[发明专利]一种基于磁性阳极结构的小型化潘宁离子源

说明书

本发明公开了一种基于磁性阳极结构的小型化潘宁离子源，阳极具体表现为具有一定长度的可导电磁环。小型化离子源为典型的潘宁离子源结构，在这个系统中，电子在电场和磁场的共同作用做螺旋线运动，从而产生高密度潘宁等离子体。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。

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。