860 A溅射负离子源电离器及电源的改进

安 坤，王广甫,2,*，于令达，吴冰冰

(1.北京师范大学 核科学与技术学院 射线束技术与材料改性教育部重点实验室，北京 100875；

2.北京市辐射中心，北京 100875)

串列加速器具有结构紧凑、在较低电压下获得较高能量等优点，被广泛应用于材料和环境样品的离子束分析中[1-3]。溅射负离子源是串列加速器最常采用的离子源，而电离器是溅射离子源的关键部件，因其工作在高温下，成为溅射负离子源最易损的部件之一。近30年来，国内各串列加速器实验室在运行中均先后研制了溅射离子源电离器或对其进行了改进[4-8]。北京师范大学GIC4117 2×1.7 MV串列加速器于1986年投入运行，并配备了860 A溅射负离子源[9]，1989年开始研制溅射源电离器，并对自制电离器形状和结构进行了改进。本文将介绍电离器研制及对离子源电源做相应改进的情况。

1 离子源及电源的改进

1.1 电离器的改进

860 A溅射负离子源原装电离器呈螺线管形[10]，其形状和不连续的发射面使正离子在阴极表面的溅射区域较大。虽然阴极靶电流可达3 mA，但由于发射度过大，使通过加速器的传输效率较低[9]。为改善铯离子聚焦状况，1990年，北京师范大学串列实验室研制了一种钽片筒形电离器，由于表面电离集中于电离器内衬钽片内侧，减少了杂散离子的产生。为进一步缩小溅射区域，1991年初又研制了钽片球面形电离器[9]。球面形电离器的设计考虑了860 A型源体的最大允许尺寸及可提供的电离器加热功率等因素，改善了铯束的聚焦，但不破坏860 A的源体结构、不改变引出部分的光学特性，且不影响860 A原装电离器的使用。1993年开始使用中国科学院物理研究所和沈阳有色金属加工厂研究所拉制的套管外径2.5 mm、钽丝直径1 mm的钽铠装热丝[5]自制电离器。钽铠装热丝烧毁后，采用套管外径为2.5 mm、镍铬丝直径为0.5 mm的不锈钢铠装热丝绕制成球形电离器作为替代，并通过内衬电真空镍网提高铯电离率。研制的球形电离器降低了离子源的发射度，提高了整个加速器的传输效率，并通过采用内衬电真空镍网提高了铯的电离率[11]。但采用不锈钢铠装热丝后，因内丝较细电阻率较大，使电离器电阻增大，电离器电源与电离器不匹配，需对电离器电源进行改进。

1.2 电离器电源改进

离子源电离器供电电源如图1所示，其中，R1为电离器，R2为调压器，T1为变压器。变压器的两个副线圈为并联模式，每个子副线圈上的最大电压和电流分别为18 V、20 A，R1上的最高电压为18 V。

由于原钽铠装热丝绕制的电离器工作时电阻约为0.5 Ω，而普通不锈钢铠装热丝电离器电阻约为3.0 Ω，在原有电离器电源(18 V，40 A)的工作条件下，钽铠装热丝电离器最大电流可达36 A，实际工作于25 A以下，而不锈钢铠装电离器最大电流仅达到6 A。因此，不锈钢铠装热丝电离器与原供电电源不匹配，电流较低，无法达到所需工作温度。因此将电离器供电电源变压器的次级线圈由原来的双线包并联改为串联(图2)，电离器的供电电源变为36 V、20 A，不锈钢铠装热丝电离器最大电流可达到12 A。为保证使用寿命，此电离器一般工作在11 A以下。经电源改进后，这种内衬镍网的透射电离器能满足常规离子束分析和MeV量级的离子注入的需求，自2007年在北京师范大学GIC4117 2×1.7 MV串列加速器上使用至今。

图2 电离器改装后供电电源

2012年10月，电离器电源的调压器R2(0.7 kVA，50 Hz/60 Hz)烧毁。由于电离器电源悬浮于-20 kV的引出电压上，通过尼龙杆调节调压器来调节电离器电流，而高压机箱空间有限，且国内无满足需要的小尺寸750 W调压器，本工作使用电压连续可调的36 V、15 A的直流开关电源[12]作为电离器电源，通过尼龙杆调节一多圈电位器来连续调节开关电源的输出电压(图3)。其中，R3为多圈电位器，分流器R4(20 A/75 mV)与表头V(20 A/75 mV)构成电流表。为满足不同电离器需求，本工作装配了两个开关电源，参数分别为0～36 V、15 A和0～18 V、30 A，前者对应原电离器电源变压器次级线包串联，适用于较大电阻的不锈钢铠装热丝电离器，后者对应线包并联，适用于较小电阻的原装电离器和自制钽铠装热丝电离器。

图3 采用开关电源后电离器供电示意图

1.3 浸没透镜电源改进

图4 离子源供电示意图

GIC4117 2×1.7 MV串列加速器在离子源和双45°磁铁之间用三圆筒浸没透镜对离子源引出束流进行聚焦，浸没透镜电源采用悬浮在引出电压上的供电方式。由于原安装于离子源电源柜高压机箱内的浸没透镜电源烧毁，国内无法找到合适的10 kV 直流电源，故在实验中采用连续可调的0～-20 kV的高压电源代替，并将电源放置在离子源机箱外，处于地电位。如图4所示，原浸没透镜电源0～10 kV悬浮在-20 kV的引出电压上，透镜中间圆筒实际对地电压范围为-10～-20 kV。改装后，浸没透镜电源直接置于地电位，电压范围为0～-20 kV，包含原电压范围，可正常工作。

2 改进后运行情况

在改用直流开关电源作为溅射源电离器电源后，本实验室对电离器电压电流特性和对离子源引出束流的影响进行了测试。图5示出了铯炉温度为室温、靶压为6 kV、靶材料为钛吸氢时，GIC4117 2×1.7 MV串列加速器前注入器H-流强和电离器电压随电离器加热电流的变化情况。在电离器工作电流范围内电离器电压与电流呈线性关系，镍铬丝的电阻变化不大，基本稳定在3 Ω，原钽装热丝电阻随温度变化[6]较明显。电离器电流9 A时，对应电压为27.4 V，即功率为246 W。

图5 注入器H-流强及电离器电压随电离器加热电流的变化

从图5可看出，当电流小于7 A时，H-流强增大不明显，电流为7～8 A时，H-流强增加很快，电流达8 A后，增长速率下降，出现一个平缓增长区，但仍未达最大值，本次试验测得的最大H-流强为10 μA。若升高铯炉温度，靶区铯流增大，可获得更高的H-流强。

3 结论

自1991年，北京师范大学串列实验室一直采用自制电离器。为解决高电阻不锈钢铠装热丝电离器的供电问题，对电离器供电电源进行了改进，并用连续可调直流开关电源代替原装交流电源作为电离器电源。原装浸没透镜烧毁后，用自制的置于地电位的0～-20 kV电源代替原悬浮于-20 kV引出电压上的10 kV浸没透镜电源。自制电离器和离子源电源的改进解决了电离器供应问题，并保证了GIC4117 2×1.7 MV串列加速器的正常运行。

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