用于直线等离子体装置的永磁-电磁线圈复合式微波ECR源

本发明涉及用于直线等离子体装置的永磁-电磁线圈复合式微波ecr源，其属于等离子体产生与电子加热。

背景技术：

1、直线等离子体装置是开展等离子体产生、输运、约束、加热以及等离子体与材料相互作用研究的重要实验平台，广泛应用于聚变边界等离子体模拟、材料辐照实验、空间电（磁）推进、低温等离子体应用及相关基础物理研究领域。为了获得稳定、可控且具有一定密度的等离子体，直线等离子体装置通常需要配置可靠的等离子体源，以实现工作气体的电离和等离子体的持续产生。

2、电子回旋共振（electron cyclotron resonance，ecr）放电是一种常用的微波等离子体产生方式，其基本原理是在一定磁场条件下，使电子回旋频率与外加微波频率相匹配，电子能够有效吸收微波能量并与中性气体分子或原子发生碰撞电离，从而产生等离子体。与传统直流放电、射频放电等方式相比，ecr放电具有无电极污染、启动气压范围较宽、等离子体产生效率较高以及放电稳定性较好等优点，因此在等离子体实验装置中具有重要应用。

3、现有直线等离子体装置的微波ecr源通常采用单一的永磁式或电磁线圈式磁场结构。单一永磁式ecr源磁场分布主要由永磁体的结构、布置方式决定，安装完成后磁场强度和空间分布不易调节，难以根据微波输入参数及放电工况对电子回旋共振区域的位置进行动态调整。同时，单一永磁体产生的径向磁场会导致高能电子沿磁力线运动至放电腔室内壁，增加电子损失以及对腔壁材料的轰击和溅射，从而产生杂质离子且影响装置长期运行的稳定性。单一电磁线圈式ecr源可通过调节线圈电流改变磁场强度及电子回旋共振区域的位置，但其目标磁场全部由线圈产生，线圈需要承担基础磁场的建立和维持功能，因而存在持续励磁功耗和焦耳热及更严格的冷却需求。

4、此外，ecr源与直线等离子体装置连接后，直线等离子体装置的工作磁场会延伸至ecr源磁场内部，并与ecr源磁场叠加，使放电腔内的合成磁场分布发生变化，导致满足电子回旋共振条件的磁场等值面位置发生偏移。当源区磁场偏离电子回旋共振条件时，电子回旋共振区域与微波作用区域存在不匹配的问题，进而影响微波能量的有效沉积、等离子体放电的稳定性以及等离子体向直线装置内的输运。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的为解决现有技术中存在的磁场强度和空间分布不易调节；腔壁材料轰击和溅射导致产生杂质离子；外部直线等离子体装置的工作磁场导致电子回旋共振磁场等值面位置发生偏移的问题。本发明提供一种用于直线等离子体装置的永磁-电磁线圈复合式微波ecr源，通过永磁体组件与电磁线圈组件产生的磁场叠加，对圆筒形谐振腔内的磁感应强度及其空间分布进行调节，提升了ecr源的寿命与等离子体纯度。

2、本发明采用的技术方案为：一种用于直线等离子体装置的永磁-电磁线圈复合式微波ecr源，使用微波电源为微波源供电，所述微波源的输出端连接波导传输组件；所述波导传输组件末端设置微波耦合天线并伸入圆筒形谐振腔内部，圆筒形谐振腔端部设有长度可调的活塞短路器，活塞短路器能够沿着圆筒形谐振腔的轴向移动，调节圆筒形谐振腔的等效长度，进而调整谐振频率；

3、石英杯同轴设于圆筒形谐振腔内部；永磁体组件布置在圆筒形谐振腔内壁与石英杯之间，石英杯实现对等离子体与永磁体之间的物理隔离；

4、电磁线圈组件环绕设置在圆筒形谐振腔外部，所述电磁线圈组件电连接线圈电源，改变线圈电源的电流大小及方向，使电磁线圈组件产生的轴向可调磁场与永磁体组件产生的径向静态基准磁场叠加，从而调节圆筒形谐振腔内的复合磁场空间梯度。

5、进一步的，所述永磁体组件中永磁铁沿圆筒形谐振腔径向充磁，且永磁体组件产生的磁场方向与电磁线圈组件产生的磁场方向垂直。

6、进一步的，所述电磁线圈组件为环形线圈组件，其轴线与圆筒形谐振腔的轴线同轴设置，线圈绕组沿圆筒形谐振腔的轴向绕制，在圆筒形谐振腔的轴向产生调节磁场，线圈绕组缠绕匝数为200~300匝，工作电流20~50a，其中，电磁线圈组件的尺寸为：内径大于圆筒形谐振腔外径1~3 cm，轴向厚度5~15 cm。

7、进一步的，该微波ecr源还设置能够为圆筒形谐振腔和电磁线圈组件降温的冷却系统，所述冷却系统包括冷却管路，冷却管路分别环绕布置于圆筒形谐振腔与电磁线圈组件处，冷却管路采用冷却介质循环冷却实现线圈绕组和圆筒形谐振腔的稳定运行。进一步的，所述波导传输组件包括顺次连接的输入波导段、过渡波导段和输出波导段，所述圆筒形谐振腔设置在输出波导段。

8、进一步的，所述波导传输组件上串联有y型环形器，y型环形器的输入端口与输入波导段端口连接，输出端口连接至过渡波导段的端口，y型端口连接有水负载；输入波导段端口的微波从输入端口进入，从输出端口输出；输出端口的反射信号，从y型端口输出并通过水负载吸收。

9、进一步的，所述波导传输组件上串联有三销钉调谐器，所述三销钉调谐器位于y型环形器与过渡波导段之间，通过销钉伸入波导的长度调节反射功率。

10、进一步的，所述石英杯内通过注气管路由注气口将工作气体直接通入，注气口与注气系统连接；所述注气系统包括多路独立供气支路，各供气支路输出端汇合至注气口；每路供气支路上沿气流方向依次设有减压阀、截止阀、流量控制器和单向阀。

11、进一步的，所述供气支路分别连接氢气瓶、氘气瓶、氦气瓶及其他工作气体气瓶，可向腔内通入单一或混合工作气体。

12、进一步的，所述供气支路还连接有鼓泡式含锂气体发生单元，所述含锂气体发生单元包括惰性载气瓶、恒温阱以及置于恒温阱内的有机锂试剂溶液；惰性载气通入有机锂试剂溶液鼓泡，携带有机锂挥发组分形成含锂混合气体，经供气支路通入石英杯内。

13、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

14、1、通过永磁体组件与电磁线圈组件产生的磁场叠加，对圆筒形谐振腔内的磁感应强度及其空间分布进行调节，使电子回旋共振条件对应的磁感应强度等值面由靠近石英杯内壁的位置向石英杯中心方向移动，从而增加了电子回旋共振加热区域与石英杯内壁之间的距离，减少高能电子与器壁碰撞，有利于减轻石英杯表面侵蚀和溅射污染，降低杂质离子产生，提升了ecr源的寿命与等离子体纯度。

15、2、利用永磁体组件提供基础磁场，并通过调节电磁线圈组件的电流大小和方向，改变腔内合成磁场的大小及空间分布，实现对放电区域位置的调整，克服纯永磁体磁场分布固定、共振面位置不易调节的问题，提高微波ecr源对不同工作气压、微波功率及放电工况的适应能力。

16、3、当直线等离子体装置的工作磁场在圆筒形谐振腔内产生附加磁场分量时，可通过调节电磁线圈组件的电流大小和方向对该附加磁场分量进行补偿，使放电区域内的合成磁场维持在电子回旋共振条件所需的目标磁感应强度附近，从而降低直线等离子体装置工作磁场对ecr放电的影响，提高放电的稳定性。

17、4、永磁-电磁线圈复合式微波ecr源不仅可以用于直线等离子体装置，还可以拓展到其他实验或者工业装置，满足不同领域中等离子体产生需求。

18、本发明的永磁-电磁线圈复合式微波ecr源，不仅能够在直线等离子体装置中产生稳定的等离子体，而且由于其设置有微波传输匹配结构、多种气体注入结构以及冷却结构，能够满足不同气体种类、不同微波功率和不同放电条件下的等离子体实验需求。该装置通过微波源产生2.45 ghz微波，利用三销钉调谐器、活塞短路器、微波耦合天线等调节微波传输过程中的阻抗匹配，并通过环形器和水负载吸收反射微波，有效提高微波耦合效率和微波源运行的安全性；同时，氢气、氘气、氦气和其他工作气体可经独立供气支路进入放电区域，实现单一气体与混合气体放电，此外，还能通过鼓泡的方式引入含锂混合气体，并在微波电场和复合ecr磁场作用下形成含锂等离子体，实现金属等离子体放电。该装置能够作为研究等离子体产生、等离子体与材料相互作用、等离子体源引出及等离子体输运的实验平台，在等离子体实验装置及相关工程领域具有较大的应用价值和广泛的应用前景。