浅析强流离子源四电极引出系统的离子透镜

田中俊

(枣庄学院 光电工程学院，山东 枣庄 277160)

1 引言

中性束注入(Neutral Beam Injection，简称NBI)加热是托卡马克(TOKAMAK)装置中必不可少的辅助加热方法之一，其具有加热原理简单、注入功率高、技术相对成熟等优点.中性束注入建立在强流离子源的基础上，随着NBI的发展，要求离子源可产生强流、高密度、均匀的等离子体，并可准稳态运行.为了获得强束流的离子束，需要大面积的多电极引出系统.对于正离子源，一般束能量在100KeV以下，因为再高的能量会导致中性化效率急剧的降低.其多电极系统包括三电极、四电极和更高电极.一般使用三电极和四电极，电极级数增加会因为总长度的过长使电荷交换损失和电极负载过大.一般而言，三电极系统多用于束能量小于60KeV的情况，四电极系统多用于束能量大于60KeV的情况.对于四电极引出系统的研究有很多方法，本文利用离子透镜的原理浅析它的工作过程.

2 离子光学与离子透镜

离子光学(Ion Optics)研究离子在电磁场中运动和离子束在电磁场中聚焦、成像、偏转等规律的学科.它源于电子光学理论.离子光学同普通光学有许多相似之处.例如凸透镜可使一束平行光线聚焦到一个点上;而某些轴对称的电磁场(称为静电透镜:离子透镜或电子透镜)也可以使平行的离子束(电子束)聚集到一点.在离子光学器件和仪器中，除采用离子透镜外，还常应用垂直于离子束运动方向的电场和磁场使离子束偏转.

为了分析、研究或设计离子光学系统，必须精确地求解电磁场并计算出离子轨迹 ，通常采用计算机求解.在离子光学器件和仪器中，若离子束被限制在离轴很近的范围内，离子轨迹与轴的交角很小(即满足傍轴条件)时，离子透镜所成的像是理想像或称高斯像.实际轨迹不可能完全满足傍轴条件，因此实际形成的像总是和理想高斯像有一定的差别.3强流离子源四电极孔引出系统中的离子透镜

离子透镜可由电场构成，也可由磁场构成.离子源四电极引出系统中的电极形成的非均匀电场形成了若干离子透镜.

图1为强流离子源四电极引出系统结构示意图.其中第一电极A1是等离子体电极(Source Grid)，第二电极A2为梯度电极(Gradient Grid)，第三电极A3为抑制极(Suppres－sor Grid)，第四电极A4为地电极(Exit Grid).对于正离子源而言，A1，A2为正高压且A1＞A2，A3为负高压，A4为地电位.

图1 离子源四电极引出系统

图2 离子源四电极引出系统中的离子透镜

得多.这样，离子在前半区受到的拉向轴线的作用大于在后半区受到离开轴线的作用，因此总效果是使离子向轴线靠拢，达到相当于凸透镜一样的会聚作用.调节A1和A2之间的电压可以改变电极间的电场分布，可以调节离子源引出系统离子束的会聚与发散以及束散角.

4 四电极引出系统的离子透镜分析

图3 离子透镜工作原理

A12=A1－A2电压比Г=A12/A23

A23=A2－A3=A2+︱A3︱ 纵横比 S=r1/d1

A34=A3－A4=A3间距比f=d2/d1

A4=0 电场强度比=Г/f

其中，r1，r2，r3，r4，分别为离子束在第一、二、三、四电极孔处的半径;d1为第一、二电极间隙间距;d2为第二、三电极间隙间距;d3为第三、四电极间隙间距;Г为电压比，即第二、三电极间电压与第一、二电极间电压之比;f为间隙间距比，即第二、三电极间隙间距与第一、二电极间隙间距之比.Г/f为电场强度比，即第二、三电极间电场强度与第一、二电极间电场强度比.设A1处的场强为E1，A2处的场强为E2，根据德维桑－凯耳皮克透镜焦距公式，可以推出在A1－A2电极间形成的离子透镜焦距为:

由德拜屏蔽效应可知，离子发射面处的场强由等离子体 －鞘层方程确定，它不受外场的影响.根据塞尔夫计算结果分析，它近似正比于引出流密度.我们把离子发射面设想为一个有弹性的薄膜，等离子体从其一侧对薄膜施加向外的“压力”，此压力随引出流密度增加而增加;在另一侧，薄膜则受外界对他施加的向内的“压力”，此压力取决于引出流密度、引出电压等因素.

图4 离子发射面随引出电压的调节示意图

与电子枪相比，电子枪只引出电子，当然对于离子源而言，一般引出多种成分的离子.离子源内一般存在一定的气流，它在引出空间内产生的许多效应(如电离、电荷转换、击穿等)，因而离子源内不容易达到较高的引出场强，因此表现得离子透镜不如电子枪内明显，而且离子束到达引出和加速孔要受到膜孔透镜作用.我们研究离子源引出系统要考虑它的整个离子光学系统.

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