关于离子源介绍

[拼音]：liziyuan

[外文]：ion source

使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。

气体放电、电子束对气体原子(或分子)的碰撞，带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离过程都能产生离子，并被引出成束。根据不同的使用条件和用途，目前已研制出多种类型的离子源。使用较广泛的有弧放电离子源、PIG离子源、双等离子体离子源和双彭源。这些源都是以气体放电过程为基础的，常被笼统地称为弧源。高频离子源则是由气体中的高频放电来产生离子的，也有广泛的用途。新型重离子源的出现，使重离子的电荷态显著提高，其中较成熟的有电子回旋共振离子源(ECR)和电子束离子源(EBIS)。负离子源性能较好的有转荷型和溅射型两种。在一定条件下，基于气体放电过程的各种离子源，都能提供一定的负离子束流。

利用稀薄气体中的高频放电现象使气体电离，一般用来产生低电荷态正离子，有时也从中引出负离子，作为负离子源使用。

在高频电场中，自由电子与气体中的原子(或分子)碰撞，并使之电离。带电粒子倍增的结果，形成无极放电，产生大量等离子体。高频离子源的放电管一般用派勒克斯玻璃或石英管制作。高频场可由管外螺线管线圈产生，也可由套在管外的环形电极产生。前者称为电感耦合，后者称为电容耦合。高频振荡器频率为106～108Hz，输出功率在数百瓦以上。

从高频离子源中引出离子可有两种方式。一种是在放电管顶端插入一根钨丝作为正极，在放电管尾端装一带孔负电极，并把该孔做成管形，从中引出离子流。另一种方式是把正极做成帽形，装在引出电极附近，而放电区则在它的另一侧。不管采用哪种引出方式，金属电极都要用石英或玻璃包起来，以减少离子在金属表面的复合。

在高频放电区域中加有恒定磁场时，由于共振现象可提高放电区域中的离子浓度。有时，还在引出区域加非均匀磁场来改善引出。

所示离子源是一种低流强的小型离子源。高频放电是由电感耦合的，频率为20MHz，气耗为7.5ml/h，可引出500μA正离子束。其中原子离子占80％。引出离子束的能散只有40～50eV。

所示的离子源是一种有轴向外加磁场，流强产额很高的离子源。高频频率为45MHz，功率为140W。气耗为30ml/h，引出电压8kV，可引出10mA正离子束。

在均匀磁场中，由阴极热发射电子维持气体放电的离子源。为了减少气耗，放电区域往往是封闭的。阳极做成筒形，轴线和磁场方向平行。磁场能很好地约束阴极所发射的电子流，在阳极腔中使气体的原子（或分子）电离，形成等离子体密度很高的弧柱。离子束可以垂直于轴线方向的侧向引出，也可以顺着轴线方向引出。

所示的离子源是轴向引出的弧放电离子源。供气为8ml/h，可以引出500μA的质子流，或者100μA的氢分子流。

在外磁场约束下，产生反射放电的离子源，是弧放电离子源的改进。在弧放电离子源中，阳极另一端和阴极对称的位置上，装一与阴极等电位的对阴极，使阴极发射的电子流在中空的阳极内反射振荡，提高了电离效率，改变了放电机制。阴极一般用钨块制成，由电子轰击加热，称间热阴极离子源。反射放电电压较高时，可在冷阴极状态下工作。这时离子源结构更加简单，称为冷阴极离子源。对于功率较大的离子源，阴极被放电所加热，达到电子热发射温度，被称为自热阴极离子源。

是一种轴向引出的热阴极离子源，用于产生氢离子束。当放电电流为700mA时，可引出42mA离子流。

为产生非气态元素的离子，将该元素馈入离子源的方法有多种。简单的方法是使用气体化合物，也可导入该元素的蒸气。某些固体物质还可镀在阴极表面或阳极腔壁上，靠放电中的溅射作用将该物质导入放电区。

中，离子源是一种侧向引出的冷阴极固体离子源。工作物质放在阳极腔内引出缝的对面，加有1.5kV负电位。可获得数百微安的铍、铝、钙、钛和金离子束。

在非均匀磁场中工作的一种弧放电离子源。它的电极系统和磁系统都经过精心安排，使得放电产生的等离子体发生两次收缩（几何箍缩和磁箍缩）。由于引出的离子流强度大、亮度高、而主体结构又比较紧凑，使用十分普遍。

大功率的双等离子体离子源能产生安培级以上的正离子束，是一种有效的强流离子源。正离子被中和以后，就转化为中性束。从双等离子体离子源中可以直接引出负离子束，也可以先引出正离子束，再用间接方法得到负离子。

双等离子体离子源由阴极、中间电极和阳极组成，如图6所示。中间电极的电位高于阳极，它们都是用铁磁材料作成的，是磁路的一部分。

双等离子体离子源和 PIG离子源的综合。大功率的双彭源是一种单电荷态的强流离子源，可以引出安培级以上的离子流。小型装置也有用来作为多电荷重离子源的。

从外形结构看，双彭源只是在双等离子体离子源的阳极外侧增设一个对阴极。但从放电原理看，它两种离子源有很大差别。前三个电极组成类似于双等离子体离子源的系统，看作是一个电子源。由于对阴极上加有和中间电极相同或更负些的电压，电子就在中间电极和对阴极之间反射振荡，改善了电离。图7是这种离子源的示意图。

利用正离子束转荷产生负离子的装置。正离子束与固体物质表面相互作用，或通过气体靶俘获电子就能转化成负离子束。正离子束可以由小型双等离子体离子源提供。如果采用高频离子源，只要把引出电极的孔道加长，就能得到负离子束。

用正离子束去轰击工作物质，就能得到该种物质的负离子。若用铯离子束去溅射周期表第Ⅳ族以后电子亲合力较大的元素，可以得到该元素微安级的负离子束流。若使氢或氩离子束通过一个充有气态工作物质的孔道，就能得到数微安的该物质负离子束流。

目前离子源技术还在不断地发展着。环形双等离子体离子源、大型双彭源已可提供百安级的氢正离子流。磁控管型负离子源已得到安培级的氢负离子束。一些小型离子源，则具有低能散、低功耗、低气耗、长寿命等特色。在产生多电荷重离子束的实验装置（如电子回旋共振离子源、电子束离子源）中，都已得到电荷态很高的重离子。这些新型装置已逐渐被回旋加速所采用。而能产生高温等离子体的利用惯性约束的激光离子源，也产生了高电荷态离子。

采用组合加速方法的重离子加速系统中，前级加速将电荷态较低的重离子加速到兆电子伏每核子的能量，穿过固体剥离膜或气体剥离器，将一部分轨道电子剥去，提高电荷态后在主加速中继续加速，以得到较高的能量增益。在这种组合加速系统中，前级加速和剥离器，可以被看成是一种特殊的重离子源系统。