申请/专利权人：中国科学院近代物理研究所

申请日：2019-04-03

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN109916177B

主分类号：F27B14/06

分类号：F27B14/06;F27B14/08;F27B14/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2019.07.16#实质审查的生效;2019.06.21#公开

摘要：本发明涉及一种ECR离子源感应炉，包括：感应坩埚，感应坩埚呈两端开口的圆筒状且为卧式放置；内屏蔽筒，套设在感应坩埚外部，用于对感应坩埚进行保温；外屏蔽单元，套设在内屏蔽筒外部且与内屏蔽筒之间存在环形夹层；感应线圈，缠绕在内屏蔽筒外周且与内屏蔽筒之间为滑动配合，用于产生交变磁场以对感应坩埚进行加热；紧固单元，设置在感应坩埚、内屏蔽筒和外屏蔽单元的两端，以将感应坩埚、内屏蔽筒和外屏蔽单元连接在一起并将三者的内部空间封闭，同时在紧固单元上开设有连通感应坩埚内腔和ECR等离子体的蒸气出口。本发明可以将充足的难熔金属蒸气馈入到ECR等离子体中，进而产生相应的强流高电荷态难熔金属离子束。

主权项：1.一种ECR离子源感应炉，其特征在于，包括：感应坩埚（11），所述感应坩埚（11）呈两端开口的圆筒状且为卧式放置；内屏蔽筒（10），套设在所述感应坩埚（11）外部，用于对所述感应坩埚（11）进行保温；外屏蔽单元（1），套设在所述内屏蔽筒（10）外部且与所述内屏蔽筒（10）之间存在环形夹层；感应线圈（9），缠绕在所述内屏蔽筒（10）外周且与所述内屏蔽筒（10）之间为滑动配合，用于产生交变磁场以对所述感应坩埚（11）进行加热；紧固单元（3），设置在所述感应坩埚（11）、内屏蔽筒（10）和外屏蔽单元（1）的两端，以将所述感应坩埚（11）、内屏蔽筒（10）和外屏蔽单元（1）连接在一起并将三者的内部空间封闭，同时在所述紧固单元（3）上开设有连通所述感应坩埚（11）内腔和ECR等离子体的蒸气出口（4）；在所述感应坩埚（11）的两端设置有三棱凸台，以使所述内屏蔽筒（10）与所述感应坩埚（11）之间存在一隔热夹层；所述外屏蔽单元（1）包括套设在所述感应线圈（9）外周的第一外屏蔽筒（8）和紧固套设在所述第一外屏蔽筒（8）外部的第二外屏蔽筒（7）；所述紧固单元（3）包括分别连接在所述感应坩埚（11）、内屏蔽筒（10）和外屏蔽单元（1）前后两端的前端板（6）和后端板（12），所述前端板（6）和后端板（12）分别通过卡套（5）与所述第二外屏蔽筒（7）连接，且所述卡套（5）与所述第二外屏蔽筒（7）在室温下保持滑动配合，同时所述卡套（5）选择热膨胀系数略小于第二外屏蔽筒（7）的材料。

全文数据：一种ECR离子源感应炉技术领域本发明涉及一种感应炉，具体是关于一种ECRElectronCyclotronResonance，电子回旋共振离子源感应炉。背景技术ECR离子源具有束流强度高、电荷态高、几乎无寿命问题等优点，已逐渐成为重离子加速器初始注入器的首选。ECR离子源所提供的重离子束从中低电荷态到高电荷态，束流强度从微安到毫安不等。目前，ECR离子源所提供的气态离子束已满足大部分重离子加速器的需求，但其提供的金属离子束尚远不能满足需求。感应加热是一种典型的加热技术，已经广泛的应用在金属熔炼、热处理、焊接和镀膜等工业领域，它可依靠交变磁场产生的涡流效应加热坩埚。目前，国际上部分实验室已开始尝试ECR离子源高温感应炉的研制，但仍然存在诸多问题：1感应功率被大量损失在感应坩埚之外的地方，比如金属外屏蔽层、传输线等；2感应坩埚与难熔陶瓷直接接触，在极高温下大于1600℃坩埚与陶瓷层发生反应，从而导致感应炉性能急速下降；3感应炉的紧固结构复杂，加工成品率低，价格昂贵，安装十分不便；发明内容针对上述问题，本发明的目的是提供一种ECR离子源感应炉，该感应炉可以将充足的难熔金属蒸气馈入到ECR等离子体中，进而产生相应的强流高电荷态难熔金属离子束。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种ECR离子源感应炉，其特征在于，包括：感应坩埚，所述感应坩埚呈两端开口的圆筒状且为卧式放置；内屏蔽筒，套设在所述感应坩埚外部，用于对所述感应坩埚进行保温；外屏蔽单元，套设在所述内屏蔽筒外部且与所述内屏蔽筒之间存在环形夹层；感应线圈，缠绕在所述内屏蔽筒外周且与所述内屏蔽筒之间为滑动配合，用于产生交变磁场以对所述感应坩埚进行加热；紧固单元，设置在所述感应坩埚、内屏蔽筒和外屏蔽单元的两端，以将所述感应坩埚、内屏蔽筒和外屏蔽单元连接在一起并将三者的内部空间封闭，同时在所述紧固单元上开设有连通所述感应坩埚内腔和ECR等离子体的蒸气出口。所述的ECR离子源感应炉，优选的，该ECR离子源感应炉还包括设置在所述感应坩埚内部的蒸发舟，并且在所述蒸发舟表面进行耐高温陶瓷喷涂。所述的ECR离子源感应炉，优选的，所述外屏蔽单元包括套设在所述感应线圈外周的第一外屏蔽筒和紧固套设在所述第一外屏蔽筒外部的第二外屏蔽筒。所述的ECR离子源感应炉，优选的，所述紧固单元包括分别连接在所述感应坩埚、内屏蔽筒和外屏蔽单元前后两端的前端板和后端板，所述前端板和后端板分别通过卡套与所述第二外屏蔽筒连接，且所述卡套与所述第二外屏蔽筒在室温下保持滑动配合，同时所述卡套选择热膨胀系数略小于第二外屏蔽筒的材料；在所述前端板的中部设置有与所述感应坩埚相连通的热电偶安装孔，所述蒸气出口则设置在所述后端板的中部。所述的ECR离子源感应炉，优选的，在所述感应坩埚的两端设置有三棱凸台，以使所述内屏蔽筒与所述感应坩埚之间存在一隔热夹层。所述的ECR离子源感应炉，优选的，所述感应坩埚两端的三棱凸台有以下三种设计方式：第一种方式是直接将所述感应坩埚的两端加工成三棱凸台形状，第二种方式是在所述感应坩埚的两端增加带三棱凸台的圆环，第三种方式是在所述感应坩埚与所述内屏蔽筒之间塞入相应厚度的金属方块形成三棱凸台。所述的ECR离子源感应炉，优选的，该ECR离子源感应炉还包括两根功率传输管，且所述感应线圈为中空管，其中一根所述功率传输管的一端穿过所述前端盖后连接所述感应线圈的一端，另一根所述功率传输管的一端穿过所述前端盖后连接所述感应线圈的另一端，两根所述功率传输管的另一端连接外部高频电源和去离子水冷却装置。所述的ECR离子源感应炉，优选的，该ECR离子源感应炉炉体的外径小于40mm，所述功率传输管的长度为500-1000mm，所述功率传输管采用中空铜管，两根所述功率传输管之间的间距为2-5mm。所述的ECR离子源感应炉，优选的，所述感应线圈采用外径3-6mm，壁厚0.5-1mm的中空铜管，所述感应线圈的匝数为5-30，长度为40-70mm；所述感应坩埚的壁厚为0.8-2mm，内径为6-12mm，长度40-70mm。所述的ECR离子源感应炉，优选的，所述内屏蔽筒选择氧化锆材料，所述第一外屏蔽筒、第二外屏蔽筒、前端板和后端板选择99瓷或氮化硼材料，所述感应坩埚和蒸发舟的材料为钨、钽、钼或者铼。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的感应炉通过在感应坩埚两端增加三棱凸台，使感应坩埚与内屏蔽筒在高温区不直接接触，避免两者在高温下1600℃发生反应，提高了感应炉的寿命和可靠性。2、本发明的端板采用卡套方式固定，并同时考虑卡套与外屏蔽筒的热膨胀系数，使得卡套在高温下不易脱落，而在室温时也方便更换。3、本发明在感应坩埚内增加了蒸发舟，方便更换炉料，同时避免炉料在开放的感应坩埚中流失。附图说明图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明的局部剖视图。具体实施方式以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。如图1、图2所示，本发明提供的ECR离子源感应炉，包括：感应坩埚11，感应坩埚11呈两端开口的圆筒状且为卧式放置；内屏蔽筒10，套设在感应坩埚11外部，用于对感应坩埚11进行有效保温；外屏蔽单元1，套设在内屏蔽筒10外部且与内屏蔽筒10之间存在环形夹层；感应线圈9，缠绕在内屏蔽筒10外周且与内屏蔽筒10之间为滑动配合，用于产生交变磁场以对感应坩埚11进行加热；紧固单元3，设置在感应坩埚11、内屏蔽筒10和外屏蔽单元1的两端，以将感应坩埚11、内屏蔽筒10和外屏蔽单元1连接在一起并将三者的内部空间封闭，同时在紧固单元3上开设有连通感应坩埚11内腔和ECR等离子体的蒸气出口4。在上述实例中，优选的，该ECR离子源感应炉还包括设置在感应坩埚11内部的蒸发舟13，采用蒸发舟13不仅可以更加快捷的更换炉料，同时避免炉料在开放的感应坩埚11中流失。另外，可以根据炉料的实际材料，在蒸发舟13表面进行耐高温陶瓷喷涂，避免炉料与蒸发舟13直接接触。在上述实例中，优选的，外屏蔽单元1包括套设在感应线圈9外周的第一外屏蔽筒8和紧固套设在第一外屏蔽筒8外部的第二外屏蔽筒7，采用两层外屏蔽筒的设计不仅有利于ECR离子源感应炉的保温，而且能够提高ECR离子源感应炉的整体性。在上述实例中，优选的，紧固单元3包括分别连接在感应坩埚11、内屏蔽筒10和外屏蔽单元1前后两端的前端板6和后端板12，前端板6和后端板12分别通过卡套5与第二外屏蔽筒7连接，且卡套5与第二外屏蔽筒7在室温下保持滑动配合，同时卡套5选择热膨胀系数略小于第二外屏蔽筒7的材料，这样在高温下卡套5与前端板6和后端板12更加紧固，不易脱落。此外，在前端板6的中部设置有与感应坩埚11相连通的热电偶安装孔14，用于将热电偶插入感应坩埚11内以监测炉体温度，蒸气出口4则设置在后端板12的中部。在上述实例中，优选的，在感应坩埚11的两端设置有三棱凸台，以使内屏蔽筒10与感应坩埚11之间存在一隔热夹层，从而避免感应坩埚11与内屏蔽筒10在极高温下＞1600℃发生反应，同时能够方便隔热夹层里的真空抽取。在上述实例中，优选的，感应坩埚11两端的三棱凸台有以下三种设计方式：第一种方式是直接将感应坩埚11的两端加工成三棱凸台形状，第二种方式是在感应坩埚11的两端增加带三棱凸台的圆环，第三种方式是在感应坩埚11与内屏蔽筒10之间塞入相应厚度的金属方块形成三棱凸台。在上述实例中，优选的，还包括两根功率传输管2，且感应线圈9为中空管，其中一根功率传输管2的一端穿过前端盖6后连接感应线圈9的一端，另一根功率传输管2的一端穿过前端盖6后连接感应线圈9的另一端，两根功率传输管2的另一端连接外部高频电源和去离子水冷却装置图中未示出。由此，通过功率传输管2不仅可以将高频交流电输送到感应线圈9，而且两根功率传输管2与感应线圈9形成去离子水冷却回路，从而对对感应线圈9进行冷却。在上述实例中，优选的，根据ECR离子源的空间，设计ECR离子源感应炉炉体的外尺寸，其外径一般小于40mm，以便于在ECR离子源中得到所需的难熔金属蒸气。同时，根据不同类型的ECR离子源设计功率传输管2的长度，其范围在500-1000mm，功率传输管2采用中空铜管，两根功率传输管2之间的距离尽量接近，以减少在功率传输管2上的感应功率损耗，其间距为2-5mm。在上述实例中，优选的，感应线圈9采用外径3-6mm，壁厚0.5-1mm的中空铜管，感应线圈9的匝数为5-30，长度为40-70mm，感应线圈9的内径由感应坩埚11尺寸决定。在上述实例中，优选的，根据加热深度与坩埚容量，设计感应坩埚11尺寸，感应坩埚11的壁厚为0.8-2mm，内径为6-12mm，长度40-70mm。在上述实例中，优选的，根据热传导率、耐高温性能以及与金属材料的相容性，内屏蔽筒10选择氧化锆材料，第一外屏蔽筒8、第二外屏蔽筒7、前端板6和后端板12选择99瓷Al2O3或氮化硼材料。根据ECR离子源所需提供的金属离子种类，感应坩埚11和蒸发舟13的材料可以为钨、钽、钼或者铼。在上述实例中，优选的，根据热电偶尺寸，完成前端板6上热电偶安装孔14的开孔，以刚好能够穿过热电偶为宜，后端板12上蒸气出口4的开孔大小则与内屏蔽筒10内径保持一致，这样蒸发的高温金属蒸气可以直接进入ECR等离子体，避免遇后端板凝结而堵塞炉口。本发明在使用时，首先将样品放置在感应坩埚11内的蒸发舟13上，然后将功率传输管2连接到外部高频电源和去离子水冷却装置，高频交流电通过功率传输管2到达感应线圈9，在感应线圈9中形成交变磁场，交变磁场在感应坩埚11的趋肤深度内产生涡流，对感应坩埚11自身进行加热，感应坩埚11通过热辐射与热传导使蒸发舟13上的样品蒸发，产生的金属蒸气通过后端板12上的蒸气出口4进入到ECR等离子体中；与此同时，向其中一根功率传输管2中注入去离子水，去离子水流经感应线圈9对其进行冷却，然后经另一根功率传输管2流回去离子水冷却装置。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

权利要求：1.一种ECR离子源感应炉，其特征在于，包括：感应坩埚11，所述感应坩埚11呈两端开口的圆筒状且为卧式放置；内屏蔽筒10，套设在所述感应坩埚11外部，用于对所述感应坩埚11进行保温；外屏蔽单元1，套设在所述内屏蔽筒10外部且与所述内屏蔽筒10之间存在环形夹层；感应线圈9，缠绕在所述内屏蔽筒10外周且与所述内屏蔽筒10之间为滑动配合，用于产生交变磁场以对所述感应坩埚11进行加热；紧固单元3，设置在所述感应坩埚11、内屏蔽筒10和外屏蔽单元1的两端，以将所述感应坩埚11、内屏蔽筒10和外屏蔽单元1连接在一起并将三者的内部空间封闭，同时在所述紧固单元3上开设有连通所述感应坩埚11内腔和ECR等离子体的蒸气出口4。2.根据权利要求1所述的ECR离子源感应炉，其特征在于，该ECR离子源感应炉还包括设置在所述感应坩埚11内部的蒸发舟13，并且在所述蒸发舟13表面进行耐高温陶瓷喷涂。3.根据权利要求1所述的ECR离子源感应炉，其特征在于，所述外屏蔽单元1包括套设在所述感应线圈9外周的第一外屏蔽筒8和紧固套设在所述第一外屏蔽筒8外部的第二外屏蔽筒7。4.根据权利要求3所述的ECR离子源感应炉，其特征在于，所述紧固单元3包括分别连接在所述感应坩埚11、内屏蔽筒10和外屏蔽单元1前后两端的前端板6和后端板12，所述前端板6和后端板12分别通过卡套5与所述第二外屏蔽筒7连接，且所述卡套5与所述第二外屏蔽筒7在室温下保持滑动配合，同时所述卡套5选择热膨胀系数略小于第二外屏蔽筒7的材料；在所述前端板6的中部设置有与所述感应坩埚11相连通的热电偶安装孔14，所述蒸气出口4则设置在所述后端板12的中部。5.根据权利要求1到4任一项所述的ECR离子源感应炉，其特征在于，在所述感应坩埚11的两端设置有三棱凸台，以使所述内屏蔽筒10与所述感应坩埚11之间存在一隔热夹层。6.根据权利要求5所述的ECR离子源感应炉，其特征在于，所述感应坩埚11两端的三棱凸台有以下三种设计方式：第一种方式是直接将所述感应坩埚11的两端加工成三棱凸台形状，第二种方式是在所述感应坩埚11的两端增加带三棱凸台的圆环，第三种方式是在所述感应坩埚11与所述内屏蔽筒10之间塞入相应厚度的金属方块形成三棱凸台。7.根据权利要求1到4任一项所述的ECR离子源感应炉，其特征在于，该ECR离子源感应炉还包括两根功率传输管2，且所述感应线圈9为中空管，其中一根所述功率传输管2的一端穿过所述前端盖6后连接所述感应线圈9的一端，另一根所述功率传输管2的一端穿过所述前端盖6后连接所述感应线圈9的另一端，两根所述功率传输管2的另一端连接外部高频电源和去离子水冷却装置。8.根据权利要求1到4任一项所述的ECR离子源感应炉，其特征在于，该ECR离子源感应炉炉体的外径小于40mm，所述功率传输管2的长度为500-1000mm，所述功率传输管2采用中空铜管，两根所述功率传输管2之间的间距为2-5mm。9.根据权利要求1到4任一项所述的ECR离子源感应炉，其特征在于，所述感应线圈9采用外径3-6mm，壁厚0.5-1mm的中空铜管，所述感应线圈9的匝数为5-30，长度为40-70mm；所述感应坩埚11的壁厚为0.8-2mm，内径为6-12mm，长度40-70mm。10.根据权利要求4所述的ECR离子源感应炉，其特征在于，所述内屏蔽筒10选择氧化锆材料，所述第一外屏蔽筒8、第二外屏蔽筒7、前端板6和后端板12选择99瓷或氮化硼材料，所述感应坩埚11和蒸发舟13的材料为钨、钽、钼或者铼。

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