用于NPA标定系统的高频离子源研制

万 林， 付宏涛， 袁志凌， 汪 超， 臧临阁， 罗小兵

(1. 四川大学 原子核科学技术研究所, 成都 610064；2. 核工业西南物理研究院，成都 610041)

1 引 言

NPA是对托卡马克装置中等离子体内通过电荷交换反应产生的中性粒子进行能谱测定的装置，其测量结果对于分析在大功率加热手段(ICRH、NBI)下快离子的约束、输运及其与磁流体不稳定性的相互作用有重要意义[1,2].NPA在投入使用前，均需要用能量可变、束流强度可调的中性粒子对其进行系统标定.为了对核工业西南物理研究院用于HL-2A/M上的NPA装置进行实验标定，四川大学原子核科学技术研究所开展了NPA标定系统的研制工作，研制的NPA标定系统主要由高频离子源、束流初聚系统、E×B速度选择器、加速管、电四级透镜、静电偏转板和中性化室等组成.本论文主要介绍研制的用于NPA标定系统上高频离子源的参数设计及性能测试.

2 离子源与测试平台

2.1 离子源

高频离子源的组成包括离子产生部分 (放电管、高频振荡器 、供气系统)、离子引出部分(引出电极和聚焦电极)以及相关电源.图1a、b分别是其结构示意图和实物图.

图1 离子源: a—离子源结构示意图. b—离子源实物图.Fig. 1 Ion source: a- Schematic diagram of the ion source structure. b- Physical diagram of ion source.

放电管用复合系数很小的派热克斯玻璃制成，其尺寸选择为：内径24.6 mm、外径28 mm、长62 mm.高频功率采用电感耦合方式提供，耦合线圈用一根截面为2 mm×5 mm的纯铜管绕制而成，其长42 mm、内径29 mm、共4.5圈，线圈左右两端保持对称，如图2a所示.高频振荡器采用单只FU-19电子管组成的推挽式电路[5]，工作频率约为40MHz.引出电极包括阳极和吸极，阳极制成丝状，并用派热克斯玻璃把其与放电室隔开；吸极外套有用来建立离子发射面的石英玻璃(吸极套管)，其结构示意图如图2b所示.吸极的参数为D=2.66 mm，d=1.34 mm，h=2.66 mm，H=5.00 mm，满足理论上吸极的最佳尺寸[6].为了减小离子在金属表面的复合，放电管的底座在管内暴露的部分用石英套管屏蔽起来.工作气体利用氢气在钯管上的穿透效应[3]从放电管底部通入，钯管规格：纯度99.99%、外径2 mm、孔径0.6 mm和长度80 mm.钯管采用电流加热，实验对工作电流在0～25A范围内变化的气体流量进行了测量，发现可实现气体流量在0～120 ml/h范围内的调节.束流初聚系统要求不改变离子能量而采用等径的三圆筒单透镜，根据CST模拟(图2c所示)，确定圆筒内径、中间电极长、边缘电极长和电极间隙分别为30 mm、15 mm、30 mm和5 mm.电源包括：钯管电源、高频电源、引出电源和聚焦电源，其参数分别为：30 A DC/45 W，800 VAC/320 W，6 kV DC/240 W，8 kV DC/16 W.

图2 离子源相关部件: a—耦合线圈. b—吸极结构. c—CST模拟的单透镜聚焦.Fig. 2 Ion source components: a- The coupling coil. b- Profile of the extracting electrode. c- CST simulation of einzel lenses focusing.

2.2 测试平台

测试平台由高频离子源、束流测量系统、真空抽气系统和高频电磁场的屏蔽罩等部件组成，如图3所示.束流从吸极孔道引出，经初聚系统聚焦后进入铝制法拉第筒进行束流强度的测量，法拉第筒内径30 mm、深70 mm，筒前端添加φ30 mm的圆环作抑制次级电子的偏压电极，偏置电压U反取负60 V.使用ORTEC 439型束流积分仪和六路定标器获取实验数据，束流积分仪测量范围为1 nA～10 mA，满足实验束流测量的量程需求. 真空抽气系统由抽速为30 m3/h的机械泵、转速为27000 r/min的分子泵和一台微机型复合真空计等组成，监测点动态真空度为1.3×10-4Pa.

图3 实验测试平台.Fig. 3 The test device.

为防止耦合线圈产生的高频电磁场对仪器(引出电源、高频电源和微机型复合真空计)造成干扰，实验采用屏蔽罩将放电管、耦合线圈和振荡电路包络起来.屏蔽材料选择铝，厚度由趋肤深度(高频磁场能够穿透的深度)ds和磁场频率f的关系式

(1)

来确定，经计算得磁场在铝中的最大趋肤深度ds(f=40 MHz)≈13.7 μm，结合屏蔽罩的成型对铝板有一定的强度要求，选取的铝板厚度为0.4 mm.另外，屏蔽罩按正方体表面展开图裁剪后一体成型，保证了各连接处的导电性能良好，除放电管散热和电源输入导线开孔外，无其他开孔.

3 测试与分析

3.1 离子源起弧

实验的工作气体为氢气，利用真空抽气系统将真空度抽到1.3×10-4Pa，打开钯管电源给钯管加热向放电管输入工作气体，再打开高频电源施加一定的板压来提供气体放电所需的能量，使离子源起弧形成等离子体.

离子源能够准确起弧是进行束流测量和标定实验的基础，而放电管的清洁度是影响起弧的因素之一[3].经实验操作发现，初次实验前，用无水乙醇(或5%的氢氟酸)和去离子水先后对放电管进行清洗、干燥处理后，高频离子源对氢气的最低起弧电压可低于100 V[7]；但离子源在多次工作后，需要200 V～300 V电压方能保证其起弧，这是由于气体中的杂质(机械泵的油蒸汽等有机物)和吸极材料的溅射物等在放电管壁上形成一层薄膜，改变了壁上的离子复合系数，因此，应再次对放电管进行清洗.

3.2 束流测量与分析

离子源准确起弧且放电稳定后，通过调节引出电压U引、聚焦电压U聚、振荡器板压U板和放电气压P，测量束流强度I的变化曲线，据此来确定离子源的最佳工作条件.

等离子体两端施加有用来引出离子流的电压，称为引出电压.实验在气压7.9×10-4Pa、板压分别为460 V、550 V和640 V的条件下，通过调节引出电压测量了束流强度的变化曲线如图4所示，需要注意，改变引出电压的同时应相应的改变聚焦电压，保证引出束流完全进入法拉第筒.由图可见，束流强度随引出电压的变化趋势与二极管的伏安特性相似，且都在U引=1600 V时最大；在曲线的后半段，束流强度随引出电压的升高呈降低趋势，分析认为：此时离子发射面内凹的曲率变大，呈“过聚焦”状态，离子打到吸极内壁上，使束流降低[3].

图4 引出电压与束流强度的特性曲线.Fig. 4 Beam current versus extraction voltage.

图5是在引出电压1600 V、聚焦电压1550 V、气压分别为4.6×10-4Pa、6.9×10-4Pa和9.5×10-4Pa的条件下，测量的束流强度与板压的关系曲线，可以看出束流强度随板压的增加而升高，这是因为高频振荡器输出功率受到电子管板压(U板)调控，板压越高则输出功率越大，提供给放电管内等离子体的能量也越多，因此在引出电压和气压不变时，表现为束流强度的升高.

图5 板压与束流强度的特性曲线.Fig.5 Beam current versus anode voltage.

放电管内的气压是影响束流强度的关键因素之一[3]，实验一般都采用气体流量Q作为反应放电管内气压的参数指标.经用排水法对气体流量测量发现，环境温度不同时，在相同的钯管电流下，测量的气体流量值不同，无法作为参考.因此，实验采用真空室气压P作为放电管气压的参考，在引出电压1600 V、聚焦电压1550 V、板压580 V的条件下，通过调节钯管电流改变气压，测量了束流强度的变化曲线如图6所示.可见，引出离子流强度随气压的升高，在1.2×10-3Pa处有一极大值，其后随之降低，这是因为放电管内的离子浓度随气压的升高而增大，引出束流也相应增大，但气压高于1.2×10-3Pa后，进气速率的增加使电子的平均自由程减小而影响等离子体对高频功率的吸收，导致气体分子发生碰撞电离的几率降低；另外，吸极内的气压随着进气量的增大而升高，导致离子与气体分子的散射几率和电荷交换几率增大，进而促使束流强度呈降低趋势变化.

图6 气压与束流强度的特性曲线.Fig.6 Beam current versus gas pressure.

3.3 束流稳定性分析

实验对离子源束流的稳定性进行了研究，在板压500 V、引出电压1000 V、聚焦电压1000 V、气压7.9×10-4Pa和1秒计数的条件下测量了43分钟内的稳定性如图7所示，束流强度、最大束流和最小束流分别为35.6 μA、35.7 μA和35.0 μA，计算得束流稳定性优于1.7 %；改变板压为580 V、气压为7.0×10-4Pa，在束流强度为41 μA 和10秒计数的条件下测量了4小时内的束流稳定性优于2.6 %，满足NPA标定系统对束流稳定性的要求.

图7 束流稳定性测量.Fig. 7 Beam stability measurement.

造成束流不稳定的因素有很多[4,6]，本实验中主要取决于：(1)气压的波动直接影响到等离子体的密度和引出束流的大小，经过实验测量发现，利用氢气在钯管上的穿透效应控制气压则至少需要对钯管预热40分钟方能稳定，并且稳定后的气压还随环境温度变化而改变；(2)放电管温度升高会影响高频功率的耦合吸收，引起等离子体的不稳定，对此可用强风进行冷却处理；(3)电源和振荡电路元件，特别是实现功率输出的电子管的不稳定性引起的束流变化，应选用功率大、频谱纯和噪声小的电子管.

4 结 论

研制了用于HL-2A/M上NPA装置标定系统中的高频离子源，实验对离子源的起弧，束流强度随板压、引出电压和气压的变化关系，及束流的稳定性进行了系统研究.经实验调试表明，工作气体为氢气时，在输出束流为35.6 μA和41 μA的情况下，分别连续运行43分钟和4小时，相应的束流最大变化不超过1.7 %及2.6 %；离子源最高能够引出69 μA的离子束流，满足NPA的标定要求，且相关结果对NPA系统的标定具有重要的参考价值.