CN104091741B - 多功能离子枪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能离子枪,包括电离室、第一透镜、第二透镜、第一偏转板、第二偏转板、狭缝、四通法兰、过渡法兰和锥形圆筒,所述电离室、第一透镜和第一偏转板位于四通法兰的管道内,且第一透镜位于电离室和第一偏转板之间,所述第一偏转板安装在过渡法兰的近端,电离室安装在过渡法兰的远端,第二透镜、第二偏转板和狭缝位于锥形圆筒内,第二偏转板位于第二透镜和狭缝之间,且第二透镜安装在过渡法兰的近端,狭缝安装在过渡法兰的远端,所述四通法兰和锥形圆筒通过过渡法兰连接。以达到结构紧凑、功能多样、性能稳定且增强离子束传输距离的目的。
Description
技术领域
本发明涉及表面科学应用技术、超高真空技术以及离子束技术领域,具体地,涉及一种多功能离子枪。
背景技术
在表面科学领域,样品表面的清洁度对实验有至关重要的影响。目前,氩离子溅射是一种标准的原位清洁表面的方法。
在基础研究中,例如,低能离子散射技术(lowenergyion-scatteringspectroscopy),需要用低能离子束作为探针来研究表面成分。在飞行时间质谱的应用中,需要脉冲化的离子束。在细微加工领域,往往也需要利用低能强流离子束对样品溅射,实施逐层剥离。
以上各种实验研究,对离子束均提出了苛刻的技术要求,然而现有的离子枪不能够同时满足诸多实验要求。现有的离子枪一般由离子源、聚焦系统、真空腔体等构成,主要分为热阴极型(专利公开号为CN103474318A的专利文献)和冷阴极型离子枪(专利公开号为CN1956119A的专利文献)。其中热阴极型离子枪主要采用加速栅网来加速电子,电离工作气体。存在离子源结构复杂,拆卸不易,维护困难等缺陷。而冷阴极型离子源主要采用潘宁放电原理,结构相对简单,但对高压电源要求较高,产生的离子束流不稳定。一般来说,现有的离子枪的离子能量范围较窄,离子传输距离一般小于100mm,束流准直性差,束斑大小不可调,从而限制了其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述问题,提出一种多功能离子枪,以实现结构紧凑、功能多样、性能稳定且增强离子束传输距离的优点。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种多功能离子枪,包括电离室、第一透镜、第二透镜、第一偏转板、第二偏转板、狭缝、四通法兰、过渡法兰和锥形圆筒,所述电离室、第一透镜和第一偏转板位于四通法兰的管道内,且第一透镜位于电离室和第一偏转板之间,所述第一偏转板安装在过渡法兰的近端,电离室安装在过渡法兰的远端,第二透镜、第二偏转板和狭缝位于锥形圆筒内,第二偏转板位于第二透镜和狭缝之间,且第二透镜安装在过渡法兰的近端,狭缝安装在过渡法兰的远端,所述四通法兰和锥形圆筒通过过渡法兰连接。
优选的,所述电离室安装在四通法兰的第一法兰内。
优选的,所述电离室由阴极灯丝和阳极圆筒组成,且阴极灯丝与负电压连接,阳极圆筒与正电压连接,所述阴极灯丝的电极周围安装保护罩。
优选的,所述第一法兰的上端和底端对称的安装两块磁铁,通过调整磁铁间的磁场强度可改变束流大小。
优选的,所述电离室、第一透镜、第一偏转板、第二透镜、第二偏转板和狭缝之间的距离均可调节。
优选的,所述四通法兰的第二法兰可外接分子泵,可达到差分抽气目的。
优选的,当样品到离子枪距离小于100mm时,所述第二透镜、第二偏转板以及锥型圆筒可拆除。
优选的,所述电离室的进气管道上设置可调漏阀,该可调漏阀的一个分支管道与机械泵连通。
优选的,所述狭缝的形状、大小和安装位置均可调节。
优选的,所述可调漏阀的一个分支管道与氩气罐连通,也可以是另几个分支管道分别与氩气罐和其他气罐连通。
本发明的技术方案具有以下有益效果:
本发明的技术方案,通过设置第一透镜和第二透镜两组透镜。且将两组透镜都接正高压,安装位置可调。把离子束传输距离至少延长300mm以上。并为每一组透镜配有偏转系统。确保离子束能够顺利穿过各个部件,弥补机械加工不一致性缺点,确保束流的准直性。从而达到了结构紧凑、性能稳定且增强离子束传输距离的目的。
而第二透镜、第二偏转板以及锥型圆筒可以拆除,适合样品到离子枪距离小于100mm条件下使用。
四通法兰的第二法兰外接分子泵抽气,通过差分抽气来维持靶室超高真空。如果对靶室真空要求不高,第二法兰可用盲板法兰密封即可。
狭缝的形状和大小可改变,其安装位置也可根据具体情况调整。偏转板与狭缝配合,外接脉冲发生器,可实现脉冲化束流输出。
可调漏阀的一个分支管道与机械泵连通,可以保证工作气体纯度。
可调漏阀的另一些分支管道与气罐连通,方便引入单种气体或者引入多种混合气体,从而满足不同实验要求。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例所述的多功能离子枪结构示意图;
图2为本发明实施例所述的多功能离子枪中束流强度-能量曲线示意图;
图3为本发明实施例所述的多功能离子枪中束流强度-Ar气分压曲线示意图;
图4为本发明实施例所述的多功能离子枪中束流强度-电子能量曲线示意图。
结合附图,本发明实施例中附图标记如下:
1-保护罩;2-第一法兰;3、4-磁铁;5-可调漏阀;6-电离室;7-第一透镜;8-第三法兰;9-第二法兰;10-四通法兰;11、12、13-阀门;14-第一偏转板;15-过渡法兰;16-第二透镜;17-氩气罐;18-气体罐;19-机械泵;20-第二偏转板;21-狭缝;22-锥形圆筒。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,一种多功能离子枪,包括电离室6、第一透镜7、第二透镜16、第一偏转板14、第二偏转板20、狭缝21、四通法兰10、过渡法兰15和锥形圆筒22,电离室6、第一透镜7和第一偏转板14位于四通法兰10的管道内,且第一透镜7位于电离室6和第一偏转板14之间,第一偏转板14安装在过渡法兰15的近端,电离室6安装在过渡法兰15的远端,第二透镜16、第二偏转板20和狭缝21位于锥形圆筒22内,第二偏转板20位于第二透镜16和狭缝21之间,且第二透镜16安装在过渡法兰15的近端,狭缝21安装在过渡法兰15的远端,四通法兰10和锥形圆筒22通过过渡法兰15连接。
优选的,电离室6安装在四通法兰10的第一法兰2内。
优选的,电离室6由阴极灯丝和阳极圆筒组成,且阴极灯丝与负电压连接,阳极圆筒与正电压连接,阴极灯丝的电极周围安装保护罩1。
优选的,第一法兰2的上端和底端对称的安装两块磁铁3、4,通过调整磁铁间的磁场强度可改变束流大小。
优选的,电离室6、第一透镜7、第一偏转板14、第二透镜16、第二偏转板20和狭缝21之间的距离均可调节。
优选的,四通法兰10的第二法兰9可外接分子泵,通过差分抽气来维持靶室超高真空。如果对靶室真空要求不高,第二法兰9可用盲板法兰密封即可。
优选的,当样品到离子枪距离小于100mm时,第二透镜16、第二偏转板20以及锥型圆筒22可拆除。
优选的,电离室6的进气管道上设置可调漏阀5,该可调漏阀5的一个分支管道与机械泵19连通。
优选的,狭缝21的形状、大小和安装位置均可调节。偏转板与狭缝配合,外接脉冲电源,可实现脉冲化束流输出。
优选的,可调漏阀5的另一个分支管道与氩气罐17连通。另外可调漏阀5还设置第三分支管道,该第三分支管道可根据离子的不同连接不同的气体罐18。
四通法兰10的第三法兰8设置引线接口。
电离室6由阴极灯丝和阳极圆筒组成。阴极灯丝具有强电子发射能力,接负电压,通过改变其电压,可以调节其发射电子流的动能,直接去轰击工作气体使其电离产生正离子。阳极圆筒接正电压,通过调节此电压,可以决定引出离子能量。目前最高电压为5kV。在第一法兰2上对称地安装两块磁铁,调节磁铁间的磁场强度可以改变束流大小。工作气体由钢瓶减压输出,经过不锈钢细管,再经过可调漏阀进入电离室6。通过改变第一法兰2的不锈钢细管通不同工作气体,可产生不同种类的离子束。此电离室的气体密封性较好,气体利用率高,结合磁场,所以正离子的产生效率高。在进气管道的一个分支上通过阀门连通机械泵19,通过反复抽气可以确保管道内工作气体的纯净度,也可以将未用完的工作气体抽走。电离室6结构十分简单,容易进行单独拆卸、清洗以及更换灯丝。电离室6功耗低,采用风冷装置。
四通法兰10上的第一法兰2、第二法兰9和第三法兰8均采用CF50法兰,过渡法兰15采用CF100法兰。
该离子枪能产生氩、氦、氖、氙和质子等多种离子束。它具有两套独立的聚焦偏转系统以及大小位置可调的狭缝,使束流的传输距离更远,束流准直度提高。且通过引线接口配上脉冲电源系统可以实现脉冲化束流输出。它具有能量调节范围宽、操作简单、拆卸更换容易等优点。采用出气率低的材料,与超高真空兼容。且采用真空法兰结构,容易与真空靶室对接。
图3和图4中的纵坐标为常用对数坐标。图2、3和4中实验参数不同。图3和图4分别是在固定一些参数情况下获得的实验曲线。
本发明技术方案中的离子枪所用零部件为不锈钢材质,耐150度烘烤,所用材料出气率低,适合10-8Pa超高真空系统使用。
组装离子枪后,将离子枪与靶室对接,然后抽真空,并对离子枪及靶室进行烘烤。烘烤完,及时对离子枪进行除气。当真空达到要求后,离子枪工作的具体操作步骤为:
1、开冷却装置。
2、开离子枪的电源系统。
3、加灯丝电流,预热一段时间。
4、对进气管道抽真空清洁,保证进入靶室的氩气纯净,打开可调漏阀,通入氩气,调节漏阀,使靶室真空稳定在1.5×10-4Pa左右。
5、继续缓慢加灯丝电流至工作电流,加引出高压到预定值(最大5kV),然后加电子发射电压,使电子发射电流维持在20mA左右。
6、调透镜、偏转板电压,使束流强度达最大值。
综上所述,本发明具有以下特点:
(1)束流稳定且束流强度可调,能达到微安量级。
(2)束流的能量范围宽,一般为0.2keV-5keV。
(3)束流集中,发散角小。
(4)束流的束斑大小可调。
(5)束流传输距离更远。
(6)可实现束流脉冲化。
(7)拆卸简单、更换灯丝方便。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多功能离子枪,包括电离室、第一透镜、第二透镜、第一偏转板、第二偏转板、狭缝、四通法兰、过渡法兰和锥形圆筒,其特征在于,所述电离室、第一透镜和第一偏转板位于四通法兰的管道内,且第一透镜位于电离室和第一偏转板之间,所述第一偏转板安装在过渡法兰的近端,电离室安装在过渡法兰的远端,第二透镜、第二偏转板和狭缝位于锥形圆筒内,第二偏转板位于第二透镜和狭缝之间,且第二透镜安装在过渡法兰的近端,狭缝安装在过渡法兰的远端,所述四通法兰和锥形圆筒通过过渡法兰连接。
2.根据权利要求1所述的多功能离子枪,其特征在于,所述电离室安装在四通法兰的第一法兰内。
3.根据权利要求2所述的多功能离子枪,其特征在于,所述电离室由阴极灯丝和阳极圆筒组成,且阴极灯丝与负电压连接,阳极圆筒与正电压连接,所述阴极灯丝的电极周围安装保护罩。
4.根据权利要求2所述的多功能离子枪,其特征在于,所述第一法兰的上端和底端对称的安装两块磁铁,通过调整磁铁间的磁场强度可改变束流大小。
5.根据权利要求1至4任一所述的多功能离子枪,其特征在于,所述电离室、第一透镜、第一偏转板、第二透镜、第二偏转板和狭缝之间的距离均可调节。
6.根据权利要求5所述的多功能离子枪,其特征在于,所述四通法兰的第二法兰可外接分子泵,达到差分抽气的目的。
7.根据权利要求5所述的多功能离子枪,其特征在于,当样品到离子枪距离小于100mm时,所述第二透镜、第二偏转板以及锥型圆筒可拆除。
8.根据权利要求5所述的多功能离子枪,其特征在于,所述电离室的进气管道上设置可调漏阀,该可调漏阀的一个分支管道与机械泵连通。
9.根据权利要求5所述的多功能离子枪,其特征在于,所述狭缝的形状、大小和安装位置均可调节。
10.根据权利要求8所述的多功能离子枪,其特征在于,所述可调漏阀的另一个分支管道与氩气罐连通。
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