一种用于射频负氢离子源的内置射频天线和制作工艺的制作方法

1.本发明属于射频天线技术领域，尤其涉及一种用于射频负氢离子源的内置射频天线和制作工艺。


背景技术：

2.在回旋加速器中，离子源技术是一项关键技术，离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。离子源是束流的源头，决定着束流品质，也直接影响着回旋加速器的性能。
3.强流负氢射频离子源是近年来广泛需求的一种高产额高流强离子源，其引出流强在100ma以上，与现有技术的低产额低流强离子源相比，高产额高流强离子源实现难点在于：
4.高产额引出和内置天线寿命相对短的矛盾。高产额引出首先要求离子源射频天线的馈入功率效率高(离子源射频天线用于产生涡旋电场，真空中残存电子在离子源射频天线电场加速下与氢气分子或氢原子相互碰撞产生负氢离子)，为了解决传统外置式天线射频离子源存在功率利用效率低、即引出流强小的问题，本领域技术人员试图采用内置天线式射频离子源代替外置式天线射频离子源，这是由于内置天线直接与等离子体接触，功率馈入效率高，引出流强大，但同时内置天线因为直接与等离子体接触会产生等离子体鞘层：任何一个物体直接接触等离子体如果这个物体是带电的就会产生鞘层，鞘层是动态的粒子流入和流出，动态的鞘层不断地流入流出就会不停的将粒子打在天线上，使得天线的寿命缩短。而现有技术由于采用外置线圈由于不接触等离子体，因此不会产生鞘层。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对上述现有技术中存在的问题提供了一种用于射频负氢离子源的内置射频天线和制作工艺，在保证射频离子源正常工作的前提下，有效地解决了等离子体回轰天线的问题，增加了射频天线的使用寿命。
6.本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：
7.一种带有搪瓷涂层、用于射频负氢离子源的内置射频天线，该内置射频天线(2)用于一种脉冲模式多峰场内置天线式射频强流负氢离子源，该离子源能够产生强流脉冲负氢离子束流，其特点是：
8.该内置射频天线线圈(2)圈数为2.5-3.5圈，其圈径平均环绕直径为58mm，两端的直线部分腿间距为25mm，线圈螺旋环绕部分的高度为40mm-50mm；
9.该内置射频天线(2)的涂层为搪瓷结构，当该搪瓷结构同时满足涂层厚度为0.6-0.7mm毫米、相对介电常数小于30、涂层电阻率大于45000ω.cm的条件时，鞘层电压逼近于0。
10.该搪瓷结构的釉料按照质量份包括以下的物质：
11.基釉95-105份、粘土4-8份、石英1-5份、尿素0.1-0.8份、亚硝0.1-0.5份、水45-55
份。
12.进一步地，该搪瓷结构为去除了用于着色的金属氧化物的搪瓷结构，用以减小涂层相对介电常数。
13.进一步地，该搪瓷结构的介电击穿强度超过3kv/mm。
14.一种能够实现等离子体鞘层无电位的内置式射频天线制作工艺，其特征在于：包括以下步骤：
15.步骤一、制作片状瓷釉；
16.a、混合原料：将所述釉料的原料混合均匀获得釉料的混合物；
17.b、熔制：将釉料的混合物放入坩埚中熔化；
18.c、压片：将熔化的所述釉料的混合物通过压片机制成片状瓷釉；
19.步骤二、覆盖层浸搪；
20.将步骤一中制得的部分片状瓷釉球磨获得用于浸搪铜胎珐琅天线的釉粉；将釉粉均匀浸搪在铜胎天线上形成具有覆盖层的铜胎珐琅天线；
21.步骤三、对具有覆盖层的铜胎天线进行烘干；
22.步骤四、烧制成品；将烘干的覆盖有釉料的铜胎天线放入熔烧炉中进行烧制，保温；取出成品，冷却至常温。
23.步骤五、重复(2)到(4)步骤，直至釉料层的厚度达到0.6-0.7mm左右。
24.进一步地，所述步骤一中熔制所述釉料的混合物的温度为1200-1250℃，熔制时间为1-3h。
25.进一步地，所述步骤二中球磨后的所述釉粉过筛，过筛目数为60～80目；所述釉粉的容重1.6-1.7g/ml。
26.进一步地，所述步骤二覆盖层的厚度为100-250μm。
27.进一步地，所述步骤三中烘干工艺条件为：温度为70-120℃，时间为5-30min。
28.进一步地，所述步骤四中烧成的工艺条件为：温度为760～860℃温度,烧制时间为4-10min；所述步骤四中保温的工艺条件为：温度为400-600℃，保温时间为1-5min。
29.本发明的优点效果
30.1、本发明提供了一种带有搪瓷涂层、用于射频负氢离子源的内置射频天线，基于射频离子源工作原理，针对内置射频天线需隔绝与等离子体的电位差、线圈间及天线与内腔间需绝缘防击穿、延长工作寿命等技术要求，有效地解决了等离子体回轰天线的问题，增加了射频天线的使用寿命。
31.2、本发明通过设置天线结构、以及搪瓷结构同时满足涂层厚度、相对介电常数、涂层电阻率条件、以及该搪瓷釉料各个质量成分配比条件，实现了等离子体鞘层无电位，从根本上解决等离子体回轰天线的问题。而目前极少数使用的、能够满足上述天线涂层要求的大多为陶瓷结构，价格高昂，制作复杂，且材料较脆，且与金属粘和性较差。而本发明采用的涂层为常用的搪瓷涂层，成本较低，同时制作简单，且材料坚固，其密着性、抗冲击性及抗热急变性能优异。同时本发明使用的搪瓷结构原用于热水器内胆，在满足上述涂层要求的情况下，还具有很强的防水性，即材料孔隙率较低，这十分符合天线涂层的要求，同时十分有利于离子源内真空环境的形成。
32.3、本发明通过设置天线圈数为2.5-3.5圈、圈径平均环绕直径为58mm、以及该搪瓷
结构同时满足涂层厚度为0.6-0.7mm毫米、相对介电常数小于30、涂层电阻率大于45000ω.cm、以及该搪瓷结构的釉料按照质量份包括基釉95-105份、粘土4-8份、石英1-5份、尿素0.1-0.8份、亚硝0.1-0.5份、水45-55份，实现了用搪瓷涂层代替陶瓷涂层，大幅度降低了成本：制作同等规格的内置式射频天线，如果采用陶瓷涂层为数万元，而采用搪瓷涂层为数百元，相差100倍，成本降低为原来的百分之一。
附图说明
33.图1为本发明负氢离子源装置示意图；
34.图2为本发明离子源内置式射频天线示意图；
35.图2a为本发明内置天线涂层厚度、介电常数、电阻率满足一定条件时，等离子体鞘层逼近于无电位示意图；
36.图2b为本发明实现等离子体鞘层无电位示意图；
37.图中：1：负氢离子源；1-1：离子源内置式射频天线上盖板；1-2：离子源内腔体；1-3：离子源外腔体；2：离子源内置式射频天线；3:永磁铁阵列；4:离子源引出结构；3-1:过滤磁铁阵列。
具体实施方式
38.本发明设计原理
39.高产额强流负氢内置式射频天线的设计：
40.①
线圈结构设计和线圈涂层设计的关系：当线圈通入交变电流产生用于加速电子的涡旋电场的同时，天线本身会产生自感电压。根据研究表明，天线自感电压必须通过涂层和等离子体鞘层来维持电位，也就是说需要天线涂层和等离子体鞘层的电压共同限制自感电压。同时相对低的等离子体鞘层电位差可以减少来自等离子体的离子对天线涂层的溅射，增加射频天线的使用寿命，因此希望等离子体鞘层无电位差、既将电位限制在涂层内，且要避免天线与内腔间发生击穿。此时，内置式射频天线的设计就需要内置线圈的结构和内置线圈的涂层，其中内置线圈的结构设计决定了自感电压的大小，只有预知自感电压的大小才能避免击穿，而内置线圈涂层的设计决定了如何使得等离子体鞘层无电位。
41.如图2b所示，从左至右4个区域，天线、天线涂层、等离子体鞘层、等离子体，上下有2条线，当上面一条线将电位限定在天线涂层内时，在等离子层的电压几乎没有电位差，称之为鞘层无电位；所述将电位限定在天线涂层内，既是电压的最高点位于天线涂层内，当电压最高点在等离子体鞘层时，等离子体鞘层“有”电位。等离子体鞘层“有”电位时，由于鞘层是动态的粒子流入和流出，动态的鞘层不断地流入流出就会不停的将粒子打在天线上，使得天线的寿命缩短。
42.②
内置式射频天线的设计：本发明内置式天线的设计包括二方面，第一、线圈结构的设计：根据研究表明，在电感耦合(icp)的射频离子源中，流经射频天线中的射频电流感生出与线圈同轴的射频涡旋电场，腔内残存电子在涡旋电场作用下作往返式回旋运动，并与气体分子碰撞使其电离，最终产生等离子体。当射频频率选定时，涡旋电场的大小仅与线圈的圈径和圈数有关，因此天线设计的主要参数便在于天线的环路直径和圈数。具体为：该离子源内置式射频天线2圈数为2.5-3.5圈，其圈径平均环绕直径为58mm，两端的直线部分
腿间距为25mm，线圈螺旋环绕部分的高度为40mm-50mm；第二、线圈涂层的设计：根据研究表明，等离子体鞘层和绝缘涂层的阻抗分布为电容和电阻并联，参考聚变等离子体数值计算模型并将参数更换为典型的离子源参数，并采用数值算法计算，最终可算得若使等离子体鞘层无电压分布，应同时满足：涂层厚度大于0.4mm，相对介电常数小于30，涂层电阻率大于45000ω.cm，介电击穿强度超过3kv/mm。对于大多数搪瓷，其理想电阻率约为10
14
ω.cm，平均介电击穿强度约为10kv/mm，去除用于着色的金属氧化物后相对介电常数约为20。又因射频场对天线的热效应在厚度上几乎是均匀的，且天线是直接水冷的，因此热效应对涂层的影响可以忽略。可见搪瓷材质可以满足射频天线涂层的要求，但需满足一定的孔隙率。
43.基于以上原理，本发明设计了一种带有搪瓷涂层、用于射频负氢离子源的内置射频天线。
44.一种带有搪瓷涂层、用于射频负氢离子源的内置射频天线，该内置射频天线2用于一种脉冲模式多峰场内置天线式射频强流负氢离子源，该离子源可产生强流脉冲负氢离子束流的离子源，其特征在于：
45.该内置射频天线线圈2圈数为2.5-3.5圈，其圈径平均环绕直径为58mm，两端的直线部分腿间距为25mm，线圈螺旋环绕部分的高度为40mm-50mm；
46.如图2a所示，该内置射频天线2的涂层为搪瓷结构，当该搪瓷结构同时满足涂层厚度为0.6-0.7mm毫米、相对介电常数小于30、涂层电阻率大于45000ω.cm的条件时，鞘层电压逼近于0。
47.该搪瓷结构的釉料按照质量份包括以下的物质：
48.基釉95-105份、粘土4-8份、石英1-5份、尿素0.1-0.8份、亚硝0.1-0.5份、水45-55份。
49.补充说明1：
50.所述一种脉冲模式多峰场内置天线式射频强流负氢离子源1如图1所示，其从上至下从外到内包括：离子源内置式射频天线2、离子源内置式射频天线上盖板1-1、离子源内腔体1-2、离子源外腔体1-3、位于离子源内腔体1-2和离子源外腔体1-3之间的永磁铁阵列3、离子源引出结构4、位于该永磁铁阵列底层和离子源引出结构的离子源复合结构过滤场，该离子源复合结构过滤场由过滤磁铁阵列3-1和离子源引出结构的吸极磁铁4-3组成；所述离子源内置式射频天线2外接双频驱动系统，该双频驱动系统经由阻抗匹配及隔离系统与位于上盖板的内置式射频天线2相连接、将其射频功率通过内置式射频天线2耦合到离子源内腔1-2体；所述离子源内置式射频天线2用于产生涡旋电场、使得空气中残存的自由电子在该电场的作用下与通入离子源的氢气发生碰撞产生负氢离子；所述永磁铁阵列3用于提供离子源内腔体1-2的约束磁场；所述离子源复合结构过滤场用于分别形成横向磁场进而过滤快电子和过滤慢电子；所述离子源内置式射频天线2为带有搪瓷涂层的能够实现等离子体鞘层无电位的内置式射频天线；所述复合结构过滤场为在过滤场最高点叠加磁场以过滤快电子的复合结构过滤场；所述离子源引出结构4为在60kv高压下引出高于100ma负氢流强的离子源引出结构。
51.补充说明2：
52.如图2b所示，本发明的最终目标是通过天线涂层的电压和等离子体鞘层的电压抵消掉内置线圈中的自感电压，由于希望等离子体鞘层的电压基本为零电位，因此就要把电
压的最高点截止在天线涂层内，如图所示的上面一条线的最高点基本在天线涂层内。
53.图2a所示，为使等离子体鞘层的电压基本为零电位，天线涂层需同时满足3个条件：涂层厚度为0.6-0.7mm毫米、相对介电常数小于30、涂层电阻率大于45000ω.cm。
54.目前常用的天线涂层大多仅考虑绝缘防击穿的问题，并不满足上述天线涂层要求，因此并不能从根本上解决等离子体回轰天线的问题。而目前极少数使用的、能够满足上述天线涂层要求的大多为陶瓷结构，价格高昂，制作复杂，且材料较脆，且与金属粘和性较差。而本发明采用的涂层为常用的搪瓷涂层，成本较低，同时制作简单，且材料坚固，其密着性、抗冲击性及抗热急变性能优异。同时本发明使用的搪瓷结构原用于热水器内胆，在满足上述涂层要求的情况下，还具有很强的防水性，即材料孔隙率较低，这十分符合天线涂层的要求，同时十分有利于离子源内真空环境的形成。
55.进一步地，该搪瓷结构为去除了用于着色的金属氧化物的搪瓷结构，用以减小涂层相对介电常数。
56.该搪瓷结构的介电击穿强度超过3kv/mm。
57.一种能够实现等离子体鞘层无电位的内置式射频天线制作工艺，其特征在于：包括以下步骤：
58.步骤一、制作片状瓷釉；
59.a、混合原料：将所述釉料的原料混合均匀获得釉料的混合物；
60.b、熔制：将釉料的混合物放入坩埚中熔化；
61.c、压片：将熔化的所述釉料的混合物通过压片机制成片状瓷釉；
62.步骤二、覆盖层浸搪；
63.将步骤一中制得的部分片状瓷釉球磨获得用于浸搪铜胎珐琅天线的釉粉；将釉粉均匀浸搪在铜胎天线上形成具有覆盖层的铜胎珐琅天线；
64.步骤三、对具有覆盖层的铜胎天线进行烘干；
65.步骤四、烧制成品；将烘干的覆盖有釉料的铜胎天线放入熔烧炉中进行烧制，保温；取出成品，冷却至常温。
66.步骤五、重复(2)到(4)步骤，直至釉料层的厚度达到0.6-0.7mm左右。
67.进一步地，所述步骤一中熔制所述釉料的混合物的温度为1200-1250℃，熔制时间为1-3h。
68.进一步地，所述步骤二中球磨后的所述釉粉过筛，过筛目数为60～80目；所述釉粉的容重1.6-1.7g/ml。
69.进一步地，所述步骤二覆盖层的厚度为100-250μm。
70.进一步地，所述步骤三中烘干工艺条件为：温度为70-120℃，时间为5-30min。
71.进一步地，所述步骤四中烧成的工艺条件为：温度为760～860℃温度,烧制时间为4-10min；所述步骤四中保温的工艺条件为：温度为400-600℃，保温时间为1-5min。
72.需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。