位匹配，離子束的聚焦和離子束進(jìn)入諧振腔的入射角。

（1）當(dāng)諧振腔之間的相位不匹配時，離子運(yùn)動到某個諧振腔時，有的離子被加速，有的離子被減速，最終能夠在所有諧振腔都呈現(xiàn)加速的離子很少導(dǎo)致加速效率極低。

（2）當(dāng)離子束聚焦不好，離子束直徑過大時，由于正離子之間的斥力，直徑進(jìn)一步增大，部分離子會撞擊到漂移管上導(dǎo)致加速效率降低。

（3）當(dāng)離子束以一定角度進(jìn)入諧振腔漂移管時，當(dāng)注入角小于2mrad，離子束傳輸不受影響。當(dāng)大于2mrad離子束會由于偏轉(zhuǎn)撞擊導(dǎo)致加速效率降低。

4 結(jié)論

本文的主要工作有：

（1）闡述了連續(xù)離子流的離散化，

（2）討論了離子是如何加速的，以及每個漂移管的長度、相位和幅度的關(guān)系；

（3）利用等效電路的方法研究了諧振腔電壓放大原理；

（4）討論了離子注入機(jī)直線加速器的相位和頻率控制。

本文沒有對諧振腔的電磁場，采用HFSS進(jìn)行仿真和定性描述，沒有對駐波的形成和駐波加速原理進(jìn)行闡述，并且沒有對諧振腔的具體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行解釋，今后還需要對此方面進(jìn)行進(jìn)一步的補(bǔ)充。