2.45GHz ECR等離子體源引出系統初步設計

李 鋼

安徽建筑大學電子與信息工程學院 安徽合肥 230601;中國科學院合肥物質研究院等離子體物理研究所 安徽合肥 230031

隨著社會的發展,醫學技術的提升,質子治療目前已經成為理想的治療方法之一,質子治療系統最重要組成部件是質子加速器。在質子放射治療系統中,采用了回旋加速器和同步加速器,由于采用了超導技術,使回旋加速器的回旋能力極大增強,相比于同步加速器,它可以產生持續的離子束,效果更好。超導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的電場對電子進行加熱,使其與中性氣體發生碰撞,從而形成一種高電荷態離子束[1-2]。ECR離子源的研究始于20世紀60年代末[3],美國、法國、中國等[4-7]均已開展了ECR離子源研究工作,ECR離子源已成為國際上研究的熱點。引出系統的設計是ECR等離子體源中至關重要的因素之一,對等離子體的引出強度和分布有著決定性的影響。因此,引出系統設計在ECR等離子體源中被廣泛關注。本文將對2.45GHz ECR等離子體源引出系統進行初步的設計。首先詳細闡述2.45GHz ECR等離子體源引出系統設計準則、依據設計需求與目標,然后采用數值仿真的方法對ECR等離子體源放電腔的引出系統進行設計,根據仿真與實驗結果確定了滿足用于加速器的2.45GHz ECR等離子體源系統中引出系統設計方案,最后對引出系統設計進行了總結并分析了引出系統在實際設計中需要考慮關鍵因素。

1 引出系統設計

1.1 引出系統設計目標

在離子源中,引出系統是一個非常關鍵的部件,它直接影響到引出束流的質量。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)在質子束的引出過程中,關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的打火和不穩定情況對束流性能的影響;(2)在一定的引出系統構造條件下,要得到最大的束流強度,同時又要保持所需要的發射度,從而使束流得到最優的聚焦;(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的功耗,必須盡量減少二次電子和其他電子在引出區的電流;(5)為了響應離子源不同的引出狀態,ECR離子源引出系統應盡可能具有可調節性。在此基礎上,對引出束流進行綜合優化,以減小因電極間的針尖放電及因非線性電場而導致的束流發射面積增大;(6)在離子源中,為了使其具有最小的發射度,在考慮到傳輸損耗的情況下,引出束流的總量應該超過其達到加速器裝置進口時的最大峰值。ECR離子源系統如圖1所示。

圖1 ECR離子源系統示意圖

1.2 引出系統仿真

在離子源中,離子被高壓電場引出并加速,在傳輸過程中需要通過引出系統并形成離子束。了解離子在引出系統中的傳輸過程非常重要,因為它可以提高束流質量、降低束流散度以及提高傳輸效率。在ECR等離子體源中,等離子體達到穩態后,其電勢對于離子束的引出起到了至關重要的作用。在引出離子束時,需要產生一個電勢差來克服空間電荷中和效應,這個電勢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對離子源的引出性能產生影響。

對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的計算程序,支持一維、二維、三維和圓柱對稱的模擬。該程序最初是用于模擬負氫離子源的引出與傳輸系統,但后來被擴展到支持正離子的模擬,但需要以相反的電勢進行計算,以符合實際情況。

常見的引出系統有Pierce引出系統、兩電極、三電極以及多電極引出系統。對此ECR等離子體源引出系統采用了三電極結構,三種電極排列順序為:等離子體電極、加速電極、地電極。

利用IBSimu軟件計算所設計的引出系統進行了仿真,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,三電極引出系統引出的束流均勻且直線程度高,長度約為200mm。經過仿真結果的驗證,該系統基本滿足實驗需求。然而,在實際設計中,我們必須充分考慮實驗的具體要求和設備參數,以確保離子源的穩定性和性能得到最大化的提升。

在優化引出裝置的結構和參數時,我們可以通過改變電極的形狀和尺寸,調節電極之間的距離和角度,以及選擇合適的電壓和頻率來實現。此外,還可以采用微調裝置來調整電極的位置和角度,以進一步提高離子的引出效率。

針對磁場控制,我們可以通過使用磁鐵或電磁鐵來產生磁場,并使用磁場感應探頭來監測磁場的強度和均勻性。通過調整磁鐵或電磁鐵的位置和電流,可以實現對磁場的精確控制。此外,還可以使用磁場補償裝置來調整磁場的均勻性,以減小磁場對離子引出的影響。

總之,對于三電極引出系統的設計和優化,需要綜合考慮電極設計、引出裝置結構和參數、磁場控制等方面的因素。通過實驗和仿真相結合的方法,可以逐步優化系統設計,確保系統能夠穩定、高效地引出離子。

2 總結

本文初步設計了2.45GHz ECR等離子體引出系統,并提供了相關參數。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。通過模擬結果發現,該設計基本滿足實驗的需求。然而,在沒有考慮磁場和電場的影響下,束流才能表現出這樣的結果。實際應用中,電極材料、電極間距、引出孔直徑等因素都會影響束流強度。因此,在未來的磁場設計中,需要綜合考慮這些因素,以優化ECR等離子體源的性能。

此外,還需要在設計中考慮引出系統的穩定性和可靠性。穩定性可以通過控制系統的參數和反饋機制來實現,確保系統在長時間運行中能夠保持穩定的離子引出效率。可靠性可以通過選擇高質量的材料和組件,以及嚴格的制造和裝配過程來保證,從而減少故障和損壞的可能性。

最后,還需要考慮引出系統的安全性。在設計過程中,應該考慮到高電壓和強磁場對操作人員和設備的潛在危險,并采取相應的安全措施,如防護罩、遮蔽和隔離設備,以確保操作的安全性。

綜上所述,設計和優化ECR等離子體源引出系統需要綜合考慮穩定性、可靠性、匹配性和安全性等多個因素。通過合理的設計和優化,可以實現高效、穩定、可靠的離子引出,為科學研究和實際應用提供有力支持。未來的研究可以進一步探索和改進引出系統的設計方法和技術,以滿足不斷發展的需求。