離子注入機直線加速器原理

江永兵 楊怡

（杭州士蘭集昕微電子有限公司 浙江省杭州市 310000）

1 引言

直線加速器分為兩種，一種是帶圓孔的膜片行波直線加速器，一種是帶漂移管的諧振腔駐波直線加速器。帶圓孔的膜片行波加速適用于加速電子，而硼離子等相對原子質量比較大的離子常采用帶漂移管的諧振腔駐波加速的結構。離子注入機上通常用于加速硼離子、磷離子等相對原子質量比較大的離子，因此采用的是帶圓柱形金屬漂移管的諧振腔駐波直線加速器。帶電離子在直線加速器中是用高頻電磁波軸向分量的電場進行加速的，電磁波模式為TM010模。

離子注入機直線加速器由一個控制單元控制RF電源的輸出頻率和加載到負載（諧振腔漂移管）上的相位以及電壓幅度，同時控制聚焦電源輸出加載到聚焦電極上的電壓幅度。離子的加速是通過漂移管和聚焦電極之間的電場完成的，高頻RF電源提供的射頻電流通過諧振腔將電壓放大，放大倍數與諧振腔的品質因素Q有關。放大后的電壓加載到漂移管上形成加速電場的正極，漂移管前方和后方的聚焦電極形成電場的負極。帶電離子通過聚焦電極和漂移管時即可獲得加速，在漂移管內部的帶電離子不受電場作用，保持勻速直線運動。

2 直線加速器控制框圖

如圖1所示，控制單元控制直接數字式頻率合成器（DDS）產生12路13.56MHz的頻率，該頻率輸送到12個RF電源上，然后在通過控制單元上的移相電路來控制12路頻率的相位，在通過電壓信號控制RF電源的功率輸出幅度。通過以上方式，可以控制加載到負載諧振腔上電場的相位和電壓幅度，用來協調每個諧振腔和離子的同步，讓更多的帶電離子通過每個諧振腔時都呈現加速狀態。加載到諧振腔上的RF電源功率通過諧振腔可以實現電壓放大，放大后的電壓加載到漂移管上形成帶電離子的加速電場。同時根據帶電離子的能量，控制聚焦電源輸出電壓的大小。

圖1：直線加速器控制框圖

2.1 諧振腔電壓放大原理

圖2：諧振腔等效電路圖

2.2 諧振腔頻率和相位控制原理

離子注入機中的可變相直線加速器的頻率和相位控制單元，包括振蕩器、功率放大器、功分器、直接數字式頻率合成器（DFS）、數字相位合成電路（DPS）、鎖相環和增益放大器七部分組成。首先通過振蕩器產生基準波形，通過功率放大器增強基準波形的功率，然后使用功分器將基本波形分為多份。每一路頻率信號會通過數字式頻率合成器（DFS）產生需要的精確的13.56MHz，在通過數字相位合成電路（DPS）在精確頻率上增加相應的相移，最終通過鎖相環（PLL）產生控制RF電源的信號。原理框圖如圖3所示。

圖3：頻率和相位控制框圖

2.2.1 功率合成器和分配器

如果不使用功率合成器和功率分配器，單單使用直接數字式頻率合成器輸出的頻率來控制12個RF電源，會出現由于傳輸線的衰減和均分12路，會造成每一路的功率都不夠，信號失真的問題。因此需要先將基準信號通過功率分配器平均分成多份，再通過功率放大電路同時對多個輸入信號進行放大，然后將各個功放的輸出信號通過功率合成器相加，這樣得到的總輸出功率遠大于基準信號。增強的信號在通過功率分配器平均分給12路RF電源使用。如圖4所示。

圖4：功率合成器和分配器

2.2.2 直接數字式頻率合成器

圖5：直接數字式頻率合成器

2.2.3 鎖相環

圖6：鎖相環

3 直線加速器加速原理

可變相直線加速器由12 個諧振腔和14組四極聚焦透鏡組成，每個諧振腔末端有一個圓柱狀的漂移管供帶電離子通過。正離子進入直線加速器時，先通過第一和第二個四極聚焦透鏡Q1和Q2，然后通過第一個諧振腔C1，往后則是四極聚焦透鏡和諧振腔依次分布在一條直線上。直線加速器結構如圖7所示。

圖7：直線加速器結構

3.1 連續離子流的離散化

當很多連續的正離子進入直線加速器時，首先被Q1和Q2兩組四極透鏡聚焦成橢圓的離子團，然后再進入第一個諧振腔C1。C1諧振腔和C2諧振腔加速的作用很小，主要目的是把連續的離子流變成一束一束的離散的正離子團。目的是為了便于上述諧振腔相位變換時容易控制。離散化主要是通過每個正離子速度不同實現的。由于漂移管接在RF輸出的正弦波電壓上，當運動在前面的離子進入漂移管前，漂移管呈現正電性，則正離子被減速進入漂移管。如圖8所示。

圖8：漂移管正電性

運動在前面的正離子進入漂移管后，運動在后面的正離子準備進入漂移管時，電性改變成負電性，此時運動在后面的正離子加速運動進入漂移管。已經運動出漂移管的正離子此時再次受到電場的力呈現減速運動。如圖9所示。

圖9：漂移管負電性

在前運動的正離子減速，在后運動的正離子加速，離子被集中到一起變成一團一團的離子束。圖10顯示了正離子進入C1諧振腔前的離子束寬度a和離開C1諧振腔后的離子束寬度b，以及離開C2諧振腔后的離子束寬度c。

圖10：離子通過C1和C2后的寬度

3.2 離子束的加速

當集中在一起后的正離子束被四極聚焦透鏡聚焦Q4聚焦后，向圖7中C3諧振腔的漂移管運動，此時漂移管上的電壓呈負電性讓離子加速。當離子離開C3漂移管時，C3漂移管呈現正電性，繼續讓正離子受斥力呈現加速運動，以此實現離子的不間斷加速，增加離子能量。后續通過控制單元控制每一個RF電源的相位，即可實現離子通過每一個諧振腔都能呈現加速的狀態。

對于諧振腔漂移管的長度、相位和輸出幅值而言。從C3開始到C12，由于離子運動速度越來越快，為了讓漂移管的電性和離子同步，在每個諧振腔頻率一定的情況下，相位轉化時間一定。因此需要逐漸增加往后每個漂移管的長度，以此來增加離子在漂移管中的運動時間，讓控制單元能夠有足夠的時間轉換RF電源的極性，使離子呈現加速狀態。

由于C1和C2主要目的是集中束流使其離散化，加速功能不占主要目的，因此相位幾乎為330°±10°。從C3開始到C12，每個諧振腔之間由于相應漂移管和RF電源之間的傳輸線長度不同，導致時間延遲不同，為了能讓離子一直呈現加速狀態，諧振腔的相位必須延時或提前，相鄰諧振腔在10-60°之間增加。諧振腔輸出幅度越大，差異越大。這是因為更大的電壓幅度偏差導致更短的離子運動時間跨越兩個電極之間的間隙。同時隨著離子束能量的增加，在每個電極內花費的時間減少，每個連續的間隙也需要更高的相移。從C3開始到C12，為了增加離子的傳輸效率，簡化相位的運算量，每個諧振腔的輸出電壓是一樣的。C1和C2作用不同，因此電壓不同。

3.3 離子束加速效率

離子注入機一般用來加速氫離子、硼離子等質量較大的離子，離子運動速度遠小于光速，因此采用駐波加速以獲得較高的加速效率。加速效率表示在一定的高頻RF功率下，諧振腔能建立多大場強的電勢場。加速效率受RF電源的頻率和諧振腔的結構尺寸影響。一般RF電源的頻率越高，諧振腔尺寸越小，加速效率越高。離子注入機采用13.56MHz的頻率和400mm直徑的諧振腔加速正離子。

在結構和RF頻率固定的情況下，直線加速器的加速效率與三個方面相關，分別是12個諧振腔之間的相位匹配，離子束的聚焦和離子束進入諧振腔的入射角。

（1）當諧振腔之間的相位不匹配時，離子運動到某個諧振腔時，有的離子被加速，有的離子被減速，最終能夠在所有諧振腔都呈現加速的離子很少導致加速效率極低。

（2）當離子束聚焦不好，離子束直徑過大時，由于正離子之間的斥力，直徑進一步增大，部分離子會撞擊到漂移管上導致加速效率降低。

（3）當離子束以一定角度進入諧振腔漂移管時，當注入角小于2mrad，離子束傳輸不受影響。當大于2mrad離子束會由于偏轉撞擊導致加速效率降低。

4 結論

本文的主要工作有：

（1）闡述了連續離子流的離散化，

（2）討論了離子是如何加速的，以及每個漂移管的長度、相位和幅度的關系；

（3）利用等效電路的方法研究了諧振腔電壓放大原理；

（4）討論了離子注入機直線加速器的相位和頻率控制。

本文沒有對諧振腔的電磁場，采用HFSS進行仿真和定性描述，沒有對駐波的形成和駐波加速原理進行闡述，并且沒有對諧振腔的具體結構尺寸進行解釋，今后還需要對此方面進行進一步的補充。