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离子源基本知识系列讲座—4.离子的引出

离子源的另一个重要问题就是设法将产生的离子及实地从放电室里拉出来,形成具有一定光学性质的离子束。对于等离子体离子源,一般都在放电室出口放置一个电极(叫等离子体电极)。此电极与放电室同处于一个电位(在PHSECR里面,等离子体电极处于+50kV),其中一面直接与等离子体相“接触”。通过电子的轴向扩散,在等离子体和等离子体电极之间会形成一定的“鞘层”。也就是说,等离子体与等离子体电极之间有一边界面。当等离子体电极面上开有一定大小的孔,而在其周围有一定的电场分布边界面上发射出来。这个等离子体边界面被成为等离子体发射,离子就会从这个等离子体。等离子体发生面的形状和它的相对位置,是由等离子体的密度、等离子体的温度等因素决定。它好像是一个有弹性的薄膜。当等离子体的参数一定时,发射面的形状随着引出电压的变化而变化;当引出电压一定时,发射面的形状则随着等离子体参数而变化。两者的变化规律很相似。发射面的三种形状如下图所示:


注:从左到右依次称为:欠聚焦、最佳聚焦、过度聚焦。CPHSECR源采用的就是聚焦模式。

对于等离子体离子源引出系统,基本上可以近似认为离子是由离子发射面垂直发射的,一般有初始会聚或发散。离开发射面后的离子,在电场作用下加速,最后经引出电极引出,形成离子束。

根据以上对离子引出的说明,可以看出,只要等离子体本身和等离子体电极确定,引出系统的固有特性就已经确定。在一些强流离子源和低能离子源中,常常使用的是三电极引出系统,如下图所示。


一般来说,等离子体电极处于正高电位,抑制电极处于负电位,最后一个电极一般处于地电位。这样由于抑制电极的负电位,使得地电极以后由于阳离子碰撞产生的自由电子,就不能反向注回离子源当中,这也是为什么第二个电极称为抑制电极的原因。现在离子束的引出模拟计算程序还不精确,计算结果只能作为设计的参考。这主要是离子束流的物理过程还没有搞清楚,数值计算采用的公式不够精确导致的。这样的计算程序有PbGun,我的电脑上有。实际的引出系统设计,基本上都是由实验结果和实际经验来确定,并根据实验结果再不断地做进一步的调整。