CSNS强流负氢离子源及其改进

刘盛进，欧阳华甫，黄 涛，肖永川，曹秀霞，吕永佳，薛康佳，陈卫东

(1.中国科学院 高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科学中心，广东 东莞 523803)

中国散裂中子源(CSNS)作为中子散射多学科研究平台，为生命科学、材料科学、化学、物理等领域的微观研究提供了强有力的研究手段[1-2]。目前，CSNS加速器提供50 kW束流功率，束流可利用效率超过90%，未来束流功率将进一步提升至设计值100 kW。CSNS加速器包含1台80 MeV负氢直线加速器、1台1.6 GeV快循环质子同步加速器。

负氢直线加速器包括前端系统和漂移管直线加速器(DTL)系统。前端系统提供3.0 MeV、约15 mA的负氢束流注入DTL进行进一步加速。前端系统的主要设备有负氢离子源(IS)、低能传输段(LEBT，长度1.82 m)、射频四级加速结构(RFQ，长度3.688 m)及中能传输段(MEBT，长度3.002 m)[3-4]。在目前加速器的运行中，前端系统提供的束流模式有1 Hz-100 μs(重复频率为1 Hz，脉宽为100 μs)、5 Hz-100 μs、25 Hz-115 μs、25 Hz-250 μs及单脉冲。在供束期间，主要运行模式有25 Hz-115 μs，束流功率为20 kW；25 Hz-250 μs，束流功率为50 kW。在对加速器工艺进行验收测试时，RFQ入口负氢束流约为17.5 mA，出口负氢束流为16.5 mA，RFQ通过率为94.2%。为了匹配当前质子打靶功率50 kW的要求，离子源出口的束流强度维持在25 mA，经过50%切束后RFQ出口束流流强约为5.3 mA。供束期间，前端系统运行稳定，供束效率达到99%。本文对前端系统中的强流负氢离子源进行改进研究。

1 负氢离子源

前端系统的总体布局如图1所示。前端系统中的负氢离子源是潘宁型等离子体放电表面负氢离子源[5]，该类型离子源具有高发射电流密度、低发射度和寿命稳定的优点，同时也具有维护简单及建造成本相对较低的特点，因此被多个实验室选用作为负氢离子源[6-7]。离子源放电室的主要结构如图2所示，负氢离子源的等离子体放电空间为方块状区域，其边界为钼阴极和钼阳极及等离子体缝板，铯蒸气和氢气通过阳极小孔进入到放电区。潘宁磁场作用于放电区，与阴极表面垂直，电子受到该磁场的约束在两个阴极表面来回螺旋运动。在等离子体放电过程中，氢粒子与阴极表面碰撞俘获电子从而形成负氢离子(H-)，这一机制是表面负氢离子源形成负氢离子的主要方式。负氢离子通过等离子体缝板缝隙被引出电极所形成的电场引出。在运行过程中，负氢离子源采用脉冲弧放电模式，脉冲放电占空比固定为1.5%(重复频率为25 Hz，脉宽为600 μs)，束流引出采用脉冲方式，其占空比根据加速器所需而调整，如图3所示。在加速器调束期间，束流的引出模式有：1 Hz-100 μs、5 Hz-100 μs和单发束流模式，在供束期间，当前束流的功率为50 kW，因此束流引出的模式是25 Hz-250 μs。离子源的运行参数列于表1。

图1 前端系统的总体布局Fig.1 Overall layout of front end system

离子源的寿命取决于放电室的使用情况。当放电状态不稳定，伴随着束流波动、束流弱，这种情况下需更换放电室，并重新起弧运行。在25 Hz-600 μs下运行，负氢束流通常维持在30 mA，放电室的寿命约为30 d，过去1 a期间，共使用10套放电室。对于目前运行的负氢离子源，铯可有效提高负氢的产额，在运行前后通过微天平的测量，铯金属消耗量约为每月3.5 g，也即每天0.12 g。离子源运行期间，放电电极受到等离子体的轰击、腐蚀而逐渐恶化，被溅射出来的粒子会布满整个放电区域(图4)，造成等离子体放电的不稳定，从而引起束流波动，严重时会导致放电室短路。随束流波动的加剧，离子源将停止运行，备份的新放电室快速替代旧放电室，离子源再次起弧、运行。正常运行情况下，负氢流强大于20 mA，并能根据加速器运行要求进行调整。在低占空比(1 Hz-100 μs)束流引出时，引出电极表面沉积铯粒子，易引起高压打火，甚至会造成束流中断，这时需要通过高占空比(25 Hz-400 μs)束流轰击电极表面去除铯粒子。

图2 离子源放电室结构Fig.2 Structure of ion source discharge chamber

1——脉冲氢气控制阀门电压；2——脉冲弧流；3——脉冲引出电压；4——脉冲引出电流(包括电子和负氢)图3 离子源脉冲放电Fig.3 Ion source discharge at pulse mode

表1 束流功率为50 kW的离子源运行参数Table 1 Ion source running parameter at beam power of 50 kW

图4 放电室的放电区域Fig.4 Discharge region of discharge cell

2 负氢离子源的改进

对于最初的潘宁负氢离子源的设计，分析磁铁作为90°偏转磁铁，其主要作用为匹配引出电压，确保负氢束流沿设计的轨道进入低能传输段，同时过滤从离子源引出的电子，潘宁磁场则由分析磁铁顶端平面上两个拓展磁极而产生。在负氢离子源调试过程中，分析磁铁会随引出电压的变化而变化，分析磁铁的变化影响潘宁磁场，因此稳定的潘宁磁场对离子源脉冲放电的稳定性非常重要。此外，拓展磁极安装在分析磁铁顶端平面上，与放电室源体表面的间隙约为2.5 mm，由于两者间有超过10 kV的电势差，当离子源起弧放电时，铯蒸气从等离子体缝板缝隙飘逸出来沉积在拓展磁极表面，易引起打火，造成离子源的运行不稳定。因此，通过对潘宁磁场的计算，设计用永磁铁代替拓展磁极，图5示出磁场随偏转角的变化。通过实验测量和理论计算，对于17 keV的负氢束偏转90°，磁感应强度约为0.24 T。在这种情况下，其对应的等离子体放电区间的潘宁磁场的磁感应强度约为0.15～0.2 T[8]。该永磁铁安装在带冷却的法兰板上，与离子源放电室同电位，从而避免永磁铁与源体打火。对于永磁铁，Sm-Co磁铁具有较高的热稳定性，通过霍尔计测量，该磁铁表面磁感应强度为0.6 T，安装完成后，离子源放电区磁感应强度约为0.2 T。因此该Sm-Co永磁铁完全满足潘宁放电对磁场的要求，其安装如图6所示。因此，利用永磁铁的磁场作为潘宁磁场，一方面稳定的潘宁磁场有利于离子源弧流的稳定性，同时减少高压打火；另一方面分析磁铁可跟随引出电压的变化而变化，但不影响潘宁磁场。

图5 磁场随偏转角的变化Fig.5 Magnetic field vs. bending angle

图6 偏转铁顶端的拓展磁极(a)及永磁铁(b)Fig.6 Bending magnet (a) and permanent magnet (b) at top of deflection magnet

此外，50 kV陶瓷绝缘环被重新设计，如图7所示。在地电位端增加了帽沿设计，帽沿的长度为45 mm，因此绝缘环的总长度增加了10 mm，但在真空一侧的爬电距离却增加100 mm。该设计确保了绝缘距离，增加了爬电距离，提高了绝缘性能，同时减弱绝缘距离的增加对束流光路的影响。图8为改进离子源运行48 h的状态，AC弧流约为45 A、加速高压为50 kV、离子源出口负氢流强维持在40 mA。运行期间高压维持在50 kV，仅发生1次打火并迅速恢复，另外两次丢束主要由引出电压打火所致。整个运行期间，弧流、高压、束流流强保持稳定。

图7 新设计的绝缘环Fig.7 New design isolation ring

3 小结

强流负氢离子源为中国散裂中子源的运行提供了稳定的束流，同时离子源的改进进一步提高了运行的稳定性。未来中国散裂中子源的升级需要更高流强和更高品质的负氢束流，因此负氢离子源的性能研究仍需不断改进。此外，新型RF射频驱动负氢离子源也在研发、测试中。

从上到下依次为H-流强、加速高压、弧流图8 改进离子源运行48 h的状态 Fig.8 Improved ion source operation within 48 h