潘宁离子源的发展展望.pdf

216第三届全国信息与电子工程学术会议、四川省电子学会曙光分会第十四届学术年会噩院青年科协第八届学术年会论文集 潘宁离子源的发展展望 万瑞芸‘谈效华肖坤祥金大志 (中国工程物理研究院电子工程研究所 四川 绵阳 621900) 摘要阐述了潘宁离子源的工作机理，对它的诞生、发展到应用的研究历程进行了回顾，并重 点介绍了国内外的发展概况，最后讨论了国内研究工作存在的不足，并指出潘宁离子源在理论与实 验研究领域的发展方向． 关键词潘宁放电离子源综述 1 引言 潘宁离子源是一种比较古老的离子源。19世纪30年代高压倍加器和回旋加速器的诞生推动了 高效率气体放电离子源的研究，并成功研制了迄今为止应用非常广泛的潘宁型离子源。发展到今天， 潘宁离子源已经成为一种技术很成熟的离子源。与其它离子源(如高频离子源、双等离子体离子源 等)相比较，潘宁离子源的离子引出效率不高(在40％60％之间)，原子离子的含量也不高，但由 于其结构简单及寿命长等特点，潘宁离子源被广泛应用于小型加速器中，如中子发生器。 2潘宁离子源的工作原理 潘宁离子源是应用潘宁放电的原理而研制出来的离子源。潘宁(Penning)放电，是磁场中冷阴 极放电中的一种，与其他放电方式(弧光放电和高压放电、冷阴极弧放电、火花放电及其他种类的 磁场中冷阴极放电)相比，它也是在离子源中应用得最广的一种放电方式【ll。在潘宁放电系统中， 如图1所示，圆筒形或圆环形的阳极的两端安装着两相对的冷阴极，在平行于阳极筒的轴线方向施 加磁场，当电压超过着火电压以后，在充有低压气体的电极之间就会产生自持放电。在这个系统中， 电子受到两方面的作用。第一，电子在阳极电场的加速作用的同时还受到另一个阴极的强大排斥力， 以致电子不能沿着轴向端面逸出；第二，电子在受到电场作用的同时还受到轴向磁场的作用，使电 子绕磁力线作螺旋运动，限制了电子在径向上的运动，使得它不能直接打到阳极上。在电场与磁场 的共同作用下，电子的运动路径增长了。这也必 然增加了电子的电离碰撞次数。如果单位时间内 进入放电区的电子数与因电高产生的新电子数相 等，这就形成一种动态的平衡，在离子源中就形 成了自持放电。 在某些特定的条件下，如一定的尺寸、气压、 电压、电极的特性等，放电过程就可以自行建立 起来，形成自持放电，甚至可以不需要外加初始 热电流。 图l潘宁放电系统示意图 自持放电的基本条件： 第三届全国信息与电子工程学术会议、四川省电子学会曙光分会第十四届学术年会暨院青年科协第八届学术年会论文集 217 r(e一一1)≥I (1) 其中，Y为电子离子发射系数，它主要取决于阴极材料及阴极的表面状况；a为一个电子在单 位路径上电离出来的离子，它依赖于气压和所加电压；d为两电极之间的距离。实际中，在一定的 极间距离下，由于外加磁场或第二阴极的振荡作用，会增加电子的运动轨迹，直至电子的能完全损 失在电离碰撞过程中。所以自持放电的基本条件式(1)中d应该用电子的实际运动路程来代替。 3潘宁离子源的发展概况 早在1937年，Penning与Moubis在研究中就发现了潘宁放电的机理【l】。 出现了首个束流大于ImA的脉冲质子源——冷阴极潘宁离子源。在Keller等人的离子源【3】中，采用 铁制的开有凹槽的阴极，永久磁铁在轴向上提供800Gs的磁场。这个离子源可以在连续和脉冲状态 下工作，它的缺点是在放电电流不大时，质子含量比较低(约15％)。 de 30MeV质子直线加速器的VanGraaff注入源【5】。这个离子源在脉冲工 子源，用于作为Berkeley 作方式下，当放电电流为2A时等离子体电流为800mA，通过O．8毫米的孔引出束流为15mA的离 子束。在提高放电电流的条件下可以得到55％的质子含量。在静电加速器上工作的寿命可达到几千 个小时。 压降下，气体消耗率为2cm3／h时，得到质子含量为50％的lrnA的离子流，离子源寿命达500h以上。 1958年，PauliR和FlintaJ．研制出脉冲工作方式