安 坤，王廣甫,2,*，于令達(dá)，吳冰冰

(1.北京師范大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 射線束技術(shù)與材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；

2.北京市輻射中心，北京 100875)

串列加速器具有結(jié)構(gòu)緊湊、在較低電壓下獲得較高能量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于材料和環(huán)境樣品的離子束分析中[1-3]。濺射負(fù)離子源是串列加速器最常采用的離子源，而電離器是濺射離子源的關(guān)鍵部件，因其工作在高溫下，成為濺射負(fù)離子源最易損的部件之一。近30年來，國內(nèi)各串列加速器實(shí)驗(yàn)室在運(yùn)行中均先后研制了濺射離子源電離器或?qū)ζ溥M(jìn)行了改進(jìn)[4-8]。北京師范大學(xué)GIC4117 2×1.7 MV串列加速器于1986年投入運(yùn)行，并配備了860 A濺射負(fù)離子源[9]，1989年開始研制濺射源電離器，并對自制電離器形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。本文將介紹電離器研制及對離子源電源做相應(yīng)改進(jìn)的情況。

1 離子源及電源的改進(jìn)

1.1 電離器的改進(jìn)

860 A濺射負(fù)離子源原裝電離器呈螺線管形[10]，其形狀和不連續(xù)的發(fā)射面使正離子在陰極表面的濺射區(qū)域較大。雖然陰極靶電流可達(dá)3 mA，但由于發(fā)射度過大，使通過加速器的傳輸效率較低[9]。為改善銫離子聚焦?fàn)顩r，1990年，北京師范大學(xué)串列實(shí)驗(yàn)室研制了一種鉭片筒形電離器，由于表面電離集中于電離器內(nèi)襯鉭片內(nèi)側(cè)，減少了雜散離子的產(chǎn)生。為進(jìn)一步縮小濺射區(qū)域，1991年初又研制了鉭片球面形電離器[9]。球面形電離器的設(shè)計(jì)考慮了860 A型源體的最大允許尺寸及可提供的電離器加熱功率等因素，改善了銫束的聚焦，但不破壞860 A的源體結(jié)構(gòu)、不改變引出部分的光學(xué)特性，且不影響860 A原裝電離器的使用。1993年開始使用中國科學(xué)院物理研究所和沈陽有色金屬加工廠研究所拉制的套管外徑2.5 mm、鉭絲直徑1 mm的鉭鎧裝熱絲[5]自制電離器。鉭鎧裝熱絲燒毀后，采用套管外徑為2.5 mm、鎳鉻絲直徑為0.5 mm的不銹鋼鎧裝熱絲繞制成球形電離器作為替代，并通過內(nèi)襯電真空鎳網(wǎng)提高銫電離率。研制的球形電離器降低了離子源的發(fā)射度，提高了整個(gè)加速器的傳輸效率，并通過采用內(nèi)襯電真空鎳網(wǎng)提高了銫的電離率[11]。但采用不銹鋼鎧裝熱絲后，因內(nèi)絲較細(xì)電阻率較大，使電離器電阻增大，電離器電源與電離器不匹配，需對電離器電源進(jìn)行改進(jìn)。

1.2 電離器電源改進(jìn)

離子源電離器供電電源如圖1所示，其中，R1為電離器，R2為調(diào)壓器，T1為變壓器。變壓器的兩個(gè)副線圈為并聯(lián)模式，每個(gè)子副線圈上的最大電壓和電流分別為18 V、20 A，R1上的最高電壓為18 V。

由于原鉭鎧裝熱絲繞制的電離器工作時(shí)電阻約為0.5 Ω，而普通不銹鋼鎧裝熱絲電離器電阻約為3.0 Ω，在原有電離器電源(18 V，40 A)的工作條件下，鉭鎧裝熱絲電離器最大電流可達(dá)36 A，實(shí)際工作于25 A以下，而不銹鋼鎧裝電離器最大電流僅達(dá)到6 A。因此，不銹鋼鎧裝熱絲電離器與原供電電源不匹配，電流較低，無法達(dá)到所需工作溫度。因此將電離器供電電源變壓器的次級線圈由原來的雙線包并聯(lián)改為串聯(lián)(圖2)，電離器的供電電源變?yōu)?6 V、20 A，不銹鋼鎧裝熱絲電離器最大電流可達(dá)到12 A。為保證使用壽命，此電離器一般工作在11 A以下。經(jīng)電源改進(jìn)后，這種內(nèi)襯鎳網(wǎng)的透射電離器能滿足常規(guī)離子束分析和MeV量級的離子注入的需求，自2007年在北京師范大學(xué)GIC4117 2×1.7 MV串列加速器上使用至今。

圖2 電離器改裝后供電電源

2012年10月，電離器電源的調(diào)壓器R2(0.7 kVA，50 Hz/60 Hz)燒毀。由于電離器電源懸浮于-20 kV的引出電壓上，通過尼龍桿調(diào)節(jié)調(diào)壓器來調(diào)節(jié)電離器電流，而高壓機(jī)箱空間有限，且國內(nèi)無滿足需要的小尺寸750 W調(diào)壓器，本工作使用電壓連續(xù)可調(diào)的36 V、15 A的直流開關(guān)電源[12]作為電離器電源，通過尼龍桿調(diào)節(jié)一多圈電位器來連續(xù)調(diào)節(jié)開關(guān)電源的輸出電壓(圖3)。其中，R3為多圈電位器，分流器R4(20 A/75 mV)與表頭V(20 A/75 mV)構(gòu)成電流表。為滿足不同電離器需求，本工作裝配了兩個(gè)開關(guān)電源，參數(shù)分別為0～36 V、15 A和0～18 V、30 A，前者對應(yīng)原電離器電源變壓器次級線包串聯(lián)，適用于較大電阻的不銹鋼鎧裝熱絲電離器，后者對應(yīng)線包并聯(lián)，適用于較小電阻的原裝電離器和自制鉭鎧裝熱絲電離器。

圖3 采用開關(guān)電源后電離器供電示意圖

1.3 浸沒透鏡電源改進(jìn)

圖4 離子源供電示意圖

GIC4117 2×1.7 MV串列加速器在離子源和雙45°磁鐵之間用三圓筒浸沒透鏡對離子源引出束流進(jìn)行聚焦，浸沒透鏡電源采用懸浮在引出電壓上的供電方式。由于原安裝于離子源電源柜高壓機(jī)箱內(nèi)的浸沒透鏡電源燒毀，國內(nèi)無法找到合適的10 kV 直流電源，故在實(shí)驗(yàn)中采用連續(xù)可調(diào)的0～-20 kV的高壓電源代替，并將電源放置在離子源機(jī)箱外，處于地電位。如圖4所示，原浸沒透鏡電源0～10 kV懸浮在-20 kV的引出電壓上，透鏡中間圓筒實(shí)際對地電壓范圍為-10～-20 kV。改裝后，浸沒透鏡電源直接置于地電位，電壓范圍為0～-20 kV，包含原電壓范圍，可正常工作。

2 改進(jìn)后運(yùn)行情況

在改用直流開關(guān)電源作為濺射源電離器電源后，本實(shí)驗(yàn)室對電離器電壓電流特性和對離子源引出束流的影響進(jìn)行了測試。圖5示出了銫爐溫度為室溫、靶壓為6 kV、靶材料為鈦吸氫時(shí)，GIC4117 2×1.7 MV串列加速器前注入器H-流強(qiáng)和電離器電壓隨電離器加熱電流的變化情況。在電離器工作電流范圍內(nèi)電離器電壓與電流呈線性關(guān)系，鎳鉻絲的電阻變化不大，基本穩(wěn)定在3 Ω，原鉭裝熱絲電阻隨溫度變化[6]較明顯。電離器電流9 A時(shí)，對應(yīng)電壓為27.4 V，即功率為246 W。

圖5 注入器H-流強(qiáng)及電離器電壓隨電離器加熱電流的變化

從圖5可看出，當(dāng)電流小于7 A時(shí)，H-流強(qiáng)增大不明顯，電流為7～8 A時(shí)，H-流強(qiáng)增加很快，電流達(dá)8 A后，增長速率下降，出現(xiàn)一個(gè)平緩增長區(qū)，但仍未達(dá)最大值，本次試驗(yàn)測得的最大H-流強(qiáng)為10 μA。若升高銫爐溫度，靶區(qū)銫流增大，可獲得更高的H-流強(qiáng)。

3 結(jié)論

自1991年，北京師范大學(xué)串列實(shí)驗(yàn)室一直采用自制電離器。為解決高電阻不銹鋼鎧裝熱絲電離器的供電問題，對電離器供電電源進(jìn)行了改進(jìn)，并用連續(xù)可調(diào)直流開關(guān)電源代替原裝交流電源作為電離器電源。原裝浸沒透鏡燒毀后，用自制的置于地電位的0～-20 kV電源代替原懸浮于-20 kV引出電壓上的10 kV浸沒透鏡電源。自制電離器和離子源電源的改進(jìn)解決了電離器供應(yīng)問題，并保證了GIC4117 2×1.7 MV串列加速器的正常運(yùn)行。

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