CN103926260A - 一种进行离子辐照实验的ecr-pecvd装置 - Google Patents

Abstract

一种进行离子辐照实验的ECR-PECVD装置，该装置包括微波源、通电线圈、进气管、手持式红外测温仪、可视窗口、加热炉、抽真空管道、水冷管、样品、绝缘陶瓷片。设备的腔体上端附有通电线圈，为等气体电离提供磁场；在腔体的一侧设有进气管，底端设有抽气管道，另一侧设有可视窗口。ECR-PECVD设备在化学气上沉积方面有很大的应用，但经过改造后在面向等离子体材料的研究方面也能起到至关重要的作用。其中在样品上加负偏压在150V左右是束达到2x10²⁰He·m^-2·s^-1，并能够在此参数下稳定长时间的工作；此设备在温度可控的条件下能够进行各种参数的调节，能够稳定的进行工作解决了低能高束流设备短缺的问题。

Description

一种进行离子辐照实验的ECR-PECVD装置

技术领域

本发明属于等离子体材料技术领域，具体涉及一种进行离子辐照实验的ECR-PECVD装置。

背景技术

随着气候日益恶化和能源需求的不断扩大，可再生能源技术的开发利用将成为解决这一问题的关键。在各种可再生能源（核能、太阳能、水能、风能和生物质能等）中，核聚变能是潜在的清洁安全能源，同时面对我国经济的快速发展、能源消耗的迅速攀升，人均资源却又明显低于全球平均水平的严峻情况，发展核聚变能具有重要的现实意义和深远的战略价值。

磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。在反应堆正常运转时，部分未受约束的He⁺、D⁺以及等离子体鞘层边界等离子体会直接与壁材料接触，壁材料表面将会产生刻蚀和杂质颗粒沉积，以及壁材料内部氘氦滞留和起泡问题。在研究壁材料研究过程中，为了模拟热核聚变磁约束托卡马克装置中的聚变条件，稳定且定量的等离子体束流是必不可少的，但在国内能够模拟器等离子体条件的设备是非常稀缺的。国内STEP装置（目前至于合肥中科院等离子体物理研究所）的离子源具有高能束流可达10²¹量级，如果降低其能量就会导致束流量的迅速下降，而托卡马克装置中实际辐照并不会产生1000ev量级的能量，因此模拟其真实热核聚变中的低能高束流设备对于等离子体材料研究是至关重要的。

发明内容

本发明的目的在于克服传统ECR-PECVD只能单一作为化学气相沉积镀膜使用，应用领域狭窄的缺陷。在研究面向等离子体材料过程中，稳定的离子源是必不可少的，并且对束流的量化要求也比较严格，在束流量计算上还缺乏一定的丈量标准。要计算离子源的束流量就要研究等离子体边缘形成的鞘层，由于电子和离子都做热运动，而电子比离子质量小，热速度就比离子大，先到达样品表面，这样会影响到离子对样品表面影响的研究，电子使样品上带的正偏压大约为20V。通过不断尝试，在样品上加上一个负偏压会起到排斥电子同时吸引离子的作用，其中束流量的计算公式为：

$\mathrm{flux}=\frac{\mathrm{It}}{\mathrm{q\π}{r}^2}$

其中I为流经样品表面电流，q为电子带电量，r为样品半径。

通过对铜线圈磁场的测量，确定在860～900Gs之间的磁场强度对氦气电离效果最佳，线圈电流大致在140A左右。

结果表明在样品上加上负偏压在40～150V时能够产生不同的束流量，其范围在0.01～2x10²⁰He·m^-2·s-¹之间。在调节偏压和微波源功率会得到稳定的输出束流。本装置设计与传统ECR装置相比，具有稳定的输出束流和能量，可进一步对面向等离子体材料进行研究，并且解决了实验中缺少低能高束流设备的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种进行离子辐照实验的ECR-PECVD装置，该装置包括微波源、通电线圈、进气管、手持式红外测温仪、可视窗口、加热炉、抽真空管道、水冷管、样品、绝缘陶瓷片。

设备的腔体上端附有通电线圈，为等气体电离提供磁场；在腔体的一侧设有进气管，底端设有抽气管道，另一侧设有可视窗口。

样品台内部设有加热炉盘和水冷装置，其水冷系统是安装在炉盘下部，这样就能够对样品台进行主动加温和冷却，通过外部的红外测温仪的反馈，精确控制其温度，为实验提供准确数据。

因此，本装置可作为一种新型、稳定输出的离子源装置，对面向等离子体材料的发展与研究具有特殊意义。

附图说明

图1ECR-PECVD改装后的示意图。

图2流经样品电流测试方法与负偏压接法。

图3偏压对样品中电流的影响曲线。

图4偏压对束流量的影响曲线。

图中：1、微波源，2、通电线圈，3、进气管，4、手持式红外测温仪，5、可视窗口，6、加热炉，7、抽真空管道，8、水冷管，9、样品，10、绝缘陶瓷片，11、偏压源。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本方面作进一步说明。

如图1-4所示，一种进行离子辐照实验的ECR-PECVD装置，该装置包括微波源1、通电线圈2、进气管3、手持式红外测温仪4、可视窗口5、加热炉6、抽真空管道7、水冷管8、样品9、绝缘陶瓷片10。

设备的腔体上端附有通电线圈2，为等气体电离提供磁场；在腔体的一侧设有进气管3，底端设有抽气管道7，另一侧设有可视窗口5。

样品台内部设有加热炉盘6和水冷装置8，其水冷系统是安装在炉盘下部，这样就能够对样品台进行主动加温和冷却，通过外部的红外测温仪的反馈，精确控制其温度，为实验提供准确数据。

在样品台上设有绝缘陶瓷片10，避免样品9和腔体形成回路对电流的测量造成影响。在腔体外对样品9串联一个可调式偏压源11，在进行辐照时，通过对偏压源的调节可控制离子辐照的能量，同时对离子的束流量影响很大。

当腔体气压抽到所需值时调节微波源1，微波的能量与通电线圈2产生磁场相互作用使其达到气体的共震频率，促使气体电离。微波源的功率在200～400W，调节微波输出攻略可使气体电离程度不同。同时偏压源11在调节的过程中会使腔体内的电场发生明显的变化，导致样品吸引离子的能量不同，最终决定离子的束流量。在加热炉盘10以及水冷8的作用下可以精确的控制样品的衬底温度，有助于实验过程中参数的调节。

为达到预期的结果，在实验时必须严格按照操作步骤。

S1将腔体抽真空到10^-4Pa，在抽真空过程中缓慢将通电线圈的电流提高到140A左右；

S2通过加热炉盘6和冷却装置8将样品台调节至一定温度；

S3将预研究气体通入腔体，调节流量与真空阀使气压到10^-2～10^-1Pa；

S4微波源预热后启动，调节所需功率使气体电离；

S5通过偏压源11，来调节电流表示数，并将其换算成实际的束流量；

通过设备的调试，能够得到不同束流量的等离子束（如图4所示），可以对不同的离子束流量辐照后样品的形貌、结构的变化等进行研究。

实施例

1、首先将ECR设备磁场进行标定，并将通电线圈升至恰当位置，使氦气能够充分电离。将墙体内部沉积台改装成等离子体材料研究的样品台，并在样品台下加装水冷以及加热装置，使其设备能够精确控温，结构如图1所示；

2、将样品与下方样品台用陶瓷片进行绝缘，样品连入导线在腔体外加负偏压，必须保证连入导线与腔体绝缘，详见图2；

3、在350W2.4GHz的微波电离条件下，测量了其离子放电与所加偏压随时间的变化，从图中可以看出，其上下波动大约在1mA，详见图3；

4、通过对不同负偏压测试得出束流量曲线，详见图4。在未来面向等离子体材料研究中可以用不同束流密度的等离子体来进行试验，并进行低能高束流的实验来模拟热核聚变中的真实损伤条件，对未来核聚变能的研究具有特殊意义。

Claims (6)

1.一种进行离子辐照实验的ECR-PECVD装置，其特征在于：该装置包括微波源（1）、通电线圈（2）、进气管（3）、手持式红外测温仪（4）、可视窗口（5）、加热炉（6）、抽真空管道（7）、水冷管（8）、样品（9）、绝缘陶瓷片（10）；

设备的腔体上端附有通电线圈（2），为等气体电离提供磁场；在腔体的一侧设有进气管（3），底端设有抽气管道（7），另一侧设有可视窗口（5）；

样品台内部设有加热炉盘（6）和水冷装置（8），其水冷系统是安装在炉盘下部，这样就能够对样品台进行主动加温和冷却，通过外部的红外测温仪的反馈，精确控制其温度，为实验提供准确数据；

在样品台上设有绝缘陶瓷片（10），避免样品（9）和腔体形成回路对电流的测量造成影响。在腔体外对样品（9）串联一个可调式偏压源（11），在进行辐照时，通过对偏压源的调节可控制离子辐照的能量，同时对离子的束流量影响很大。

2.依权利要求1所述的装置，本装的操作方法，其特征在于：

S1将腔体抽真空到10-4Pa，在抽真空过程中缓慢将通电线圈的电流提高到140A左右；

S2通过加热炉盘（6）和冷却装置（8）将样品台调节至一定温度；

S3将预研究气体通入腔体，调节流量与真空阀使气压到10-2～10-1Pa；

S4微波源预热后启动，调节所需功率使气体电离；

S5通过偏压源（11），来调节电流表示数，并将其换算成实际的束流量；

通过设备的调试，能够得到不同束流量的等离子束，可以对不同的离子束流量辐照后样品的形貌、结构的变化等进行研究。

3.根据权利要求1所述的一种进行离子辐照实验的ECR-PECVD装置，其特征在于：当腔体气压抽到所需值时调节微波源（1），微波的能量与通电线圈（2）产生磁场相互作用使其达到气体的共震频率，促使气体电离。

4.根据权利要求1所述的一种进行离子辐照实验的ECR-PECVD装置，其特征在于：偏压源（11）在调节的过程中会使腔体内的电场发生明显的变化，导致样品吸引离子的能量不同，最终决定离子的束流量。

5.根据权利要求1所述的一种进行离子辐照实验的ECR-PECVD装置，其特征在于：在加热炉盘（10）以及水冷（8）的作用下可以精确的控制样品的衬底温度，有助于实验过程中参数的调节。

6.根据权利要求1所述的一种进行离子辐照实验的ECR-PECVD装置，其特征在于：微波源（1）的功率在200～400W，调节微波输出攻略可使气体电离程度不同。