第17卷 第9期强激光与粒子束Vol.17,No.9 2005年9月H IGH POWER L ASER AND PA R TICL E B EAMS Sep.,2005
文章编号: 100124322(2005)0921394205
周长庚1, 亢 武1, 胡永宏1, 李 彦1, 娄本超1,
祖秀兰1, 熊日恒1, 陈俊光1, 黎晓云2
(1.中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳621900; 2.电子科技大学物理电子学院，四川成都610054)
摘 要: 在中子发生器中采用ECR离子源是一种新技术。由于受结构的限制,ECR离子源不能像高频
源离子源那样通过观察气体放电的颜判断其工作状态，所以在运行中调节状态非常困难。解决这个问题的
方法是：用定向耦合器加微波小功率计的方法在线测量ECR离子源的微波入射功率，通过微波入射功率可以 直接得到ECR离子源引出离子束流的大小，从而推断微波信号源的放电过程是否正常，然后调整ECR离子
源，最终使中子发生器工作在最佳状态。从ECR离子源后面的引出电极测得的最大束流为20mA，且工作长
时间稳定，当微波功率在160W～500W之间时，放电效果较好，离子束流随微波功率的增加而增加。
关键词: ECR离子源; 微波功率; 在线测量; 离子束流
中图分类号: TM931 文献标识码: A
我们正在尝试在中子发生器中采用ECR(Elect ron Cyclot ron Resonance)离子源。过去，因为尺寸大、功耗高,ECR离子源很少用作中子发生器的注入源。随着技术进步和工艺的提高，尺寸大、功耗高的问题已经基本解决[1]，已经有人尝试在中子发生器上使用ECR离子源[2]。但目前还没有现成的经验可以借鉴。与高频源离子源相比,ECR离子源的优点是工作寿命长、束流强度大、对真空要求低。在运行实践中，发现ECR离子源的缺点之一是，由于受结构的限制，不能像高频源离子源那样，在放电室通过观察气体放电的颜判断离子源是否工作在最佳状态，而离子源的工作状态决定中子发生器运行状态。当然，引出束流也可以反映放电质量的好坏。但是，在中子发生器运行时，难以实际测量离子源引出束流的大小。所以，在运行中调节ECR离子源状态非常困难。
采用在线微波测量的方法解决了观察和调整ECR离子源状态的难题。具体地说，就是通过在线测量微波源的入射功率和反射功率，导出离子源引出离子束流的大小，从而定性判断ECR离子源气体放电过程是否正常，测量结果由微波功率计和计算机CR T显示，操作人员据此调整微波源的相关参数，使ECR离子源的束流输出达到所需要的状态。另外，通过对微波反射功率的监测，可以及时了解其是否超过设定的危险阈值，以保护磁控管，避免损坏。光电限位开关
1 微波功率测量的基本原理
微波功率测量电路的连接方式一般分为终端式和通过式。在系统中采用通过式电路，即定向耦合器加小微波功率计方式，如图1所示。实际上是用定向耦合器把大功率微波变换成小功率，设定向耦合器的过渡衰减
Fig.1 Principle drawing of microwave power measurement
图1 微波功率测量原理示意图
3收稿日期:2005202228; 修订日期:2005207226
基金项目：国家863计划项目资助课题
分子动力学仿真
作者简介：周长庚(1956—)，男，博士，研究员，从事核技术及应用研究。
量为C (单位dB )，方向性为无穷大，再接一个两端匹配的标准衰减器，其衰减量为A (单位dB )，检波器把微波功率直接转换成直流电信号，通过负载匹配使终端负载的驻波比接近1，由小功率计显示功率值为P e ，微波信号源的输出功率
P o =P e ×10
(C+A )/10(1) 磁化等离子体等效于一种高介电常数的材料，如果构成微波输入窗材料的介电常数与此相当，则通过调整介质的厚度以达到最佳的负载匹配，使驻波比接近1。微波输入窗是由石英玻璃、Al 2O 3陶瓷和氮化硼(BN )3层材料构成。石英玻璃用于真空密封,Al 2O 3的作用是负载匹配，减少微波反射，氮化硼保护微波输入窗免受次级电子流的影响。
图2为我们为中子发生器应用而研制的一台ECR 离子源基本结构图，它主要由磁控管、带水负载环行器、定向耦合器、微波功率测量装置、螺旋管磁透镜、放电室、电源、进气系统和在线测控装置组成。ECR 离子源工作原理是：由于Lorentz 力的作用，在放电室中，电子在磁场中沿磁场线回旋运动。当电子的回旋频率和馈入的微波频率相等时，电子获得能量，产生共振加速或共振减速现象，电子和氘原子碰撞过程产生等离子体。等离子体被限制在轴向和径向复合磁场中。因为在磁场的中心磁场最小并由此全方向增大，所以称为最小磁感应强度结构。磁场的综合作用导致等离子体有一个较长的约束时间，进而增加了电子与原子、电子与离子的碰撞几率，得到高密度的氘离子。
黄鳝精
在2M 319k 型磁控管上加3.3V 的灯丝电压和320mA 的阳极电流，可产生频率为2.45GHz 、功率为1kW (可调)的微波。带匹配负载的环行器用于防止反射微波功率对微波源的影响，保证其工作正常
。
12microwave power measurement device ;22magnetron ;32circulator ;42directional coupler ;52microwave guide ;
62solenoid coils ;72discharge chamber ;82extraction electrode ;92vacuum chamber ;102measurement target ;112gas inlet
Fig.2 Basal structure block of t he ECR ion source
图2 ECR
离子源的基本结构
Fig.3 Distribution of lognitudinal magnetic field of t he microwave signal source
图3 微波信号源轴向磁场分布
微波入射功率和微波反射功率的测量通过两个定向
耦合器和微波功率计进行，通过调整磁控管电源、分布磁
场、工作气体流量使微波入射功率最大，微波反射功率尽
可能小。
入射微波经过矩形波导、微波输入窗进入放电室。
放电室由带油冷的不锈钢双层圆筒做成。氘气通过钯过
滤器和带孔的法兰送入放电室。
满足共振条件的磁场分布由安装在放电室外围的两
组螺旋管透镜A ,B 组成。两组螺旋管透镜相对放电室
可轴向和横向移动，以调整磁场分布达到最佳放电状态。
用特斯拉计和轴向HOLL 探测器测量了两组螺旋
管透镜共生磁场，图3是微波源微波反射功率最小时的
轴向磁场分布，这与计算机模拟计算结果是一致的。2 微波功率测量装置
如图4所示，微波功率测量装置可以在线测量微波入射功率和反射微波功率。微波入射功率和反射微波功率的测量电路基本一样，都是由定向耦合器、检波器、衰减器、光纤传输电路、微机、微波功率计等组成。 在微波频率相对较低的范围，波导的尺寸很大，用于微波测量的定向耦合器随之增大，对微波源的结构具
5931第9期周长庚等:ECR 离子源中的微波功率在线测量
Fig.4 Principle block of microwave power measurement device
图4 微波功率测量装置原理
岩心箱有较大的影响。如果采用主副波导平行的宽边或窄边多孔耦合，则隔离端的内置负载长度会使纵向尺寸很大，如采用纵向尺寸较小的十字定向耦合器，又会使横向尺寸增大；而简单的探针耦合器，无方向性，不能用于定向测量。现设计的波导耦合线式定向耦合器则克服了上述缺点，其外型如图5所示，图中箭头表示微波测量方向。在波导的宽边中央开一个耦合圆孔，在圆孔的上边是一个一端接50Ω匹配负载，另一端接同轴接头的耦合线。采用波导中心圆孔耦合，对耦合孔上耦合线进行激励，产生激励信号。通过旋转耦合线与轴线之间的夹角，使之具有良好的方向性。在近似一个波导宽边长度内做有两个定向耦合器，使它们在相反方向取样，则构成小型化的入射方向耦合器A 和反射方向耦合器B 。
图6为两个定向耦合器插入损耗曲线,I 为插入损耗。通过对两个定向耦合器性能测试，得到它们的隔离度为20dB ，方向度优15dB ，定向耦合器A 的耦合度和定向耦合器B 的耦合度均约为20dB
。
功率探头主要采用灵敏度高的微波晶体检波器[3]，在研制过程中考虑了宽带匹配特性和检波灵敏度频率响应的平坦性。
微波器件安装在30kV 的高压平台上,ECR 离子源运行时，测到的微波功率信号须从实验厅传送到控制室。在微波功率的测量控制和微波信号源调节中采用了光纤传输技术[4]。利用光纤传输既能有效地解决高压绝缘问题，又可提高系统的抗干扰能力。图4中包含了光纤传输系统，其工作过程简介如下：微波功率由A/D 转换电路变成数字编码信号，送到光纤传输电路的RS232接口，电信号被转换成
光信号后从光接口输出，输出光信号经光纤送至远端(控制室)的另一个光纤传输电路的光接口，再由它把光信号还原成(数字编码)电信号，再进入微机的串行接口，在CR T 上显示微波功率。在控制室，操作人员也通过同样的方式调节磁控管电源、螺旋管磁透镜和进气量，以得到理想的微波功率和最佳的放电效果。为了在不加30kV 高压时单独调试微波
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源和微波功率测量电路，还在定向耦合器旁边设计安装了微波功率计。
3 测量结果
ECR 离子源正常运行时，对微波入射功率和微波反射功率进行了在线测量。如果磁场分布、进气量调整不合适，尽管磁控管输出功率有300W ，微波反射功率最大却达到100W 以上,ECR 离子源引出电流较小；当微波源相关参数(磁控管电源、螺旋管磁透镜和进气量)调整得理想时，测到的最大反射微波功率小于70W ，对ECR 离子源产生的影响很小，离子束流较大。理想情况下微波入射功率测量结果和标准微波功率计的测量结果进行了对比(见表1)。功率误差
ε=10×lg P R
P S (2)
式中:P R 为显示器上读出入射或反射微波功率;P S 标准功率计上测到的微波功率。
从表1中可以看到，入射功率的在100W ，误差较大，为0.22dB ，入射功率大到400W 以后，误差大部分小于0.1dB 。测量误差主要来源于定向耦合器的过渡衰减量的误差，标准衰减器匹配误差，以及检波器灵敏度误差。
从ECR 离子源后面的引出电极测得的最大束流为20mA ，且工作长时间稳定，有效地保证了ECR 离子源高性能运行。按照图2所给出的方法，当磁控管阳极电流为300mA ，两组螺旋管透镜A 和B 的工作电流分别
为36A 和12A (轴向磁感应强度约0.089T )，真空室真空度达5×10-4Pa (工作进气体压力为5×10-1Pa 。
)时，在测量靶室上测得引出束流与入射功率之间的关系如图7所示，两者有间有较好的重复性。从图中可以看到，当微波功率在160～500W 之间时，放电效果较好，离子束流随微波功率的增加而增加。
表1 入射微波功率的测量值和误差
T able 1 Measurement value and error of incidence microw ave pow er
No.
standard microwave power/W incidence microwave power/W error /dB 1
10095-0.222
200190-0.223
300290-0.154
400410-0.115
5005100.096
6006100.077
7007150.098
80080009
900890-0.0410*******-0.04
Fig.7 Relationship between extraction ion beam and incidence microwave power 图7 引出束流与入射功率之间的关系曲线
4 结 论
ECR 离子源作为中子发生器的注入源有独特
的优势，但难以在运行中观察和调整ECR 离子源状
态。微波入射功率和微波反射功率的大小变化是放
电过程是否正常的标志。用在线测量ECR 离子源
微波功率的方法可以得到离子源引出离子束流的大
小，从而初步判断微波源的放电过程是否合适，最终
使中子发生器工作在最佳状态。实验结果证明上述
方法是有效的。但是，微波功率和引出离子束流间
的关系曲线并不是唯一的，且不同的ECR 离子源有
不同的关系曲线。在中子发生器运行前，必须先获
得最佳关系曲线，这需要反复调整ECR 离子源中放
电室的分布磁场和氘气进气量等相关参数。7931第9期周长庚等:ECR 离子源中的微波功率在线测量
8931强激光与粒子束第17卷
参考文献:
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On2line measurement of microw ave pow er in ECR ion source
ZHOU Chang2geng1, KAN G Wu1, HU Y ong2hong1, L I Yan1, LOU Ben2chao1,
ZU Xiu2lan1, XION G Ri2heng1, CH EN J un2guang1, L I Xiao2yun2
(1.I nstitute of N uclear Physics and Chemist ry,CA E P,B ox9192213,M iany ang621900,China;
2.S chool of Physical Elect ronics,Universit y of Elect ronic Science and Technology of China,Cheng du610054,China)
金属表面镜面处理 Abstract: It is a new technology to apply an ECR ion source to the neutron generator.Because of the structure limitation, working state of the ECR ion source could not be judged by the color of gas discharging in discharge chamber.Therefore,it was hard to estimate if the ECR ion source was worki
ng properly in the neutron generator.The method to resolve the problem was de2 scribed in this paper.The microwave power was measured on2line by a directional coupler and a small microwave power meter. The ion beam current could be educed from the measured incidence microwave power,and discharge state in discharge chamber could be determined.
K ey w ords: ECR ion source; Microwave power; On2line measurement; Ion beam current
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