2章离子源

7，溅射离子源 sputtering ion source
利用阴极溅射现象产生固体离子的离子源。它 是产生负重离子的主要离子源，可分为离子束溅 射负离子源和等离子体溅射负离子源两种结构。 米德尔顿（Middleton）等发展的通用型负离子源 是前者的典型。它由钽丝组成的圆柱形表面电离 器产生5－10 KeV, 5-15 mA 的Cs+ 束轰击溅射靶， 同时有足量铯原子喷射靶的表面，降低其功函数。 这样可得到数百微安的各种重负离子，如Pt-, Cu-, Au-, Si-, C- 等达到150－300µA。
基于静电约束，用 高密度载能电子束产 生高电荷态离子的装 置。它由电子枪产生 一束细长的具有确定 能量的高密度强流电 子束，被一强的螺旋 管磁场聚焦，沿束形 成负空间电荷静电离 子阱，以捕获正离子 并使离子逐级电离， 直至达到受电子能量 限制的最高电荷态， 然后改变轴上电位分 布而引出离子。
EBIS装置由超高真空室、电子枪、漂浮管、 电子收集器、离子引出器、聚焦磁场以及工作气体或 外注入低电荷态离子源等组成。它的电离特性主要由 电子的能量、流强密度和束的长度决定。EBIS的电 子束长度约1m，当它短到1cm左右则称谓EBIT （Electron Bean Ion Trap，电子束离子阱）。后者已 有引出U92＋的记录！不同装置的 电子束能量范围为2~200keV 聚焦束流密度为 102－103A/cm2， 磁场强度为1－5T。 按其磁场结构可分为 “低温EBIS”和“室温EBIS”， 前者采用超导螺旋管， 后者则为普通磁体。
5，潘宁离子源 penning ion source
• 阴极发射的电子受磁场 约束并在静电阱中振荡， 发生碰撞电离形成高密 度等离子体。
• 它可以从阳极侧边开孔或反阴极中心开孔 在吸极电场作用下引出离子，分别称为径 向或轴向引出离子源。阴极引出离子密度 高，阳极引出高电荷态离子比例高。 • 按阴极结构可分为冷阴极和热阴极PIG源。 前者结构简单，但是弧压高（>1KV）影响 寿命，需冷却阴极或限制平均弧功率。
8，表面电离离子源 surface ionization ion source
• 利用表面电离现象，从高温金属表面蒸发、电离所吸收的原子 或分子使其成为离子的装置。它分为产生正离子和负离子两种 离子源。 • 正离子离子源适合电离具有低电离电位（≤5eV）的元素，如 一些碱金属、碱土金属和稀士金属元素；同时高温电离器需要 采用具有高功函数的材料，如钨、铼、铱或沸石（zeolite）。 • 负离子离子源适合电离具有高电子亲和势 (≥1.8eV) 的元素， 如卤素元素；高温电离器材料则要求其功函数低，如钨表面涂 一层单原子铯，铂表面涂碳或LaB6。 • 表面电离离子源的优点是引出离子的发射面稳定和元素选择性 好，且适合通常比较困难处理的碱金属和卤素元素。其缺点是 适用离子种类有限和热耗散太大。
第二章，离子源 ion source
1，引言
使中性原子、分子或原子团簇电离，并从中引出离子束的 装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位 素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子束薄膜 沉积装置、离子束分析装置、离子推进器以及受控热核 聚变装置的中性束注入器等设备的不可缺少的部件，且 对整体结构与性能起着决定性作用. 所有离子源都包含 • 1. 放电室、 • 2. 放电物质与功率的导入元件、 • 3. 维持放电稳定和离子寿命的约束电场或磁场结构， • 4. 离子引出 • 5。 抽气系统 等五大部分。
9，电子枪 electron gun
• 产生电子并从中引出电子束的器件或装置。它是阴极射线管、电 视机显像管、电子显微镜、电子束加工装置和电子加速器等装置 不可缺少的部件。它在真空条件下工作。根据不同用途，要求提 供电子束达到的参数包括能量、功率、流强、束斑尺寸和密度分 布等差别很大，已有众多类型电子枪。它们一般由阴极、聚束极 和阳极构成。阴极产生电子又称电子源，分为热发射、场致发射、 等离子体阴极等各种类型。电子在阳极与阴极间高电场作用下加 速达到所需能量并通过阳极孔引出，聚束极用以控制电子束流密 度和流强。此外，光阴极和微波阴极是为电子直线加速器研究的 新一代电子枪。
试题
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 按照加速电场和粒子轨道的形态，加速器可以分为 那四大类? 为什么把1 GeV作为中能与高能之分界? 加速器家族的发展分为哪三个根系? 加速器家族的发展分为哪三个根系? Cockcroft & Walton ; Van de Graff; Lawrence; Kerst;Kapchinskii各发明了什么加速器? PET是什么意思,主要应用什么放射性核,什么加速器 生产? Blagg peak是什么意思? 加速器对燃煤烟气的辐照处理的脱硫脱硝的过程,要 求加速器的种类和指标.
6，高频离子源 RF ion source
• 利用低压气体中高频放电现象的等离子体离子源。它的基本结 构包含放电管（石英或派勒克司玻璃管）、高频功率耦合回路、 进气管和离子引出系统。许多源都有10-3－10-2 T的磁场（纵 向场、横向场或多极会切场）以提高等离子体密度并改善其分 布。源的典型工作参数为气压10-3－10-2 Torr 高频振荡器频率 1－100 MHz、功率几百瓦。RF离子源按高频功率耦合方式分 为电容耦合型和电感耦合型。后者居多，一般将RF线圈放在 放在电管外面，近来也采用天线结构装入放电室内。RF离子 源最大优点是结构简单、无灯丝，因而寿命长和等离子体中杂 质元素少。它适用包括氧的所有气体，在加速器和半导体工业 中广泛应用。它利用栅网引出结构可制成大面积（如φ10cm） 大束流（如300mA）适用于离子推进器和中性束注入器。此 外 ， 已 经 发 展 新 型 RF 会 切 场 离 子 源 ， 可 引 出 H- 离 子 束 （~40mA）和金属Cu+离子。
按照产生离子的不同方法（电子碰撞电离、热表面 电离、粒子束表面轰击电离、场致发射电离等）， 各种应用所需离子束的基本特征（种类：质子 （氘）、重离子、团簇离子、极化离子、放射性离子； 电荷态：正、负离子，高电荷态离子；束流参数：能 量、流强、发射度、能散度、束径等） 离子源结构中主要元件的特征（阴极：冷阴极、热 阴极、空心阴极、等离子体阴极等；约束场：永磁体、 超导磁场、磁镜场、会切场、均匀磁场、静电阱等； 放电功率源：射频、微波、电子束等；引出结构：轴 向或侧向、膨胀杯、多孔、多电极等）， 已经研制、生产出很多类型的离子源，形成不同系列和 名称。
• 冷阴极材料以Ti钛、Ta钽为 好。 • 热阴极有：热灯丝、间接加 热块状阴极(Ta 、W)及等离 子 体 自 热 阴 极 （ Ta 、 LaB6 等）。 • 热阴工作允许低孤压大弧流， 有利于产生高电荷态离子。 • 冷阴极的典型离子流为 ≤5mA • 热阴极PIG源的典型离子流 为≤100mA， • 最高电荷态分别为xe13+氙和 Xe16 ＋ 。利用溅射电极容易 获得高电荷态金属离子 • PIG源多才多艺，广泛用于 各类重离子加速器和离子束 设备。它的主要缺点是束流 品质欠佳和高功率下寿命短。
标准型离子源结构示意图
微波窗不 真空密封， 经济安全 线圈地电位，位置可调，可 优化场形 三电极 引出系 统，简 单
不同材料内 衬，增加质 子比
真空隔离 高压，方 便调整。
离源实验台架
微波系统及标准型离子源
励磁线圈
紧凑型离子源与各种形式放电室
3，电子束离子源 electron beam ion source（EBIS）
2，电子回旋共振离子源（ECR）
基于磁场中电子回旋共振，微波加热电离的磁约束等离子体离子源。 ECR条件为BC＝0.0357f (T/GHz)，式中f为微波频率，BC为磁场强度。 它可分为产生高电荷态离子的ECR离子源（f>2.45 GHZ）和产生强 流单电荷离子的微波离子源（f≤2.45GHz）。两者磁场结构也不同。前者 按最小磁场原理，由轴向磁镜场叠加径向多极场而成，使放电室中央的 磁场强度最小，室壁附近最强，其间存在一个闭合的ECR等磁场面。最 高场强越高越有利于高电荷态离子的产生，因此有的采用超导磁场结构。 微波离子源是简单的螺旋管磁镜场。当磁场强度略高于共振值，结 合高气压条件（>1Pa）实现不完全共振加热，可以更有效吸收微波能量， 从而达到1013／cm3的电子密度，引出很强离子流。这时微波窗的位置和 结构是影响离子源性能和寿命的关健问题。
注明结构名称12345
说明溅射离子源工作过程
AMS用什么离子源
10，放射性核束离子源
Radioactive Nuclear Beam Ion Source
产生放射性核束的设备。一般采取两种不同的方法，即弹核 碎裂法(PF法)和在线同位素法(ISOL法)。利用中能或高能 重离子束(50MeV/u～1GeV/u)打薄的核靶，炮弹核发生碎 裂，产生所需要的放射性核，并以与炮弹核相近的速度向 前方飞出。利用分离和输运系统，经过收集分离和纯化并 形成束流。由于一般中、高能重离子束流较弱(1011 ～ 1012 粒子/秒)只能用薄靶，而且弹核碎裂的开放反应道很 多，产生指定放射性核的截面小，固放射性核束流强度低， 目前一般在108 粒子/秒以下。而且，PF法的放射性束流 纯度低，束流品质差，束流能量固定，其每个核子能量与 初级重离子束能量相近，很难用于低能核物理研究。
又 名 PIG 离 子 源 ， 因 与 F.M.Penning发明和Philips 公司制造电离规Ionization Gauge相关的首字母缩写 词PIG而得名。 它的基本组成是处在 轴向磁场中的一个管形空 心阳极及一对阴极。两阴 极同轴放置在阳极两端， 其中一个为主要电子源称 为阴极，另一个与它构成 轴向静电电子阱称为反阴 极。
为了克服上述缺点，把PF装置产生的放射性核束注入 到储存环中去，进行进一步加工或者加以冷却，以改 善束流品质(即束流发射度和能量分辨)，或者进一步加 速或减速以满足物理实验的要求。在线同位素分离法 应用几十MeV到1GeV能量的强流(几百µA～mA)的轻 粒子束打厚靶，通过各种核反应产生放射性核素。为 了使奇异核素能迅速地从靶中扩散出来并从表面解吸， 靶必须运行在非常高的温度下(1300℃－2000℃)，为 避免靶材料在这样高的温度下气化和升华，要求它必 须是具备低蒸汽压的耐高温材料。一般来说，奇异核 素产生的几率为10-3量级。从厚靶中扩散出来的奇异核 素是中性原子，必须首先将它们在离子源中离化为离 子才能对之分析加速以供物理实验用。离子源必须有 较高的电离效率；低的发射度；离子源必须能在高温 下运行。适宜于在线同位素分离器的离子源有表面电 离源， ECR源和气体放电型离子源等