ECR

Проект DC60. Инжектор-имплантатор тяжелых ионов.
Источник многозарядных ионов.
1 Конструкция и описание источника.
В качестве источника многозарядных ионов (МЗИ) используется источник на
основе эффекта электронного циклотронного резонанса (ЭЦР-источник). В настоящее
время источники этого типа являются наиболее подходящими источниками МЗИ для
циклотронов как с точки зрения максимально возможного заряда ионов, так и с точки
зрения интенсивностей получаемых ионных пучков. ЭЦР-источники МЗИ
используются практически во всех крупных ускорительных центрах мира и охватывают
широкий диапазон элементов периодической системы от Не до U. Их отличает высокая
надежность, простота управления и достаточно большое время непрерывной работы:
более тысячи часов при получении ионов газов и, как правило, более сотни часов для
ионов твердых веществ.
Ионизационная
камера
Гексаполь
СВЧмощность
Рабочее
вещество
Система
экстракции
Железное
ярмо
Катушки
Рис.1
. ЭЦР-источник DECRIS.
Работа источника основана на резонансном поглощении СВЧ-волны (в нашем случае
частота 14 - 14.5 ГГц) электронами плазмы в районе резонансного магнитного поля.
Магнитное поле в источнике служит как для создания резонансной зоны ( в нашем
случае около 0.5 Т), так и для удержания плазмы в ионизациооной камере. С этой
целью создается так называемая конфигурация «минимум В», когда суммарное
магнитное поле имеет минимум в центре ионизационной камеры и возрастает во всех
направлениях. Аксиальная компонента магнитного поля создается медными
охлаждаемыми катушками с использованием специальной конфигурации «мягкого»
Проект DC60. Инжектор-имплантатор тяжелых ионов.
железа для формирования требуемого распределения поля вдоль оси источника.
Распределение аксиального поля показано на Рис. 2.
Радиальная компонента магнитного поля создается гексаполем из постоянных
магнитов (материал NdFeB), который позволяет получить величину поля в районе
стенки ионизационной камеры порядка 1 Т.
СВЧ-волна через высоковольтный изолятор и вакуумное окно вводится в
ионизационную камеру. Ионизационная камера является охлаждаемой с целью защиты
постоянных магнитов гексаполя от нагрева. Ионизационная камера вместе с гексаполем
изолированы от корпуса источника до 25 кВ, что позволяет извлекать ионный пучок с
12000
10000
B [G]
8000
6000
4000
Bres
2000
0
10
20
30
40
50
Z [cm]
Рис. 2. Аксиальное распределение магнитного поля ЭЦР-источника
энергией, требуемой для его инжекции в циклотрон. Система экстракции состоит из
плазменного электрода, расположенного на выходе из ионизационной камеры, и
заземленного пулера. Рабочие вещества вводятся в источник через систему подачи
газов или специальную систему подачи твердых веществ. Основные параметры
источника приведены в Таблице 1 .
Проект DC60. Инжектор-имплантатор тяжелых ионов.
Таблица 1.
АКСИАЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Пик на оси, сторона инжекции
Пик на оси, сторона экстракции
Расстояние между пиками
1.22 T
1.02 T
20 cm
ГЕКСАПОЛЬ
Внешний диаметр, центральн. часть
Внешний диаметр, края
Внутренний диаметр
Длина
Магнитное поле на радиусе 3.2 см
19 cm
16 cm
7 cm
20 cm
1 T
ПЛАЗМЕННАЯ КАМЕРА
Внутренний диаметр основной
части
Внутренний диаметр инжекторной
части
Длина основной части
6.4 cm
2.8 cm
22 cm
КАТУШКИ
Количество
Внутренний диаметр
Внешний диаметр
Номинальный ток
Максимальный ток
Номинальная мощность
Давление охлаждающей воды
2
18 cm
34 cm
1200 A
1300 A
< 80 kW
10 Bar
2СВЧсистема.
СВЧ система предназначена для генерации, усиления и передачи СВЧ мощности в
разрядную камеру ЭЦР источника. Блок-схема СВЧ системы представлена на Рис.3.
Проект DC60. Инжектор-имплантатор тяжелых ионов.
Рис.3 Блок-схема СВЧ системы: 1 - автогенератор; 2 - усилитель мощности;
3 - волноводный тракт; 4 - волноводный изолятор; 5 - вакуумное гермоокно;
6 - разрядная камера ЭЦР источника.
СВЧ система состоит из следующих основных частей:
-перестраиваемый в рабочем диапазоне частот автогенератор с источником питания;
-усилитель мощности с измерителями выходной и отраженной мощности,
регулировкой уровня выходной мощности, защитой режимов работы и источником
питания;
-волноводный тракт передачи мощности;
-волноводный высоковольтный изолятор;
-волноводное вакуумное гермоокно.
Автогенератор генерирует одну из выбранных частот с выходной мощностью,
обеспечивающей насыщение усилителя мощности. Стабильность частоты 10-4
обеспечивается диэлектрическим резонатором.
Усилитель мощности усиливает сигнал до необходимого уровня. Регулировка
выходной мощности осуществляется ослаблением входного сигнала с помощью
регулируемого аттенюатора. Параметры выходной мощности измеряются с помощью
измерителей уровня выходной и отраженной отнагрузки мощности.
Волноводный тракт передает энергию СВЧ колебаний от усилителя мощности к
ЭЦР источнику.
Волноводный изолятор разделяет потенциал СВЧ системы от ЭЦР источника
находящегося под высоким (до 25 кВ) потенциалом.
Вакуумное гермоокно обеспечивает передачу СВЧ мощности в объем разрядной
камеры не нарушая высокого вакуума ( 10-7 торр).
Технические данные СВЧ системы:
Диапазон рабочих частот, ГГц
Мощность насыщения на выходе усилителя в односигнальном
режиме на центральной частоте каждого ствола:
не менее, кВт
не более, кВт
Сбаильность выходной мощности при заданных условиях
эксплуатации при 24-х часовом прогоне не хуже, дБ
Диапазон регулирования и измерения выходной мощности, Вт
Электропитание от сети переменного тока:
В
Гц
Мощность, потребляемая от сети не более, кВт
Допустима температура окружающего воздуха, С
Допустимая влажность воздуха при 30С не более, 
14.0 - 14.5
1.5
2.0
 0.5
5 - 2000
3х380  1938
50  2
8
+5 - +40
95
Проект DC60. Инжектор-имплантатор тяжелых ионов.
В связи с существенным затуханием мощности в волноводах тракт передачи
мощности от усилителя до разрядной камеры долженн быть минимальным. Усилитель
мощности должен располагаться на расстоянии 2 - 3 м от ЭЦР источника. Стандартные
волноводные элементы позволяют прокладывать волноводы только по прямой с углом
поворота 90. Возможные варианты расположения усилителя мощности и ЭЦР
источника показаны на планировке (варианты 1 и 2).
3 Система инжекции рабочих веществ.
Система инжекции рабочих веществ состоит из двух независимых подсистем:
системы подачи газов и системы подачи твердых веществ. Система подачи газов
состоит из двух каналов: канала подачи основного газа и канала подачи
вспомогательного газа. Структурно схема каждого из каналов показана на Рис.4.
Баллон высокого
давления
Редуктор
Баллон с
Р  1 атм
Регулируемый
натекатель
Ионный
источник
Рис.4. Структурная схема канала подачи газа.
Вспомогательный газ в некоторых случаях позволяет существенно повысить
интенсивность высокозарядных ионных пучков, получаемых из основного газа, а также
используется при работе на твердых веществах. Все элементы канала подачи
вспомогательго газа расположены на потенциале земли, в то время как натекатель
канала подачи основного газа конструктивно расположен на высоковольтной части
источника. В качестве регулятора потока газа используется прецизионный натекатель с
возможностью регулирования потока в диапазоне 0.01 - 0.5 см3/мин с дистанционным
управлением.
Cистема подачи твердых веществ включает в себя механизм подачи твердых
веществ, держатель и микропечь или распыляемый электрод. Микропечь или
распыляемый электрод крепятся на держателе, который обеспечивает ввод рабочего
вещества в ионизационную камеру. Механизм подачи обеспечивает прецизионную
установку рабочего вещества в рабочую точку с точностью 0.1 мм. Микропечь с
находящимся внутри контейнером с рабочим веществом обеспечивает его испарение в
ионизационную камеру. Максимальная температура в микропечи зависит от ее
конструкции и обычно достигает 900 - 1200 0С при потребляемой мощности от 20 до
100 Вт.
С целью получения ионов тугоплавких веществ используется метод прямого
испарения, когда образец помещается внутрь плазмы и его температура зависит от
глубины погружения и режима работы источника, или метод катодного распыления,
когда на образец подается отрицательный относительно плазмы потенциал (до 3 кВ) и
происходит распыление образца ускоренными ионами плазмы. В обоих случаях
требуется достаточно точная установка образца в рабочую точку и регулировка его
положения в процессе работы. По этой причине механизм подачи твердых веществ
должен иметь дистанционное управление.