CN101952931B - 丝极放电离子源 - Google Patents

Abstract

一种丝极放电离子源(1)，包括：电离室(3)，其设置有内壁，并且配置为容纳待电离的气体；丝极(13)，其放置在所述电离室(3)中；以及电源(19)，其用于向丝极供电，其中，丝极(13)放置为彼此基本上平行，并穿过内壁连接至所述电源(19)，至少一个第一丝极穿过第一内壁连接至所述电源，至少一个第二丝极穿过与第一内壁相对的第二内壁连接至所述电源。

Description

丝极放电离子源

本发明涉及脉冲离子源以及使用该离子源的设备例如等离子体发生器。

公开文献US 3,156,842涉及气体离子发生器，其包括：形状为旋转状的空心电极，沿着所述空心电极的轴放置并具有比所述空心电极的截面小很多的截面的呈杆形的电极，用于将处于较低压的气体供应到由空心电极限定的空间中的装置，以及用于使电子远离空心电极的端部的装置。

也可参考公开文献US 3,970,892、US 4,025,818、US 4,642,522、US4,694,222、US 4,910,435和FR 2 591 035。

如果电极呈细丝极的形式，已证明其难以产生具有高强度且均匀的电流的大尺寸离子源。事实上，放电是沿着丝极非均匀地形成的，而且发现其并不稳定。丝极可能局部变得白热。可能的情况是放电室壁的内表面形成较好的发射性能。可以设想使用沿着放电室的轴平行安装的多个长丝极。然而，随后放电沿着丝极不均匀地产生，并出现了与丝极的膨胀和振动有关的机械困难。如果使用垂直于放电室的轴安装的多个短丝极，则机械设备变得复杂，这尤其由于存在穿过气密且电绝缘的壁的多个通路所导致。可以设想单独为每个丝极供电。这样就需要多个电源，这使得装置中的电部件更加复杂。

此外，以稳定且均匀的方式形成填充低压室的放电依然很困难的。

本发明尤其旨在克服上述的现有技术的缺点。

发明具体的目的是提供一种均匀且稳定的大尺寸离子源。

一种丝极放电离子源，包括：电离室，其设置有内壁，并且配置为容纳待电离的气体；丝极，其布置在电离室中；以及电源，其向丝极供电。丝极布置为彼此基本上平行，并且穿过内壁而连接至电源。至少一个第一丝极穿过第一内壁而连接至电源，且至少一个第二丝极穿过与第一内壁相对的第二内壁而连接至电源。

实际上申请人发现以从电离室的相对侧向丝极供电的交错方式向丝极供应电流，能够基本上减少磁场对气体电离的副作用。多达几百安培的电流产生相当强的磁场，例如，在距离丝极一厘米的距离处为几千分之一特斯拉的量级，从而使自由电子的回转半径在0.03mm的量级上，并因此基本上小于平均自由程。对于这样的电子，则不太可能使气体电离。交错的供电能够使磁场在量级上减少10至100倍。

丝极可安装为偶数。丝极的数量可以是2、4、6、8或10。如果丝极的数量大于或等于4，则丝极的布置可以是使第一丝极相邻于多个第二丝极，且第二丝极相邻于多个第一丝极。术语“相邻”可理解为是最靠近的相邻。

在具有四个丝极的组件的情况下，从截面看去，这些丝极可布置为第一丝极沿着一条对角线而第二丝极沿着另一对角线的方形。四个丝极也可布置在平面层中，第一丝极和第二丝极彼此交替。在具有六个丝极的组件的情况下，这些丝极可以是第一丝极和第二丝极交替的六边形布置、矩形布置或平面层布置。在具有八个丝极的组件的情况下，这些丝极可以布置在两个具有四个丝极的组中，所述两组由大于隔开两个相邻丝极的间距的间距隔开，还可布置在具有恒定间距的矩形中、在八边形中，在平面层中等等。

电源可配置为提供小于每厘米丝极长度1安培的电流。这促进了放电的均匀性。

在一个实施例中，丝极平行于电离室的轴。丝极可平行于电离室的纵轴。因此穿过气密壁的电通道的数量低。

在一个实施例中，丝极平行于加速室的一个轴。

两个丝极之间的最小间隔可大于丝极直径的40倍，优选地为50倍。用这种方法，可获得每个丝极在操作中放电的一定独立性。振动、不正确的定位、或丝极缺乏笔直度，仅对相邻丝极附近的放电产生可忽略的破坏。丝极的半径可以相同。

电离室的最小内周长可大于以下几个数的乘积：常量、电离室中丝极的数量、丝极的直径以及代表存在于电离室中的气体的原子量的参数。电离室的最小内周长可大于电离室中丝极的数量、丝极的直径以及存在于电离室中的气体的原子量的平方根的乘积的100倍。用这种方式可提高放电的均匀性。

在一个实施例中，丝极包含钨例如钨合金。丝极可包含熔点高于2000K的金属。丝极优选地由经过处理以耐受高温的硬金属制成。

在一个实施例中，丝极具有在0.1至0.5mm之间的直径，优选地在0.15至0.3mm之间的直径。

在一个实施例中，电离室中待电离的气体的压强在0.5至100帕斯卡之间，优选地在1至20帕斯卡之间。

在一个实施例中，待电离的气体包含氦气。

在一个实施例中，待电离的气体包含氦气以及质量上占5％至25％的氖气，优选地氖气在质量上占5％至15％。这样提高了放电的空间均匀性。

在一个实施例中，丝极的数量由电源提供的总电流来确定。

在一个实施例中，电离室截面的周长由丝极的直径、丝极的数量和存在于电离室中的气体的性质来确定。

可以是单个电源向丝极供电。

通过研究作为非限制性实例并由附图来图示的多个实施例的详细描述，将更好地理解本发明，其中：

图1是离子源的纵向截面面的示意图；以及

图2至图6是离子源的横截面的示意图。

从图1中可看出，离子源1包括两个连接室2、布置在连接室2之间的电离室3、以及离子引出系统4。离子引出系统4由使用离子源1的应用而定。离子引出系统4可包括能够赋予电子高射出速度的加速室或放电室，例如电子枪。电离室3大体上为长形的，两个连接室布置在其相对端部。离子引出系统4可以相对于电离室3在侧面安装。

连接室2、电离室3和离子引出系统4形成气密的封闭区。可用惰性气体特别是氦气、氖气和/或氩气填充此封闭区。封闭区内主要的气体压强可在0.5帕斯卡至100帕斯卡之间，在1帕斯卡至20帕斯卡之间的压强是优选的。

电离室3包括密封的下壁5以及与连接室2共用的两个端壁6和7。贯通开口8形成于端壁6和7中。电离室3包括与离子引出系统4共用的上壁9。离子引出槽10形成在上壁9中，从而将电离室3和离子引出系统4连通。图1未示出的电离室3的前壁和后壁是气密的。

连接室2包括位于电离室3的下壁5和上壁9的延伸处的气密的上壁和下壁。连接室2在其端部由端壁11和12闭合。组成气密封闭区的壁可由不锈钢或黄铜制成，更一般地可由具有所要求的机械强度的任何金属材料制成，该机械强度特别是由于与电离室3内部的电离有关的低内部压力以及物理和化学性能所要求的。如果需要的话，可在封闭区的内壁上形成其它的金属或金属合金的涂层，例如该涂层由铝和镍构成。

电离室3包括彼此平行的多个丝极13。优选地，设置偶数个丝极13。丝极13沿电离室3的主方向延伸。换言之，丝极13平行于电离室3的主轴。丝极13分别离开下壁5和上壁9安装。相邻的两个丝极13之间的距离分别小于丝极13与下壁5或上壁9之间的距离。丝极13穿过设置在电离室3的端壁6和7中的开口8。因此，开口8形成用于丝极13的通道。在开口8中，丝极13与形成所述端壁6和7的材料保持比丝极直径小10倍的间距。

电离室3的形状可以是圆柱形或螺旋形。在此情况下，可由绝缘体在规则地间隔开的多个点处支撑丝极13。丝极可为多边形。

连接室2包括用于丝极13的支撑装置。更具体而言，在丝极13的一个端部处由固定至连接室2的端壁11和12的内表面的固定绝缘体14来支撑丝极13，所述固定绝缘体14例如是基于陶瓷的固定绝缘体。在丝极13的另一端部处，丝极13由密封绝缘体15支撑，所述密封绝缘体15经由为此目的而设置的开口穿过端壁12和11。绝缘体15始终同时起到作为电通道、对丝极13的机械支撑件以及气密密封件的作用。电通道使丝极13能够电连接至电离室3和连接室2的外部。此外，弹簧16可插入到丝极13和绝缘体之间，所述绝缘体优选为固定绝缘体14。弹簧16布置在连接室2中。弹簧16为丝极13提供机械拉力。

相邻的两个丝极13由一个布置在端壁11和另一个布置在端壁12上的密封绝缘体15来支撑。换言之，以交错的方式向丝极13供电。在图1所示的有四个丝极13布置在平面层中的实施例中，自底部算起，第一行和第三行的丝极连接至穿过端壁11的绝缘体15。第二行和第四行的丝极13由安装在端壁12上的密封绝缘体15来支撑。

第一行和第三行的丝极13由电缆17连接在一起。第二行和第四行的丝极13由电缆18连接在一起。电源19可包括电源输出端20，电源输出端20例如是单输出端。电源19的输出端20可由电缆21连接至电缆17，并且通过电缆22连接至电缆18，从而将电源供应至丝极13。电源可配置为能够在每个丝极13中供应具有小于或等于每厘米丝极长度1安培的强度的电流。为了测量进入所述电缆21和22并且由丝极13消耗的电流，可以将例如形式为电流环23和24的电流传感器分别安装在电缆21和22上。出于调节的目的，来自电流传感器23和24的输出可连接至用于电源19的控制单元。

丝极的直径可在0.1至0.5mm之间。申请人发现0.15至0.3mm之间的直径例如0.2mm尤其有用。两个丝极之间的最小距离一般大于丝极的直径的40倍，优选地为50倍。这样，对于直径是0.2mm的丝极而言，两个丝极之间的最小距离为10mm。丝极13由适于耐受高温特别是在500和2000K之间温度的硬金属或合金制成。可选择具有超过1900K或甚至超过2000K的熔点的金属合金。丝极可包含难熔金属，例如钨合金。

电离室3的内周长大于或等于以下几个数的乘积：常量、电离室3中丝极13的数量、丝极13的直径以及与存在于电离室3中的气体的原子量有关的参数。举例而言，对于具有四条直径为0.02cm的丝极的氦离子源，周长应大于100×0.02cm×4×√2＝11.3cm，所述周长可通过具有3.5cm×3.5cm的方截面的室或直径为4cm的管状室来获得。当然，在气体混合的情况下，代表原子量的参数可以是存在于电离室3中的气体的原子量的加权平均值的平方根。

在图1所示的实施例中，有4个丝极13布置在平面层中。可替代地，丝极13可布置在多个层中，每个层包括四个金属丝。这些层彼此平行，并且可以与一个层中的两个金属丝之间的距离相同或稍大的距离相对于彼此而布置。在图2的实施例中，从截面上看，有布置为方形的四个金属丝13。金属丝的连接是交错的，从而供给金属丝的电源也是交错的，意味着由布置在壁11中的密封绝缘体15来供电的金属丝占据方形的一个对角线，而其它的金属丝13占据方形的另一对角线。电离室3具有方形截面。

在图3所示的实施例中，金属丝的布置与图2相似。电离室3具有圆形截面。于是离子源1具有大致的管形或螺旋形状。

在图4所示的实施例中，电离室3具有与图3的实施例相似的形状。有两个丝极13，一个连接至由壁11支撑的密封绝缘体15，而另一个连接至由端壁12支撑的密封绝缘体15。向丝极13供电的电源来自电离室3的相对两端。

在图5所示的实施例中，电离室3具有矩形截面。电离室3可具有直角平行六面体的一般形状。离子源1包括布置在平面层中的六个金属丝。经端壁11供电的丝极13与经端壁12供电的丝极13交替。在大致为管形形状的六金属丝离子源的情形中，可提供六边形的丝极布置。可替代地，六个丝极可布置在两个分别具有3个丝极的层中，每层为平面。

在图6所示的实施例中，电离室3具有与图5所示的形状大体上相似的形状。离子源1包括8个丝极13，所述8个丝极13布置在彼此间隔开的分别具有四个丝极的两组中，每组丝极布置为如图3所示的方形。丝极13也可布置在具有8根金属丝的层中、两个具有四根金属丝的层中，或布置在八边形中。

在操作中，电源19启动并提供持续时间在1微秒至10微秒之间且脉冲峰值电流在100A至1000A之间的脉冲，例如在1V至10kV之间的电压。放电发生在形成电极的丝极13与形成另一电极的电离室3的内壁之间。例如，气体中的放电产生诸如He⁺的离子。离子能够穿过槽10并由离子引出系统4来处理。

由此获得了在操作中稳定的离子源，所述离子源产生尤其适用于需要高离子流速的大尺寸装置的均匀离子通量。

Claims (14)

1.一种丝极放电离子源(1)，包括：电离室(3)，所述电离室(3)设置有内壁，并且配置为容纳待电离的气体；丝极(13)，所述丝极(13)布置在所述电离室(3)中；以及电源(19)，所述电源(19)向所述丝极供电，所述丝极放电离子源(1)的特征在于：所述丝极(13)布置为彼此平行，并穿过所述内壁而连接所述电源(19)，至少一个第一丝极穿过第一内壁而连接至所述电源，并且由固定至与所述第一内壁相对的第二内壁的内表面的固定绝缘体(14)支撑，至少一个第二丝极穿过与所述第一内壁相对的第二内壁而连接至所述电源，并且由固定至所述第一内壁的内表面的固定绝缘体(14)支撑。

2.根据权利要求1所述的离子源，其中，第一丝极相邻于至少一个第二丝极。

3.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述电源(19)配置为提供小于每厘米丝极长度1安培的电流。

4.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述丝极(13)平行于所述电离室的轴。

5.根据权利要求1所述的离子源，其中，两条所述丝极之间的最小距离大于所述丝极的直径的40倍。

6.根据权利要求1所述的离子源，其中，两条所述丝极之间的最小距离大于所述丝极的直径的50倍。

7.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述电离室(3)的最小内周长大于存在于所述电离室(3)中的气体的原子量的平方根、所述电离室(3)中的丝极(13)的数量、和丝极(13)的直径的乘积的100倍。

8.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述丝极(13)包含具有高于2000K的熔点的金属。

9.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述丝极(13)具有在0.1至0.5mm之间的直径。

10.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述丝极(13)具有在0.15至0.3mm之间的直径。

11.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述电离室(3)中的待电离的气体的压强在0.5至100Pa之间。

12.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述电离室(3)中的待电离的气体的压强在1至20Pa之间。

13.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述待电离的气体包含氦气和5％至25％的氖气。

14.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述待电离的气体包含氦气和5％至15％的氖气。

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