2.45GHz ECR等離子體源引出系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

李 鋼

安徽建筑大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 安徽合肥 230601;中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院等離子體物理研究所 安徽合肥 230031

隨著社會(huì)的發(fā)展,醫(yī)學(xué)技術(shù)的提升,質(zhì)子治療目前已經(jīng)成為理想的治療方法之一,質(zhì)子治療系統(tǒng)最重要組成部件是質(zhì)子加速器。在質(zhì)子放射治療系統(tǒng)中,采用了回旋加速器和同步加速器,由于采用了超導(dǎo)技術(shù),使回旋加速器的回旋能力極大增強(qiáng),相比于同步加速器,它可以產(chǎn)生持續(xù)的離子束,效果更好。超導(dǎo)回旋加速器的核心就是ECR離子源,電子回旋共振離子源是一種由高頻電磁波感應(yīng)的電場(chǎng)對(duì)電子進(jìn)行加熱,使其與中性氣體發(fā)生碰撞,從而形成一種高電荷態(tài)離子束[1-2]。ECR離子源的研究始于20世紀(jì)60年代末[3],美國(guó)、法國(guó)、中國(guó)等[4-7]均已開展了ECR離子源研究工作,ECR離子源已成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。引出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是ECR等離子體源中至關(guān)重要的因素之一,對(duì)等離子體的引出強(qiáng)度和分布有著決定性的影響。因此,引出系統(tǒng)設(shè)計(jì)在ECR等離子體源中被廣泛關(guān)注。本文將對(duì)2.45GHz ECR等離子體源引出系統(tǒng)進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)。首先詳細(xì)闡述2.45GHz ECR等離子體源引出系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、依據(jù)設(shè)計(jì)需求與目標(biāo),然后采用數(shù)值仿真的方法對(duì)ECR等離子體源放電腔的引出系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了滿足用于加速器的2.45GHz ECR等離子體源系統(tǒng)中引出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,最后對(duì)引出系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)并分析了引出系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要考慮關(guān)鍵因素。

1 引出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 引出系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

在離子源中,引出系統(tǒng)是一個(gè)非常關(guān)鍵的部件,它直接影響到引出束流的質(zhì)量。在離子源中,引出裝置的好壞直接影響到引出裝置的性能,需要滿足:(1)在質(zhì)子束的引出過(guò)程中,關(guān)鍵是能夠形成具有良好聚焦特性的束流,并盡可能降低可能出現(xiàn)的打火和不穩(wěn)定情況對(duì)束流性能的影響;(2)在一定的引出系統(tǒng)構(gòu)造條件下,要得到最大的束流強(qiáng)度,同時(shí)又要保持所需要的發(fā)射度,從而使束流得到最優(yōu)的聚焦;(3)在有混氣影響的條件下,要確保一定的氣阻,以保持源端和引出端間的壓力差值,以最大限度地增加氣體的利用率;(4)為了提高電極的使用壽命和降低系統(tǒng)的功耗,必須盡量減少二次電子和其他電子在引出區(qū)的電流;(5)為了響應(yīng)離子源不同的引出狀態(tài),ECR離子源引出系統(tǒng)應(yīng)盡可能具有可調(diào)節(jié)性。在此基礎(chǔ)上,對(duì)引出束流進(jìn)行綜合優(yōu)化,以減小因電極間的針尖放電及因非線性電場(chǎng)而導(dǎo)致的束流發(fā)射面積增大;(6)在離子源中,為了使其具有最小的發(fā)射度,在考慮到傳輸損耗的情況下,引出束流的總量應(yīng)該超過(guò)其達(dá)到加速器裝置進(jìn)口時(shí)的最大峰值。ECR離子源系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 ECR離子源系統(tǒng)示意圖

1.2 引出系統(tǒng)仿真

在離子源中,離子被高壓電場(chǎng)引出并加速,在傳輸過(guò)程中需要通過(guò)引出系統(tǒng)并形成離子束。了解離子在引出系統(tǒng)中的傳輸過(guò)程非常重要,因?yàn)樗梢蕴岣呤髻|(zhì)量、降低束流散度以及提高傳輸效率。在ECR等離子體源中,等離子體達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,其電勢(shì)對(duì)于離子束的引出起到了至關(guān)重要的作用。在引出離子束時(shí),需要產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差來(lái)克服空間電荷中和效應(yīng),這個(gè)電勢(shì)差的大小取決于等離子體中的電子密度和溫度。此外,束流中離子的比例、離子與等離子體相互作用等因素也會(huì)對(duì)離子源的引出性能產(chǎn)生影響。

對(duì)ECR等離子體源束流引出的模擬研究常用的程序包括IGUN[8]、PBGUNS[9]、KOBRA-INP[10]、WARP[11]、IBSimu[12]等。為了能使引出系統(tǒng)模擬的需求,最終選擇IBSimu作為研究ECR等離子體源束流引出的模擬程序。

IBSimu是一種用于模擬電子或離子束流引出與傳輸?shù)挠?jì)算程序,支持一維、二維、三維和圓柱對(duì)稱的模擬。該程序最初是用于模擬負(fù)氫離子源的引出與傳輸系統(tǒng),但后來(lái)被擴(kuò)展到支持正離子的模擬,但需要以相反的電勢(shì)進(jìn)行計(jì)算,以符合實(shí)際情況。

常見的引出系統(tǒng)有Pierce引出系統(tǒng)、兩電極、三電極以及多電極引出系統(tǒng)。對(duì)此ECR等離子體源引出系統(tǒng)采用了三電極結(jié)構(gòu),三種電極排列順序?yàn)?等離子體電極、加速電極、地電極。

利用IBSimu軟件計(jì)算所設(shè)計(jì)的引出系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,仿真物理模型如圖2,加速電極引出孔直徑為8mm,等離子體電極引出直徑為5mm。等離子體電極電壓大約10kV左右,抑制電極電壓為-2kV。

圖2 三電極物理模型

束流模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 三電極束流模擬圖

從圖示中可以看出,三電極引出系統(tǒng)引出的束流均勻且直線程度高,長(zhǎng)度約為200mm。經(jīng)過(guò)仿真結(jié)果的驗(yàn)證,該系統(tǒng)基本滿足實(shí)驗(yàn)需求。然而,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,我們必須充分考慮實(shí)驗(yàn)的具體要求和設(shè)備參數(shù),以確保離子源的穩(wěn)定性和性能得到最大化的提升。

在優(yōu)化引出裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí),我們可以通過(guò)改變電極的形狀和尺寸,調(diào)節(jié)電極之間的距離和角度,以及選擇合適的電壓和頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外,還可以采用微調(diào)裝置來(lái)調(diào)整電極的位置和角度,以進(jìn)一步提高離子的引出效率。

針對(duì)磁場(chǎng)控制,我們可以通過(guò)使用磁鐵或電磁鐵來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng),并使用磁場(chǎng)感應(yīng)探頭來(lái)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和均勻性。通過(guò)調(diào)整磁鐵或電磁鐵的位置和電流,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的精確控制。此外,還可以使用磁場(chǎng)補(bǔ)償裝置來(lái)調(diào)整磁場(chǎng)的均勻性,以減小磁場(chǎng)對(duì)離子引出的影響。

總之,對(duì)于三電極引出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,需要綜合考慮電極設(shè)計(jì)、引出裝置結(jié)構(gòu)和參數(shù)、磁場(chǎng)控制等方面的因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法,可以逐步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效地引出離子。

2 總結(jié)

本文初步設(shè)計(jì)了2.45GHz ECR等離子體引出系統(tǒng),并提供了相關(guān)參數(shù)。等離子體電極引出直徑為5mm,加速電極引出孔直徑為8mm,等離子體電極電壓大約為10kV,抑制電極電壓為-2kV。通過(guò)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),該設(shè)計(jì)基本滿足實(shí)驗(yàn)的需求。然而,在沒(méi)有考慮磁場(chǎng)和電場(chǎng)的影響下,束流才能表現(xiàn)出這樣的結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用中,電極材料、電極間距、引出孔直徑等因素都會(huì)影響束流強(qiáng)度。因此,在未來(lái)的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)中,需要綜合考慮這些因素,以優(yōu)化ECR等離子體源的性能。

此外,還需要在設(shè)計(jì)中考慮引出系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。穩(wěn)定性可以通過(guò)控制系統(tǒng)的參數(shù)和反饋機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn),確保系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中能夠保持穩(wěn)定的離子引出效率?？煽啃钥梢酝ㄟ^(guò)選擇高質(zhì)量的材料和組件,以及嚴(yán)格的制造和裝配過(guò)程來(lái)保證,從而減少故障和損壞的可能性。

最后,還需要考慮引出系統(tǒng)的安全性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)該考慮到高電壓和強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)操作人員和設(shè)備的潛在危險(xiǎn),并采取相應(yīng)的安全措施,如防護(hù)罩、遮蔽和隔離設(shè)備,以確保操作的安全性。

綜上所述,設(shè)計(jì)和優(yōu)化ECR等離子體源引出系統(tǒng)需要綜合考慮穩(wěn)定性、可靠性、匹配性和安全性等多個(gè)因素。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、可靠的離子引出,為科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用提供有力支持。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探索和改進(jìn)引出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和技術(shù),以滿足不斷發(fā)展的需求。