2.45GHz ECR等离子体源引出系统初步设计

李 钢

安徽建筑大学电子与信息工程学院 安徽合肥 230601;中国科学院合肥物质研究院等离子体物理研究所 安徽合肥 230031

随着社会的发展,医学技术的提升,质子治疗目前已经成为理想的治疗方法之一,质子治疗系统最重要组成部件是质子加速器。在质子放射治疗系统中,采用了回旋加速器和同步加速器,由于采用了超导技术,使回旋加速器的回旋能力极大增强,相比于同步加速器,它可以产生持续的离子束,效果更好。超导回旋加速器的核心就是ECR离子源,电子回旋共振离子源是一种由高频电磁波感应的电场对电子进行加热,使其与中性气体发生碰撞,从而形成一种高电荷态离子束[1-2]。ECR离子源的研究始于20世纪60年代末[3],美国、法国、中国等[4-7]均已开展了ECR离子源研究工作,ECR离子源已成为国际上研究的热点。引出系统的设计是ECR等离子体源中至关重要的因素之一,对等离子体的引出强度和分布有着决定性的影响。因此,引出系统设计在ECR等离子体源中被广泛关注。本文将对2.45GHz ECR等离子体源引出系统进行初步的设计。首先详细阐述2.45GHz ECR等离子体源引出系统设计准则、依据设计需求与目标,然后采用数值仿真的方法对ECR等离子体源放电腔的引出系统进行设计,根据仿真与实验结果确定了满足用于加速器的2.45GHz ECR等离子体源系统中引出系统设计方案,最后对引出系统设计进行了总结并分析了引出系统在实际设计中需要考虑关键因素。

1 引出系统设计

1.1 引出系统设计目标

在离子源中,引出系统是一个非常关键的部件,它直接影响到引出束流的质量。在离子源中,引出装置的好坏直接影响到引出装置的性能,需要满足:(1)在质子束的引出过程中,关键是能够形成具有良好聚焦特性的束流,并尽可能降低可能出现的打火和不稳定情况对束流性能的影响;(2)在一定的引出系统构造条件下,要得到最大的束流强度,同时又要保持所需要的发射度,从而使束流得到最优的聚焦;(3)在有混气影响的条件下,要确保一定的气阻,以保持源端和引出端间的压力差值,以最大限度地增加气体的利用率;(4)为了提高电极的使用寿命和降低系统的功耗,必须尽量减少二次电子和其他电子在引出区的电流;(5)为了响应离子源不同的引出状态,ECR离子源引出系统应尽可能具有可调节性。在此基础上,对引出束流进行综合优化,以减小因电极间的针尖放电及因非线性电场而导致的束流发射面积增大;(6)在离子源中,为了使其具有最小的发射度,在考虑到传输损耗的情况下,引出束流的总量应该超过其达到加速器装置进口时的最大峰值。ECR离子源系统如图1所示。

图1 ECR离子源系统示意图

1.2 引出系统仿真

在离子源中,离子被高压电场引出并加速,在传输过程中需要通过引出系统并形成离子束。了解离子在引出系统中的传输过程非常重要,因为它可以提高束流质量、降低束流散度以及提高传输效率。在ECR等离子体源中,等离子体达到稳态后,其电势对于离子束的引出起到了至关重要的作用。在引出离子束时,需要产生一个电势差来克服空间电荷中和效应,这个电势差的大小取决于等离子体中的电子密度和温度。此外,束流中离子的比例、离子与等离子体相互作用等因素也会对离子源的引出性能产生影响。

对ECR等离子体源束流引出的模拟研究常用的程序包括IGUN[8]、PBGUNS[9]、KOBRA-INP[10]、WARP[11]、IBSimu[12]等。为了能使引出系统模拟的需求,最终选择IBSimu作为研究ECR等离子体源束流引出的模拟程序。

IBSimu是一种用于模拟电子或离子束流引出与传输的计算程序,支持一维、二维、三维和圆柱对称的模拟。该程序最初是用于模拟负氢离子源的引出与传输系统,但后来被扩展到支持正离子的模拟,但需要以相反的电势进行计算,以符合实际情况。

常见的引出系统有Pierce引出系统、两电极、三电极以及多电极引出系统。对此ECR等离子体源引出系统采用了三电极结构,三种电极排列顺序为:等离子体电极、加速电极、地电极。

利用IBSimu软件计算所设计的引出系统进行了仿真,仿真物理模型如图2,加速电极引出孔直径为8mm,等离子体电极引出直径为5mm。等离子体电极电压大约10kV左右,抑制电极电压为-2kV。

图2 三电极物理模型

束流模拟结果如图3所示。

图3 三电极束流模拟图

从图示中可以看出,三电极引出系统引出的束流均匀且直线程度高,长度约为200mm。经过仿真结果的验证,该系统基本满足实验需求。然而,在实际设计中,我们必须充分考虑实验的具体要求和设备参数,以确保离子源的稳定性和性能得到最大化的提升。

在优化引出装置的结构和参数时,我们可以通过改变电极的形状和尺寸,调节电极之间的距离和角度,以及选择合适的电压和频率来实现。此外,还可以采用微调装置来调整电极的位置和角度,以进一步提高离子的引出效率。

针对磁场控制,我们可以通过使用磁铁或电磁铁来产生磁场,并使用磁场感应探头来监测磁场的强度和均匀性。通过调整磁铁或电磁铁的位置和电流,可以实现对磁场的精确控制。此外,还可以使用磁场补偿装置来调整磁场的均匀性,以减小磁场对离子引出的影响。

总之,对于三电极引出系统的设计和优化,需要综合考虑电极设计、引出装置结构和参数、磁场控制等方面的因素。通过实验和仿真相结合的方法,可以逐步优化系统设计,确保系统能够稳定、高效地引出离子。

2 总结

本文初步设计了2.45GHz ECR等离子体引出系统,并提供了相关参数。等离子体电极引出直径为5mm,加速电极引出孔直径为8mm,等离子体电极电压大约为10kV,抑制电极电压为-2kV。通过模拟结果发现,该设计基本满足实验的需求。然而,在没有考虑磁场和电场的影响下,束流才能表现出这样的结果。实际应用中,电极材料、电极间距、引出孔直径等因素都会影响束流强度。因此,在未来的磁场设计中,需要综合考虑这些因素,以优化ECR等离子体源的性能。

此外,还需要在设计中考虑引出系统的稳定性和可靠性。稳定性可以通过控制系统的参数和反馈机制来实现,确保系统在长时间运行中能够保持稳定的离子引出效率。可靠性可以通过选择高质量的材料和组件,以及严格的制造和装配过程来保证,从而减少故障和损坏的可能性。

最后,还需要考虑引出系统的安全性。在设计过程中,应该考虑到高电压和强磁场对操作人员和设备的潜在危险,并采取相应的安全措施,如防护罩、遮蔽和隔离设备,以确保操作的安全性。

综上所述,设计和优化ECR等离子体源引出系统需要综合考虑稳定性、可靠性、匹配性和安全性等多个因素。通过合理的设计和优化,可以实现高效、稳定、可靠的离子引出,为科学研究和实际应用提供有力支持。未来的研究可以进一步探索和改进引出系统的设计方法和技术,以满足不断发展的需求。