860 A濺射負離子源電離器及電源的改進

安 坤，王廣甫,2,*，于令達，吳冰冰

(1.北京師范大學 核科學與技術學院 射線束技術與材料改性教育部重點實驗室，北京 100875；

2.北京市輻射中心，北京 100875)

串列加速器具有結構緊湊、在較低電壓下獲得較高能量等優點，被廣泛應用于材料和環境樣品的離子束分析中[1-3]。濺射負離子源是串列加速器最常采用的離子源，而電離器是濺射離子源的關鍵部件，因其工作在高溫下，成為濺射負離子源最易損的部件之一。近30年來，國內各串列加速器實驗室在運行中均先后研制了濺射離子源電離器或對其進行了改進[4-8]。北京師范大學GIC4117 2×1.7 MV串列加速器于1986年投入運行，并配備了860 A濺射負離子源[9]，1989年開始研制濺射源電離器，并對自制電離器形狀和結構進行了改進。本文將介紹電離器研制及對離子源電源做相應改進的情況。

1 離子源及電源的改進

1.1 電離器的改進

860 A濺射負離子源原裝電離器呈螺線管形[10]，其形狀和不連續的發射面使正離子在陰極表面的濺射區域較大。雖然陰極靶電流可達3 mA，但由于發射度過大，使通過加速器的傳輸效率較低[9]。為改善銫離子聚焦狀況，1990年，北京師范大學串列實驗室研制了一種鉭片筒形電離器，由于表面電離集中于電離器內襯鉭片內側，減少了雜散離子的產生。為進一步縮小濺射區域，1991年初又研制了鉭片球面形電離器[9]。球面形電離器的設計考慮了860 A型源體的最大允許尺寸及可提供的電離器加熱功率等因素，改善了銫束的聚焦，但不破壞860 A的源體結構、不改變引出部分的光學特性，且不影響860 A原裝電離器的使用。1993年開始使用中國科學院物理研究所和沈陽有色金屬加工廠研究所拉制的套管外徑2.5 mm、鉭絲直徑1 mm的鉭鎧裝熱絲[5]自制電離器。鉭鎧裝熱絲燒毀后，采用套管外徑為2.5 mm、鎳鉻絲直徑為0.5 mm的不銹鋼鎧裝熱絲繞制成球形電離器作為替代，并通過內襯電真空鎳網提高銫電離率。研制的球形電離器降低了離子源的發射度，提高了整個加速器的傳輸效率，并通過采用內襯電真空鎳網提高了銫的電離率[11]。但采用不銹鋼鎧裝熱絲后，因內絲較細電阻率較大，使電離器電阻增大，電離器電源與電離器不匹配，需對電離器電源進行改進。

1.2 電離器電源改進

離子源電離器供電電源如圖1所示，其中，R1為電離器，R2為調壓器，T1為變壓器。變壓器的兩個副線圈為并聯模式，每個子副線圈上的最大電壓和電流分別為18 V、20 A，R1上的最高電壓為18 V。

由于原鉭鎧裝熱絲繞制的電離器工作時電阻約為0.5 Ω，而普通不銹鋼鎧裝熱絲電離器電阻約為3.0 Ω，在原有電離器電源(18 V，40 A)的工作條件下，鉭鎧裝熱絲電離器最大電流可達36 A，實際工作于25 A以下，而不銹鋼鎧裝電離器最大電流僅達到6 A。因此，不銹鋼鎧裝熱絲電離器與原供電電源不匹配，電流較低，無法達到所需工作溫度。因此將電離器供電電源變壓器的次級線圈由原來的雙線包并聯改為串聯(圖2)，電離器的供電電源變為36 V、20 A，不銹鋼鎧裝熱絲電離器最大電流可達到12 A。為保證使用壽命，此電離器一般工作在11 A以下。經電源改進后，這種內襯鎳網的透射電離器能滿足常規離子束分析和MeV量級的離子注入的需求，自2007年在北京師范大學GIC4117 2×1.7 MV串列加速器上使用至今。

圖2 電離器改裝后供電電源

2012年10月，電離器電源的調壓器R2(0.7 kVA，50 Hz/60 Hz)燒毀。由于電離器電源懸浮于-20 kV的引出電壓上，通過尼龍桿調節調壓器來調節電離器電流，而高壓機箱空間有限，且國內無滿足需要的小尺寸750 W調壓器，本工作使用電壓連續可調的36 V、15 A的直流開關電源[12]作為電離器電源，通過尼龍桿調節一多圈電位器來連續調節開關電源的輸出電壓(圖3)。其中，R3為多圈電位器，分流器R4(20 A/75 mV)與表頭V(20 A/75 mV)構成電流表。為滿足不同電離器需求，本工作裝配了兩個開關電源，參數分別為0～36 V、15 A和0～18 V、30 A，前者對應原電離器電源變壓器次級線包串聯，適用于較大電阻的不銹鋼鎧裝熱絲電離器，后者對應線包并聯，適用于較小電阻的原裝電離器和自制鉭鎧裝熱絲電離器。

圖3 采用開關電源后電離器供電示意圖

1.3 浸沒透鏡電源改進

圖4 離子源供電示意圖

GIC4117 2×1.7 MV串列加速器在離子源和雙45°磁鐵之間用三圓筒浸沒透鏡對離子源引出束流進行聚焦，浸沒透鏡電源采用懸浮在引出電壓上的供電方式。由于原安裝于離子源電源柜高壓機箱內的浸沒透鏡電源燒毀，國內無法找到合適的10 kV 直流電源，故在實驗中采用連續可調的0～-20 kV的高壓電源代替，并將電源放置在離子源機箱外，處于地電位。如圖4所示，原浸沒透鏡電源0～10 kV懸浮在-20 kV的引出電壓上，透鏡中間圓筒實際對地電壓范圍為-10～-20 kV。改裝后，浸沒透鏡電源直接置于地電位，電壓范圍為0～-20 kV，包含原電壓范圍，可正常工作。

2 改進后運行情況

在改用直流開關電源作為濺射源電離器電源后，本實驗室對電離器電壓電流特性和對離子源引出束流的影響進行了測試。圖5示出了銫爐溫度為室溫、靶壓為6 kV、靶材料為鈦吸氫時，GIC4117 2×1.7 MV串列加速器前注入器H-流強和電離器電壓隨電離器加熱電流的變化情況。在電離器工作電流范圍內電離器電壓與電流呈線性關系，鎳鉻絲的電阻變化不大，基本穩定在3 Ω，原鉭裝熱絲電阻隨溫度變化[6]較明顯。電離器電流9 A時，對應電壓為27.4 V，即功率為246 W。

圖5 注入器H-流強及電離器電壓隨電離器加熱電流的變化

從圖5可看出，當電流小于7 A時，H-流強增大不明顯，電流為7～8 A時，H-流強增加很快，電流達8 A后，增長速率下降，出現一個平緩增長區，但仍未達最大值，本次試驗測得的最大H-流強為10 μA。若升高銫爐溫度，靶區銫流增大，可獲得更高的H-流強。

3 結論

自1991年，北京師范大學串列實驗室一直采用自制電離器。為解決高電阻不銹鋼鎧裝熱絲電離器的供電問題，對電離器供電電源進行了改進，并用連續可調直流開關電源代替原裝交流電源作為電離器電源。原裝浸沒透鏡燒毀后，用自制的置于地電位的0～-20 kV電源代替原懸浮于-20 kV引出電壓上的10 kV浸沒透鏡電源。自制電離器和離子源電源的改進解決了電離器供應問題，并保證了GIC4117 2×1.7 MV串列加速器的正常運行。

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