离子源是加速器等粒子设备的源头，它的性能好坏直接决定了整体设备的品质。因此，研制性能优异的离子源对于加速器的发展是至关重要的。在离子源研究中，一直存在着离子源技术的进步远超前与其物理理论发展的现象。物理理论的匮乏致使科学家们无法建立起描述离子源内部作用过程的清晰物理图像，出现了“理论无法准确指导实验、甚至不能解释实验结果”的困境。这极大限制了离子源性能的进一步提升。著名加速器专家Horst Klein教授在第20届ICFA会议总结中就发出了“The ion sources, are still somewhat a black magic”的感叹。在众多类型的离子源中，电子回旋共振离子源ECR离子源凭借难以理解的高流强、高电荷态、低发射度、高稳定性、长寿命等优点，成为“black magic”的集大成者。正如ECR源之父 Geller教授所说，在上世纪80-90年代加速器界有一个笑话，“EBIS专家只是知道他们的源为什么这么差，而可怜的ECR源研究者完全不理解为什么ECR源工作的这么好！（EBIS experts at least understand why their source performs so poorly, whereas the poor ECRIS people do not even understand why the ECRIS performs so well.）”
随着紧凑型强流离子注入机、小型中子管、微型离子推进器的发展，微型2.45GHz ECR离子源（放电室内径小于50mm）逐步成为一大研究热点，源体的小型化成为其发展的趋势。北京大学2.45 GHz ECR离子源的研究始于上世纪80年代。经过30多年的努力，研制成功了具有独立知识产权的介质耦合、全永磁结构、无高压平台的系列强流高品质ECR离子源，为SFRFQ，DWA，PKUNIFTY，Coupled RFQ，XiPaf、国产化小型质子放疗加速器，国产BNCT等设备提供了稳定可靠的束流。近年来，为了进一步突破2.45 GHz ECR离子源产生氢离子的性能极限，北京大学离子源组系统地开展了H+，H2+，H3+离子源的研究，研制出了内径仅为30 mm的2.45 GHz微型 ECR源。这台离子源可以在100 W功率下产生25 mA的氢离子束，其性能遥遥领先于国际同类型源10mA/100W的结果。最近课题组更是将离子源的内径缩小到24mm，束流能力提升到30mA@100W。
如Geller教授所言，当前科学家们对ECR源中的物理过程的理解无法解释北京大学微型ECR源所取得的实验结果。因为根据电动力学的微波传输理论，当离子源腔体的尺寸小于77mm时，2.45 GHz的微波应该是截止的，根本不能馈入腔体，更不可能在其中激发出等离子体。但是，北京大学离子源组研制的微型2.45 GHz微型ECR源的实验结果表明，24mm的腔体不仅接收到了微波的能量，而且功率吸收的效果比直径77mm 的高得多。因此，探究电子回旋共振离子源的击穿放电机制，迫在眉睫，势在必行。
图1. 紧凑型2.45 GHz ECR氢离子源照片
近日，北京大学物理学院彭士香教授团队在Journal of Applied Physics杂志发表了题为“Theoretical and experimental study of the overdense plasma generation in a miniaturized microwave ion source”的论文。该研究工作提出了一种全新的混合放电加热机制，即表面波的“击穿”机制与电子回旋共振的“加热”机制的理论。该理论很好地解释了北京大学微型源的实验结果，并为ECR源内发生的过程建立了清晰的物理图像。这项工作的创新之处在于：1）首次提出了ECR源内存在着“表面波”和“ECR”混合放电的物理机制；2）拓展了混合放电理论的使用范围，因为混合放电机制无放电室尺寸限制，理论上可以适用于各种ECR离子源；3）没有回避初始等离子体的产生问题，首次正面回答了ECR等离子体从0到1的物理过程，为ECR离子源的机理研究提供了一种全新的思路。
文章链接：J. Appl. Phys. 132, 083305 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0098645
