一种基于磁性阳极结构的小型化潘宁离子源

技术领域

本发明涉及一种离子源技术领域，具体涉及了一种具有磁性结构的阳极及基于该阳极结构的小型化潘宁离子源。

背景技术

离子源是产生带电粒子束的装置。它为加速器提供带电粒子束，是加速器的关键部件之一。

潘宁离子源能在低气压下稳定工作，具有结构和供电系统相对简单、工作寿命长和易于小型化的特点，在石油测井和地质勘探等方面获得广泛的应用。如图1所示，潘宁离子源主要由相对固定的磁钢和磁环、阳极、相对固定的第一阴极和第二阴极等组成。在阳极和第一阴极及第二阴极之间加上一定幅值的高压后，阴极因场致发射产生电子，电子先在第一阴极/第二阴极-阳极的电场作用下加速，后在阳极-第二阴极/第一阴极的电场作用下减速，在阴极边界速度为零，随后反向加速向阳极运动，轴向无法逸出对阴极，纵向在轴向磁场的作用下无法向阳极壁扩散。为了增加电子与离子源工作气体之间的碰撞电离机会，一般采用两种方法，1)提高阳极电压，使得电子获得更高的能量，增大放电电流；2)轴向磁场强度增加，使得电子作螺旋线的同时，降低螺旋线半径，同时增加电子密度。但是，对于小型化的潘宁离子源来说，当电压增大到一定程度时，有可能使得部分电子直接落到阳极上，造成电子与离子源工作气体的碰撞几率减小，反而不利于放电，此时增大轴向磁场强度，可以使得螺旋线半径减小，增加了电子与离子源工作气体碰撞电离的几率，又可以避免电子直接落在阳极上，同时增加了电子密度，使得离子源放电电流进一步增大。

小型化潘宁离子源结构简单、紧凑，为了更好地实现离子源工作气体的碰撞电离，离子源对磁路结构的设计等有一系列的要求，如设计的离子源内部磁场强度高、磁铁的轴向衰减系数小等。总之，在一定程度上，选用性能优良的磁性材料、合理设计磁路结构和增加磁场强度和磁场的均匀度等，可以有效提高离子源工作气体电离后的等离子体密度和放电电流，也能提高离子源的引出束流的原子离子比，改善离子束的发散程度等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有磁性的阳极结构和基于该阳极的小型化潘宁离子源，解决在现有技术条件下潘宁离子源引出束流的原子离子比不高问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于磁性阳极结构的小型化潘宁离子源，其特征在于，包含磁钢(1)、第一阴极(2)、阳极(3)、第二阴极(4)和磁环(5)，所述阳极(3)为筒状的可导电磁环，阳极(3)的轴向设有阳极孔(32)，所述第一阴极(2)和第二阴极(4)分别位于阳极(3)的两端，所述磁钢(1)设置在第一阴极(2)的外侧，所述磁环(5)设置在第二阴极(4)的外侧；

所述第一阴极(2)及第二阴极(4)与所述阳极(3)之间电压超过阈值电压以后，在充有低压气体的电极之间产生自持放电；在这个磁电系统中，电子在电场和磁场的共同作用下做螺旋线运动，从而产生潘宁等离子体。

作为优选，所述阳极(3)的电压为1000-3000V。

作为优选，所述阳极(3)的截面为环形，管壁(31)厚度为2-5mm，所述阳极孔(32)的截面直径为5-12mm。

作为优选，所述阳极(3)的材料为具有较高硬度和熔点的可导电的磁性材料。

作为优选，所述阳极(3)的材料为铁氧体可导电的磁性材料。

作为优选，所述第一阴极(2)和所述第二阴极(4)的厚度为2-10mm。

作为优选，所述第一阴极(2)和所述第二阴极(4)的厚度优选为5mm。

所述磁钢(1)及磁环(5)的充磁方向相同，同时配合阳极(3)产生的同向轴向磁场，可以有效的增强离子源轴向磁场的磁场强度和均匀度，从而实现潘宁等离子体密度的提高和控制。

作为优选，所述磁钢(1)及磁环(5)的充磁方向为轴向，磁场强度为1000-10000Gs，充磁方向相同。

作为优选，所述磁钢(1)及磁环(5)需采用磁能积高、工作温度和居里温度高度高、性能稳定的磁性材料制作而成。

一种基于磁性阳极结构的小型化潘宁离子源，其特征在于：为三电极结构，主要包括第一阴极(I)、磁性阳极(II)和第二阴极(III)，所述磁性阳极(II)为筒状的可导电的耐温高磁能积磁环，磁性阳极(II)的轴向设有阳极孔，位于第一阴极(I)和第二阴极(III)之间；

第一阴极(I)及第二阴极(III)与磁性阳极(II)之间电压超过阈值电压以后，在充有低压气体的电极之间产生自持放电；在这个磁电系统中，电子在电场和磁场的共同作用下做螺旋线运动，从而产生潘宁等离子体；所述磁性阳极(II)产生的高强度和均匀度的轴向磁场，有利于实现潘宁等离子体密度的提高和控制，以及潘宁离子源的进一步小型化。

作为优选，具有磁性的阳极II，其中心圆孔的中轴线与束流引出方向一致；所述磁性阳极(II)的截面为环形，中心圆孔的截面的直径为5mm-12mm，磁性阳极(II)的管壁厚度为2mm-5mm；

离子源通过潘宁放电的原理产生目标离子束，由于潘宁离子源的尺寸限制，其产生的轴向磁场强度和均匀度均无法保证，进而导致大量电子损失在磁性阳极(II)上。磁性阳极(II)采用具有磁性的可导电的材料和筒状结构，通过产生高磁场强度和均匀度的轴向磁场，使得电子被很好的约束在阴阳极之间的放电区域，从而增大电子的运行轨迹，提高电子与离子源工作气体之间的碰撞频率和气体的电离率，进而获得较高的引出束流的原子离子比。具有提高原子离子比的磁性阳极中，阳极孔的中心轴线与束流引出方向平行。在小型化潘宁离子源中，离子源中的等离子体的密度主要依靠磁场产生的挤压作用，增大磁场强度，能增大离子密度，也可以增加电子在放电区域的轨迹长度，增加气体分子和气体离子的电离机会，从而达到提高原子离子比的目的。本发明正是发现了潘宁离子源中电磁场对离子源工作气体电离的影响过程具有上述的特征，特别设计了本方案中的带有磁性的阳极结构。这样，通过增强离子源轴向磁场的磁场强度和均匀度，增加电子在放电区域的轨迹长度，增大离子源工作气体和电子的碰撞几率，增强离子源工作气体的电离率，从而实现离子源原子离子比的提高。同时，该发明所涉及到的阳极的中心孔区域基本上为均匀的轴向磁场，该电磁场对潘宁离子源中的电子的约束能力更强，有利于增加气体分子与电子之间的电离机会。因而，本发明所涉及到的磁性阳极结构对于提高潘宁离子源的原子离子比具有积极的作用。

潘宁离子源的两个阴极外侧放置所述磁钢(1)和所述磁环(5)，有利于对磁性阳极(3)产生的轴向磁场进行补偿，进一步增强小型化潘宁离子源内部轴向磁场的磁场强度和均匀度；

所述第一阴极及所述第二阴极和所述阳极之间通过场致发射的方式产生电子，电子在较高强度和均匀度的电磁场作用下在阴阳极之间做加减速和螺旋线运动，产生高密度潘宁等离子体。高密度潘宁等离子体通过所述第二阴极的阴极孔引出，所述第二阴极的阴极孔所在平面垂直于离子的引出方向。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过一个具有磁性的阳极结构提高小型化潘宁离子源的原子离子比，同时本发明在所述第一阴极和所述第二阴极的外侧放置所述磁钢和所述磁环，有效的对阳极产生的轴向磁场加以补偿，并进一步提高了轴向磁场的磁场强度和均匀度。本发明结构简单紧凑，离子束流光学设计简单，加工成本低，易于实现小型化。

本发明通过一个具有磁性的阳极结构增强离子源轴向磁场的磁场强度和均匀度，增加电子在放电区域的轨迹长度，增大离子源工作气体和电子的碰撞几率，增大离子源工作气体的电离率，从而实现离子源原子离子比的提高，同时该类型离子源结构简单，制造成本低，寿命长，易于实现小型化。

附图说明

此处说明的附图用来提供对本发明实例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成本发明实施例的限定。在本附图中：

图1为本发明的实施例1中建立的小型化潘宁离子源的几何模型；

图2位本发明的实施例2中建立的潘宁离子源的几何模型。

具体实施方式

为了解决现有技术中的小型化潘宁离子源引出束流的原子离子比不高等问题，本发明提出了一种将小型化潘宁离子源的阳极设置为具有磁性的可导电的材料和筒状结构，在不增加小型化潘宁离子源横向尺寸的条件下，增强离子源轴向磁场的磁场强度和均匀度，从而更好的约束电子，增大电子与离子源工作气体之间的碰撞频率和工作气体的电离率，进而提高离子源引出束流的原子离子比。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意图实施方案及其说明仅用于本发明解释，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，

一种基于磁性阳极结构的小型化潘宁离子源，包含磁钢1、第一阴极2、阳极3、第二阴极4和磁环5，所述阳极3为筒状的可导电磁环，阳极3的轴向设有阳极孔32，第一阴极2和第二阴极4分别位于阳极3的两端，磁钢1设置在第一阴极2的外侧，磁环5设置在第二阴极4的外侧；

第一阴极2及第二阴极4与阳极3之间电压超过阈值电压以后，在充有低压气体的电极之间产生自持放电；在这个磁电系统中，电子在电场和磁场的共同作用下做螺旋线运动，从而产生潘宁等离子体；所述阳极3可产生轴向磁场，配合离子源原有的磁钢和磁环，增强离子源轴向磁场的磁场强度和均匀度，从而实现潘宁等离子体密度的提高和控制。

本发明涉及到的具有磁性的阳极3，其中心圆孔(阳极孔32)的中轴线与束流引出方向一致；所述阳极3的截面为环形，中心圆孔(阳极孔32)的截面的直径为5mm-12mm，阳极3的管壁31厚度为2mm-5mm；

在小型化潘宁离子源中，离子源通过潘宁放电的原理产生目标离子束，由于小型化潘宁离子源的尺寸限制，其产生的轴向磁场强度和均匀度均无法保证，进而导致大量电子损失在阳极上。本实施例中的阳极结构，阳极3采用具有磁性的可导电的材料和筒状结构，通过增强离子源中的轴向磁场强度和均匀度，可以使得电子被很好的约束在阴阳极之间的放电区域，并增大电子的运行轨迹，提高电子与离子源工作气体之间的碰撞频率和气体的电离率，从而有效的提高小型化潘宁离子源引出束流的原子离子比。

采用本实施例中的阳极结构增强离子源的原子离子比时，可以直接将现有的小型化潘宁离子源阳极替换成本实施例中阳极3即可，因此无需增加额外的部件来约束和产生高密度等离子体，也不用增加其他物理结构，具有结构简单的优点，同时束流光学设计简单、成本低，易于实现小型化。

实施例2

如图2所示，

本实施例在实施例1的基础上进一步改进：潘宁离子源为三电极结构，主要包括第一阴极I、磁性阳极II和第二阴极III，所述磁性阳极II为筒状的可导电的耐温高磁能积磁环，阳极II的轴向设有阳极孔，位于第一阴极I和第二阴极III之间。

第一阴极I及第二阴极III与磁性阳极II之间电压超过阈值电压以后，在充有低压气体的电极之间产生自持放电；在这个磁电系统中，电子在电场和磁场的共同作用下做螺旋线运动，从而产生潘宁等离子体；磁性阳极II产生的高强度和均匀度的轴向磁场，有利于实现潘宁等离子体密度的提高和控制，以及潘宁离子源的进一步小型化。

本发明涉及到的磁性阳极II，其中心圆孔的中轴线与束流引出方向一致；磁性阳极II的截面为环形，中心圆孔的截面的直径为5mm-12mm，磁性阳极II的管壁厚度为2mm-5mm；

在本实施例中，离子源通过潘宁放电的原理产生目标离子束，由于潘宁离子源的尺寸限制，其产生的轴向磁场强度和均匀度均无法保证，进而导致大量电子损失在磁性阳极II上。本实施例中的阳极结构，磁性阳极II采用具有磁性的可导电的材料和筒状结构，通过产生高磁场强度和均匀度的轴向磁场，使得电子被很好的约束在阴阳极之间的放电区域，从而增大电子的运行轨迹，提高电子与离子源工作气体之间的碰撞频率和气体的电离率，进而获得较高的引出束流的原子离子比。

采用本实施例中的阳极结构增强离子源的原子离子比时，可直接将现有的小型化潘宁离子源阳极替换成本实施例中磁性阳极II，并去除原有潘宁离子源的磁钢和磁环，因此无需增加额外的部件来约束和产生高密度等离子体，具有结构简单的优点，同时束流光学设计简单、成本低，更易于实现小型化。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。