用于NPA標定系統的高頻離子源研制

萬 林， 付宏濤， 袁志凌， 汪 超， 臧臨閣， 羅小兵

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

1 引 言

NPA是對托卡馬克裝置中等離子體內通過電荷交換反應產生的中性粒子進行能譜測定的裝置，其測量結果對于分析在大功率加熱手段(ICRH、NBI)下快離子的約束、輸運及其與磁流體不穩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、束流強度可調的中性粒子對其進行系統標定.為了對核工業西南物理研究院用于HL-2A/M上的NPA裝置進行實驗標定，四川大學原子核科學技術研究所開展了NPA標定系統的研制工作，研制的NPA標定系統主要由高頻離子源、束流初聚系統、E×B速度選擇器、加速管、電四級透鏡、靜電偏轉板和中性化室等組成.本論文主要介紹研制的用于NPA標定系統上高頻離子源的參數設計及性能測試.

2 離子源與測試平臺

2.1 離子源

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

圖1 離子源: a—離子源結構示意圖. b—離子源實物圖.Fig. 1 Ion source: a- Schematic diagram of the ion source structure. b- Physical diagram of ion source.

放電管用復合系數很小的派熱克斯玻璃制成，其尺寸選擇為：內徑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、內徑29 mm、共4.5圈，線圈左右兩端保持對稱，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射面的石英玻璃(吸極套管)，其結構示意圖如圖2b所示.吸極的參數為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合，放電管的底座在管內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[3]從放電管底部通入，鈀管規格：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，實驗對工作電流在0～25A范圍內變化的氣體流量進行了測量，發現可實現氣體流量在0～120 ml/h范圍內的調節.束流初聚系統要求不改變離子能量而采用等徑的三圓筒單透鏡，根據CST模擬(圖2c所示)，確定圓筒內徑、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 離子源相關部件: a—耦合線圈. b—吸極結構. 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 測試平臺

測試平臺由高頻離子源、束流測量系統、真空抽氣系統和高頻電磁場的屏蔽罩等部件組成，如圖3所示.束流從吸極孔道引出，經初聚系統聚焦后進入鋁制法拉第筒進行束流強度的測量，法拉第筒內徑30 mm、深70 mm，筒前端添加φ30 mm的圓環作抑制次級電子的偏壓電極，偏置電壓U反取負60 V.使用ORTEC 439型束流積分儀和六路定標器獲取實驗數據，束流積分儀測量范圍為1 nA～10 mA，滿足實驗束流測量的量程需求. 真空抽氣系統由抽速為30 m3/h的機械泵、轉速為27000 r/min的分子泵和一臺微機型復合真空計等組成，監測點動態真空度為1.3×10-4Pa.

圖3 實驗測試平臺.Fig. 3 The test device.

為防止耦合線圈產生的高頻電磁場對儀器(引出電源、高頻電源和微機型復合真空計)造成干擾，實驗采用屏蔽罩將放電管、耦合線圈和振蕩電路包絡起來.屏蔽材料選擇鋁，厚度由趨膚深度(高頻磁場能夠穿透的深度)ds和磁場頻率f的關系式

(1)

來確定，經計算得磁場在鋁中的最大趨膚深度ds(f=40 MHz)≈13.7 μm，結合屏蔽罩的成型對鋁板有一定的強度要求，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電性能良好，除放電管散熱和電源輸入導線開孔外，無其他開孔.

3 測試與分析

3.1 離子源起弧

實驗的工作氣體為氫氣，利用真空抽氣系統將真空度抽到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.

離子源能夠準確起弧是進行束流測量和標定實驗的基礎，而放電管的清潔度是影響起弧的因素之一[3].經實驗操作發現，初次實驗前，用無水乙醇(或5%的氫氟酸)和去離子水先后對放電管進行清洗、干燥處理后，高頻離子源對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(機械泵的油蒸汽等有機物)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合系數，因此，應再次對放電管進行清洗.

3.2 束流測量與分析

離子源準確起弧且放電穩定后，通過調節引出電壓U引、聚焦電壓U聚、振蕩器板壓U板和放電氣壓P，測量束流強度I的變化曲線，據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.實驗在氣壓7.9×10-4Pa、板壓分別為460 V、550 V和640 V的條件下，通過調節引出電壓測量了束流強度的變化曲線如圖4所示，需要注意，改變引出電壓的同時應相應的改變聚焦電壓，保證引出束流完全進入法拉第筒.由圖可見，束流強度隨引出電壓的變化趨勢與二極管的伏安特性相似，且都在U引=1600 V時最大；在曲線的后半段，束流強度隨引出電壓的升高呈降低趨勢，分析認為：此時離子發射面內凹的曲率變大，呈“過聚焦”狀態，離子打到吸極內壁上，使束流降低[3].

圖4 引出電壓與束流強度的特性曲線.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，測量的束流強度與板壓的關系曲線，可以看出束流強度隨板壓的增加而升高，這是因為高頻振蕩器輸出功率受到電子管板壓(U板)調控，板壓越高則輸出功率越大，提供給放電管內等離子體的能量也越多，因此在引出電壓和氣壓不變時，表現為束流強度的升高.

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

放電管內的氣壓是影響束流強度的關鍵因素之一[3]，實驗一般都采用氣體流量Q作為反應放電管內氣壓的參數指標.經用排水法對氣體流量測量發現，環境溫度不同時，在相同的鈀管電流下，測量的氣體流量值不同，無法作為參考.因此，實驗采用真空室氣壓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，通過調節鈀管電流改變氣壓，測量了束流強度的變化曲線如圖6所示.可見，引出離子流強度隨氣壓的升高，在1.2×10-3Pa處有一極大值，其后隨之降低，這是因為放電管內的離子濃度隨氣壓的升高而增大，引出束流也相應增大，但氣壓高于1.2×10-3Pa后，進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高頻功率的吸收，導致氣體分子發生碰撞電離的幾率降低；另外，吸極內的氣壓隨著進氣量的增大而升高，導致離子與氣體分子的散射幾率和電荷交換幾率增大，進而促使束流強度呈降低趨勢變化.

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

3.3 束流穩定性分析

實驗對離子源束流的穩定性進行了研究，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秒計數的條件下測量了43分鐘內的穩定性如圖7所示，束流強度、最大束流和最小束流分別為35.6 μA、35.7 μA和35.0 μA，計算得束流穩定性優于1.7 %；改變板壓為580 V、氣壓為7.0×10-4Pa，在束流強度為41 μA 和10秒計數的條件下測量了4小時內的束流穩定性優于2.6 %，滿足NPA標定系統對束流穩定性的要求.

圖7 束流穩定性測量.Fig. 7 Beam stability measurement.

造成束流不穩定的因素有很多[4,6]，本實驗中主要取決于：(1)氣壓的波動直接影響到等離子體的密度和引出束流的大小，經過實驗測量發現，利用氫氣在鈀管上的穿透效應控制氣壓則至少需要對鈀管預熱40分鐘方能穩定，并且穩定后的氣壓還隨環境溫度變化而改變；(2)放電管溫度升高會影響高頻功率的耦合吸收，引起等離子體的不穩定，對此可用強風進行冷卻處理；(3)電源和振蕩電路元件，特別是實現功率輸出的電子管的不穩定性引起的束流變化，應選用功率大、頻譜純和噪聲小的電子管.

4 結 論

研制了用于HL-2A/M上NPA裝置標定系統中的高頻離子源，實驗對離子源的起弧，束流強度隨板壓、引出電壓和氣壓的變化關系，及束流的穩定性進行了系統研究.經實驗調試表明，工作氣體為氫氣時，在輸出束流為35.6 μA和41 μA的情況下，分別連續運行43分鐘和4小時，相應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的標定要求，且相關結果對NPA系統的標定具有重要的參考價值.