CSNS強流負氫離子源及其改進

劉盛進，歐陽華甫，黃 濤，肖永川，曹秀霞，呂永佳，薛康佳，陳衛(wèi)東

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

中國散裂中子源(CSNS)作為中子散射多學科研究平臺，為生命科學、材料科學、化學、物理等領(lǐng)域的微觀研究提供了強有力的研究手段[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90%，未來束流功率將進一步提升至設(shè)計值100 kW。CSNS加速器包含1臺80 MeV負氫直線加速器、1臺1.6 GeV快循環(huán)質(zhì)子同步加速器。

負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的負氫束流注入DTL進行進一步加速。前端系統(tǒng)的主要設(shè)備有負氫離子源(IS)、低能傳輸段(LEBT，長度1.82 m)、射頻四級加速結(jié)構(gòu)(RFQ，長度3.688 m)及中能傳輸段(MEBT，長度3.002 m)[3-4]。在目前加速器的運行中，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。在對加速器工藝進行驗收測試時，RFQ入口負氫束流約為17.5 mA，出口負氫束流為16.5 mA，RFQ通過率為94.2%。為了匹配當前質(zhì)子打靶功率50 kW的要求，離子源出口的束流強度維持在25 mA，經(jīng)過50%切束后RFQ出口束流流強約為5.3 mA。供束期間，前端系統(tǒng)運行穩(wěn)定，供束效率達到99%。本文對前端系統(tǒng)中的強流負氫離子源進行改進研究。

1 負氫離子源

前端系統(tǒng)的總體布局如圖1所示。前端系統(tǒng)中的負氫離子源是潘寧型等離子體放電表面負氫離子源[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，同時也具有維護簡單及建造成本相對較低的特點，因此被多個實驗室選用作為負氫離子源[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極及等離子體縫板，銫蒸氣和氫氣通過陽極小孔進入到放電區(qū)。潘寧磁場作用于放電區(qū)，與陰極表面垂直，電子受到該磁場的約束在兩個陰極表面來回螺旋運動。在等離子體放電過程中，氫粒子與陰極表面碰撞俘獲電子從而形成負氫離子(H-)，這一機制是表面負氫離子源形成負氫離子的主要方式。負氫離子通過等離子體縫板縫隙被引出電極所形成的電場引出。在運行過程中，負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。當放電狀態(tài)不穩(wěn)定，伴隨著束流波動、束流弱，這種情況下需更換放電室，并重新起弧運行。在25 Hz-600 μs下運行，負氫束流通常維持在30 mA，放電室的壽命約為30 d，過去1 a期間，共使用10套放電室。對于目前運行的負氫離子源，銫可有效提高負氫的產(chǎn)額，在運行前后通過微天平的測量，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，被濺射出來的粒子會布滿整個放電區(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，嚴重時會導致放電室短路。隨束流波動的加劇，離子源將停止運行，備份的新放電室快速替代舊放電室，離子源再次起弧、運行。正常運行情況下，負氫流強大于20 mA，并能根據(jù)加速器運行要求進行調(diào)整。在低占空比(1 Hz-100 μs)束流引出時，引出電極表面沉積銫粒子，易引起高壓打火，甚至會造成束流中斷，這時需要通過高占空比(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 負氫離子源的改進

對于最初的潘寧負氫離子源的設(shè)計，分析磁鐵作為90°偏轉(zhuǎn)磁鐵，其主要作用為匹配引出電壓，確保負氫束流沿設(shè)計的軌道進入低能傳輸段，同時過濾從離子源引出的電子，潘寧磁場則由分析磁鐵頂端平面上兩個拓展磁極而產(chǎn)生。在負氫離子源調(diào)試過程中，分析磁鐵會隨引出電壓的變化而變化，分析磁鐵的變化影響潘寧磁場，因此穩(wěn)定的潘寧磁場對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10 kV的電勢差，當離子源起弧放電時，銫蒸氣從等離子體縫板縫隙飄逸出來沉積在拓展磁極表面，易引起打火，造成離子源的運行不穩(wěn)定。因此，通過對潘寧磁場的計算，設(shè)計用永磁鐵代替拓展磁極，圖5示出磁場隨偏轉(zhuǎn)角的變化。通過實驗測量和理論計算，對于17 keV的負氫束偏轉(zhuǎn)90°，磁感應(yīng)強度約為0.24 T。在這種情況下，其對應(yīng)的等離子體放電區(qū)間的潘寧磁場的磁感應(yīng)強度約為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。對于永磁鐵，Sm-Co磁鐵具有較高的熱穩(wěn)定性，通過霍爾計測量，該磁鐵表面磁感應(yīng)強度為0.6 T，安裝完成后，離子源放電區(qū)磁感應(yīng)強度約為0.2 T。因此該Sm-Co永磁鐵完全滿足潘寧放電對磁場的要求，其安裝如圖6所示。因此，利用永磁鐵的磁場作為潘寧磁場，一方面穩(wěn)定的潘寧磁場有利于離子源弧流的穩(wěn)定性，同時減少高壓打火；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。

圖5 磁場隨偏轉(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，如圖7所示。在地電位端增加了帽沿設(shè)計，帽沿的長度為45 mm，因此絕緣環(huán)的總長度增加了10 mm，但在真空一側(cè)的爬電距離卻增加100 mm。該設(shè)計確保了絕緣距離，增加了爬電距離，提高了絕緣性能，同時減弱絕緣距離的增加對束流光路的影響。圖8為改進離子源運行48 h的狀態(tài)，AC弧流約為45 A、加速高壓為50 kV、離子源出口負氫流強維持在40 mA。運行期間高壓維持在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。整個運行期間，弧流、高壓、束流流強保持穩(wěn)定。

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

3 小結(jié)

強流負氫離子源為中國散裂中子源的運行提供了穩(wěn)定的束流，同時離子源的改進進一步提高了運行的穩(wěn)定性。未來中國散裂中子源的升級需要更高流強和更高品質(zhì)的負氫束流，因此負氫離子源的性能研究仍需不斷改進。此外，新型RF射頻驅(qū)動負氫離子源也在研發(fā)、測試中。

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