江永兵 杨怡

（杭州士兰集昕微电子有限公司 浙江省杭州市 310000）

1 引言

直线加速器分为两种，一种是带圆孔的膜片行波直线加速器，一种是带漂移管的谐振腔驻波直线加速器。带圆孔的膜片行波加速适用于加速电子，而硼离子等相对原子质量比较大的离子常采用带漂移管的谐振腔驻波加速的结构。离子注入机上通常用于加速硼离子、磷离子等相对原子质量比较大的离子，因此采用的是带圆柱形金属漂移管的谐振腔驻波直线加速器。带电离子在直线加速器中是用高频电磁波轴向分量的电场进行加速的，电磁波模式为TM010模。

离子注入机直线加速器由一个控制单元控制RF电源的输出频率和加载到负载（谐振腔漂移管）上的相位以及电压幅度，同时控制聚焦电源输出加载到聚焦电极上的电压幅度。离子的加速是通过漂移管和聚焦电极之间的电场完成的，高频RF电源提供的射频电流通过谐振腔将电压放大，放大倍数与谐振腔的品质因素Q有关。放大后的电压加载到漂移管上形成加速电场的正极，漂移管前方和后方的聚焦电极形成电场的负极。带电离子通过聚焦电极和漂移管时即可获得加速，在漂移管内部的带电离子不受电场作用，保持匀速直线运动。

2 直线加速器控制框图

如图1所示，控制单元控制直接数字式频率合成器（DDS）产生12路13.56MHz的频率，该频率输送到12个RF电源上，然后在通过控制单元上的移相电路来控制12路频率的相位，在通过电压信号控制RF电源的功率输出幅度。通过以上方式，可以控制加载到负载谐振腔上电场的相位和电压幅度，用来协调每个谐振腔和离子的同步，让更多的带电离子通过每个谐振腔时都呈现加速状态。加载到谐振腔上的RF电源功率通过谐振腔可以实现电压放大，放大后的电压加载到漂移管上形成带电离子的加速电场。同时根据带电离子的能量，控制聚焦电源输出电压的大小。

图1：直线加速器控制框图

2.1 谐振腔电压放大原理

图2：谐振腔等效电路图

2.2 谐振腔频率和相位控制原理

离子注入机中的可变相直线加速器的频率和相位控制单元，包括振荡器、功率放大器、功分器、直接数字式频率合成器（DFS）、数字相位合成电路（DPS）、锁相环和增益放大器七部分组成。首先通过振荡器产生基准波形，通过功率放大器增强基准波形的功率，然后使用功分器将基本波形分为多份。每一路频率信号会通过数字式频率合成器（DFS）产生需要的精确的13.56MHz，在通过数字相位合成电路（DPS）在精确频率上增加相应的相移，最终通过锁相环（PLL）产生控制RF电源的信号。原理框图如图3所示。

图3：频率和相位控制框图

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，单单使用直接数字式频率合成器输出的频率来控制12个RF电源，会出现由于传输线的衰减和均分12路，会造成每一路的功率都不够，信号失真的问题。因此需要先将基准信号通过功率分配器平均分成多份，再通过功率放大电路同时对多个输入信号进行放大，然后将各个功放的输出信号通过功率合成器相加，这样得到的总输出功率远大于基准信号。增强的信号在通过功率分配器平均分给12路RF电源使用。如图4所示。

图4：功率合成器和分配器

2.2.2 直接数字式频率合成器

图5：直接数字式频率合成器

2.2.3 锁相环

图6：锁相环

3 直线加速器加速原理

可变相直线加速器由12 个谐振腔和14组四极聚焦透镜组成，每个谐振腔末端有一个圆柱状的漂移管供带电离子通过。正离子进入直线加速器时，先通过第一和第二个四极聚焦透镜Q1和Q2，然后通过第一个谐振腔C1，往后则是四极聚焦透镜和谐振腔依次分布在一条直线上。直线加速器结构如图7所示。

图7：直线加速器结构

3.1 连续离子流的离散化

当很多连续的正离子进入直线加速器时，首先被Q1和Q2两组四极透镜聚焦成椭圆的离子团，然后再进入第一个谐振腔C1。C1谐振腔和C2谐振腔加速的作用很小，主要目的是把连续的离子流变成一束一束的离散的正离子团。目的是为了便于上述谐振腔相位变换时容易控制。离散化主要是通过每个正离子速度不同实现的。由于漂移管接在RF输出的正弦波电压上，当运动在前面的离子进入漂移管前，漂移管呈现正电性，则正离子被减速进入漂移管。如图8所示。

图8：漂移管正电性

运动在前面的正离子进入漂移管后，运动在后面的正离子准备进入漂移管时，电性改变成负电性，此时运动在后面的正离子加速运动进入漂移管。已经运动出漂移管的正离子此时再次受到电场的力呈现减速运动。如图9所示。

图9：漂移管负电性

在前运动的正离子减速，在后运动的正离子加速，离子被集中到一起变成一团一团的离子束。图10显示了正离子进入C1谐振腔前的离子束宽度a和离开C1谐振腔后的离子束宽度b，以及离开C2谐振腔后的离子束宽度c。

图10：离子通过C1和C2后的宽度

3.2 离子束的加速

当集中在一起后的正离子束被四极聚焦透镜聚焦Q4聚焦后，向图7中C3谐振腔的漂移管运动，此时漂移管上的电压呈负电性让离子加速。当离子离开C3漂移管时，C3漂移管呈现正电性，继续让正离子受斥力呈现加速运动，以此实现离子的不间断加速，增加离子能量。后续通过控制单元控制每一个RF电源的相位，即可实现离子通过每一个谐振腔都能呈现加速的状态。

对于谐振腔漂移管的长度、相位和输出幅值而言。从C3开始到C12，由于离子运动速度越来越快，为了让漂移管的电性和离子同步，在每个谐振腔频率一定的情况下，相位转化时间一定。因此需要逐渐增加往后每个漂移管的长度，以此来增加离子在漂移管中的运动时间，让控制单元能够有足够的时间转换RF电源的极性，使离子呈现加速状态。

由于C1和C2主要目的是集中束流使其离散化，加速功能不占主要目的，因此相位几乎为330°±10°。从C3开始到C12，每个谐振腔之间由于相应漂移管和RF电源之间的传输线长度不同，导致时间延迟不同，为了能让离子一直呈现加速状态，谐振腔的相位必须延时或提前，相邻谐振腔在10-60°之间增加。谐振腔输出幅度越大，差异越大。这是因为更大的电压幅度偏差导致更短的离子运动时间跨越两个电极之间的间隙。同时随着离子束能量的增加，在每个电极内花费的时间减少，每个连续的间隙也需要更高的相移。从C3开始到C12，为了增加离子的传输效率，简化相位的运算量，每个谐振腔的输出电压是一样的。C1和C2作用不同，因此电压不同。

3.3 离子束加速效率

离子注入机一般用来加速氢离子、硼离子等质量较大的离子，离子运动速度远小于光速，因此采用驻波加速以获得较高的加速效率。加速效率表示在一定的高频RF功率下，谐振腔能建立多大场强的电势场。加速效率受RF电源的频率和谐振腔的结构尺寸影响。一般RF电源的频率越高，谐振腔尺寸越小，加速效率越高。离子注入机采用13.56MHz的频率和400mm直径的谐振腔加速正离子。

在结构和RF频率固定的情况下，直线加速器的加速效率与三个方面相关，分别是12个谐振腔之间的相位匹配，离子束的聚焦和离子束进入谐振腔的入射角。

（1）当谐振腔之间的相位不匹配时，离子运动到某个谐振腔时，有的离子被加速，有的离子被减速，最终能够在所有谐振腔都呈现加速的离子很少导致加速效率极低。

（2）当离子束聚焦不好，离子束直径过大时，由于正离子之间的斥力，直径进一步增大，部分离子会撞击到漂移管上导致加速效率降低。

（3）当离子束以一定角度进入谐振腔漂移管时，当注入角小于2mrad，离子束传输不受影响。当大于2mrad离子束会由于偏转撞击导致加速效率降低。

4 结论

本文的主要工作有：

（1）阐述了连续离子流的离散化，

（2）讨论了离子是如何加速的，以及每个漂移管的长度、相位和幅度的关系；

（3）利用等效电路的方法研究了谐振腔电压放大原理；

（4）讨论了离子注入机直线加速器的相位和频率控制。

本文没有对谐振腔的电磁场，采用HFSS进行仿真和定性描述，没有对驻波的形成和驻波加速原理进行阐述，并且没有对谐振腔的具体结构尺寸进行解释，今后还需要对此方面进行进一步的补充。