CN106793445A

CN106793445A - 一种离子束的传输系统

Info

Publication number: CN106793445A
Application number: CN201611226596.2A
Authority: CN
Inventors: 吴宜灿; 王永峰; 王志刚; 刘超; 宋钢
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: CN106793445B

Abstract

本发明提供的一种离子束的传输系统，所述传输系统包括：离子源、第一真空腔室及第二真空腔室通过真空管道依次连接；第一组合螺线管设置在离子源与第一真空腔室之间；四象限限束探针设置在第一真空腔室上；双向校正磁铁设置在第一真空腔室与第二真空腔室之间；第二组合螺线管设置在双向校正磁铁与第二真空腔室之间；第一组合螺线管及第二组合螺线管用于对离子束流聚焦和控制离子束流的方向；四象限限束探针用于控制所述离子束流的流强、尺寸及形状。该传输系统对1mA～1A量级强流离子束的传输能力强，并可以改善离子束流品质，进而使强流离子束流能顺利进入后端加速系统进行加速。

Description

一种离子束的传输系统

技术领域

本发明涉及核能技术领域，更具体地说，尤其涉及一种离子束的传输系统。

背景技术

随着科学技术的不断发展，通过将一定能量的硼、磷或其它元素的离子注入至半导体材料中，形成掺杂，并通过离子束的能量和流强分别控制掺杂的深度和浓度，代替了原有的扩散工艺，成为了半导体大规模集成电路生产的重要环节。

离子注入在金属材料的改性方面有重要应用，通过在金属材料中注入特定浓度的某些元素，可以提高金属的硬度、抗腐蚀性能和抗疲劳强度，降低金属的磨损率。并且，利用一定能量的离子与物质相互作用，发生弹性散射，非弹性散射和核反应，通过探测产生的反冲粒子，可以确定有关该物质的组分、结构和状态等信息。其中，较低能量的离子束广泛应用于工业加工，如离子减薄、离子抛光、离子束刻蚀及离子束溅射沉积薄膜等，需要说明的是，加速器是产生离子束的必备设备。

离子束低能传输系统用于产生强流离子束并改善离子束流品质，以便顺利传输至后端加速系统或靶系统，同时满足后端加速系统或靶系统对离子束流品质的要求。该离子束低能传输系统主要用于离子加速器的低能传输段，也可用于工业离子镀膜和金属材料改性的离子注入机，还可以用于离子加速器医学治疗的离子束注入系统。

例如，离子束低能传输系统用于加速器型氘氚聚变中子源的低能传输段，该氘氚聚变中子源通过离子束低能传输系统产生强流氘离子束并将该强流氘离子束传输至后端高压静电加速管进行加速，然后轰击氚靶发生氘氚聚变反应，产生能量为14.1MeV的聚变中子。产生的中子可以真实模拟未来聚变堆内的中子环境，经过慢化的中子也可以用于模拟裂变核反应堆和未来其他先进反应堆堆内的中子环境，同时也可以在核医学与放射治疗、核测井与探矿、同位素生产和中子照相等国民经济和人们生活直接相关的领域实现研究应用。

但是，在现有技术中，已有的离子束低能传输系统通常只包括螺线管透镜和真空腔室，该螺线管透镜只具备对离子束流聚焦的能力，对离子束流品质改善手段较少，且对1mA～1A量级强流离子束的传输能力较差，进而无法使强流离子束流顺利的进入后端加速系统进行加速。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种离子束的传输系统，对1mA～1A量级强流离子束的传输能力强，并可以改善离子束流品质，进而使强流离子束流能顺利进入后端加速系统进行加速。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种离子束的传输系统，所述传输系统包括：离子源、第一组合螺线管、第一真空腔室、四象限限束探针、双向校正磁铁、第二组合螺线管及第二真空腔室；

其中，所述离子源、所述第一真空腔室及所述第二真空腔室通过真空管道依次连接；所述第一组合螺线管设置在所述离子源与所述第一真空腔室之间；所述四象限限束探针设置在所述第一真空腔室上；所述双向校正磁铁设置在所述第一真空腔室与所述第二真空腔室之间；所述第二组合螺线管设置在所述双向校正磁铁与所述第二真空腔室之间；

所述第一组合螺线管及所述第二组合螺线管用于对离子束流聚焦和控制离子束流的方向；所述四象限限束探针用于控制所述离子束流的流强、尺寸及形状。

优选的，在上述传输系统中，所述第一组合螺线管设置在所述离子源与所述第一真空腔室之间包括：

所述第一组合螺线管的中心设置有第一通孔，所述第一通孔与所述真空管道相匹配；

所述第一组合螺线管通过所述第一通孔安装在所述离子源与所述第一真空腔室之间的真空管道上。

优选的，在上述传输系统中，所述第二组合螺线管设置在所述双向校正磁铁与所述第二真空腔室之间包括：

所述第二组合螺线管的中心设置有第二通孔，所述第二通孔与所述真空管道相匹配；

所述第二组合螺线管通过所述第二通孔安装在所述双向校正磁铁与所述第二真空腔室之间的真空管道上。

优选的，在上述传输系统中，所述第一组合螺线管包括：螺线管线圈、双向校正磁铁线圈及磁厄回路；

所述第二组合螺线管包括：所述螺线管线圈、所述双向校正磁铁线圈及所述磁厄回路。

优选的，在上述传输系统中，所述第一组合螺线管及所述第二组合螺线管用于对离子束流聚焦和控制离子束流的方向包括：

所述螺线管线圈用于对所述离子束流聚焦；

所述双向校正磁铁线圈用于控制所述离子束流在水平方向和垂直方向的偏移量；

所述磁厄回路用于固定所述螺线管线圈及所述双向校正磁铁线圈并增强所述螺线管线圈及所述双向校正磁铁线圈的磁性。

优选的，在上述传输系统中，所述四象限限束探针设置在所述第一真空腔室上包括：

所述四象限限束探针包括：四个限束探针；

所述四个限束探针任意一个限束探针包括：电机驱动机构、真空法兰、伸缩连接杆及挡束测量板；

所述四个限束探针通过所述真空法兰安装在所述第一真空腔室上，且所述四个限束探针在所述离子束流垂直面上任意两个限束探针之间成90°；

所述四个限束探针相对设置的两个限束探针为一组限束探针。

优选的，在上述传输系统中，所述四象限限束探针用于控制所述离子束流的流强、尺寸及形状包括：

所述电机驱动机构控制所述一组限束探针中相对设置的两个限束探针的挡束测量板之间的距离；

当所述一组限束探针中相对设置的两个限束探针的挡束测量板之间的距离减小时，所述离子束流的流强减小；

当所述一组限束探针中相对设置的两个限束探针的挡束测量板之间的距离增大时，所述离子束流的流强增大；

当所述一组限束探针中相对设置的两个限束探针的挡束测量板之间的距离减小或增大时，所述离子束流的尺寸及形状进行相应的改变。

优选的，在上述传输系统中，所述离子源用于产生1mA～1A量级的强流离子束。

优选的，在上述传输系统中，所述真空管道包括：

制冷结构，所述制冷结构用于对所述真空管道进行降温。

通过上述描述可知，本发明提供的一种离子束的传输系统，所述传输系统包括：离子源、第一组合螺线管、第一真空腔室、四象限限束探针、双向校正磁铁、第二组合螺线管及第二真空腔室；其中，所述离子源、所述第一真空腔室及所述第二真空腔室通过真空管道依次连接；所述第一组合螺线管设置在所述离子源与所述第一真空腔室之间；所述四象限限束探针设置在所述第一真空腔室上；所述双向校正磁铁设置在所述第一真空腔室与所述第二真空腔室之间；所述第二组合螺线管设置在所述双向校正磁铁与所述第二真空腔室之间；所述第一组合螺线管及所述第二组合螺线管用于对离子束流聚焦和控制离子束流的方向；所述四象限限束探针用于控制所述离子束流的流强、尺寸及形状。

与现有技术相比较，其一，本发明提供的一种离子束的传输系统通过第一组合螺线管和第二组合螺线管代替了现有技术中的螺线管透镜，现有技术中的螺线管透镜只具备对离子束流聚焦的能力，而本发明提供的第一组合螺线管及第二组合螺线管同时具备强流离子束流聚焦和控制离子束流方向的能力。其二，通过增加设置了四象限限束探针，可实现对离子束流流强、尺寸和形状的精确控制，提高了离子束低能传输系统对强流离子束品质的改善能力。因此，本发明提供的一种离子束的传输系统增强了对1mA～1A量级强流离子束的传输能力，且改善了离子束流品质，进而使强流离子束流能顺利进入后端加速系统进行加速。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种离子束的传输系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种限束探针的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种组合螺线管的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种离子束的传输系统，参考图1，图1为本发明实施例提供的一种离子束的传输系统的结构示意图，该传输系统包括：离子源11、第一组合螺线管12、第一真空腔室13、四象限限束探针14、双向校正磁铁15、第二组合螺线管16及第二真空腔室17。

其中，所述离子源11、所述第一真空腔室13及所述第二真空腔室17通过真空管道依次连接。

需要说明的是，所述第一真空腔室13及所述第二真空腔室17用于安装真空设备和离子束流诊断设备，例如安装有真空分子泵、真空规管、四象限限束探针及法拉第筒，用于维持强流离子束传输过程中需要的高真空环境，其真空度范围为10^-2Pa-10^-6Pa。所述离子源11用于产生1mA～1A量级的强流离子束，该离子源种类为电子回旋共振ECR离子源或射频RF离子源，该强流离子束的种类为氘离子束或氘氚混合离子束或质子束。

其中，所述第一组合螺线管12设置在所述离子源11与所述第一真空腔室13之间。

具体的，所述第一组合螺线管12的中心设置有第一通孔，所述第一通孔与所述真空管道相匹配。

所述第一组合螺线管12通过所述第一通孔安装在所述离子源11与所述第一真空腔室13之间的真空管道上。

其中，所述四象限限束探针14设置在所述第一真空腔室13上。

具体的，所述四象限限束探针14包括：四个限束探针，每个限束探针都可以独立驱动。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种限束探针的结构示意图，所述四个限束探针任意一个限束探针包括：电机驱动机构21、真空法兰22、伸缩连接杆23及挡束测量板24。

其中，所述挡束测量板24具有制冷结构，该制冷结构包括但不限定于水冷结构，且同时具备阻挡离子束流和测量离子束流强度的功能。

所述四个限束探针通过所述真空法兰22安装在所述第一真空腔室13上，且所述四个限束探针在所述离子束流垂直面上任意两个限束探针之间成90°。

所述四个限束探针相对设置的两个限束探针为一组限束探针，也就是说，所述四个限束探针中成180°相对设置的两个限束探针为一组限束探针，且每一组限束探针中的两个限束探针安装在同一离子束流垂直面内，两组限束探针安装在不同的离子束流垂直面内，且两组限束探针的安装平面在沿着离子束流传输方向上的间距为1cm-5cm。

将两组限束探针安装在不同的离子束流垂直面内，可以使每一组限束探针中的两个限束探针的挡束测量板完全合拢，不会受到另一组限束探针中两个限束探针的挡束测量板的干扰。

其中，所述电机驱动机构21控制所述一组限束探针中相对设置的两个限束探针的挡束测量板24之间的距离，也就是说控制一组限束探针中两个挡束测量板24相互接近或者远离，当所述一组限束探针中相对设置的两个限束探针的挡束测量板24之间的距离减小时，部分离子束被挡掉，进而使所述离子束流的流强减小；当所述一组限束探针中相对设置的两个限束探针的挡束测量板24之间的距离增大时，通过的离子束就会增多，进而使所述离子束流的流强增大；并且，当所述一组限束探针中相对设置的两个限束探针的挡束测量板24之间的距离减小或增大时，所述离子束流的尺寸及形状进行相应的改变。因此通过精确调节两组限束探针中两个挡束测量板24之间的距离，可以实现精确控制离子束流的流强、尺寸和形状。

其中，所述双向校正磁铁15设置在所述第一真空腔室13与所述第二真空腔室17之间。

具体的，所述双向校正磁铁15用于在离子束流垂直面内对离子束流在水平和垂直两个方向上进行导向调节。

可选的，为了使所述双向校正磁铁15方便拆装，所述双向校正磁铁15可做成上部可拆除结构，也就是说，所述双向校正磁铁15可以安装在真空管道的外面，并且为可拆除结构。

其中，所述第二组合螺线管16设置在所述双向校正磁铁15与所述第二真空腔室17之间。

具体的，所述第二组合螺线管16的中心设置有第二通孔，所述第二通孔与所述真空管道相匹配。

所述第二组合螺线管16通过所述第二通孔安装在所述双向校正磁铁15与所述第二真空腔室17之间的真空管道上。

需要说明的是，所述第一真空腔室13和所述第二真空腔室17为同一种真空腔室，所述第一组合螺线管13和所述第二组合螺线管16为同一种组合螺线管。

参考图3，图3为本发明实施例提供的一种组合螺线管的结构示意图。所述组合螺线管包括：

螺线管线圈31、双向校正磁铁线圈32及磁厄回路33。

也就是说，所述第一组合螺线管13包括：螺线管线圈31、双向校正磁铁线圈32及磁厄回路33；所述第二组合螺线管16包括：螺线管线圈31、双向校正磁铁线圈32及磁厄回路33。

在现有技术离子束流传输过程中，仅仅采用螺线管透镜对离子束流进行聚焦。

但是在本发明中，通过组合螺线管就可以同时实现对离子束流进行聚焦和矫正离子束流的运动方向的功能，其中，所述螺线管线圈31对离子束流具有聚焦能力，所述双向校正磁铁线圈32用于控制所述离子束流在水平方向和垂直方向的偏移量进而实现对离子束流的导向功能，所述磁厄回路33用于固定所述螺线管线圈31及所述双向校正磁铁线圈32并增强所述螺线管线圈31及所述双向校正磁铁线圈32的磁性。

需要说明的是，所述组合螺线管对不同质量的离子聚焦能力不同，在实现对目标离子顺利传输时，使其他离子被散焦进而损失掉，因此所述组合螺线管还用于对离子束流进行质量分析，提高引出离子束流中目标离子的占比。

例如，用于氘氚聚变中子源的离子源引出的离子束流中通常含有D⁺、D₂ ⁺、D₃ ⁺，由于D⁺、D₂ ⁺、D₃ ⁺的质量不同，所述组合螺线管中的所述螺线管线圈31对D⁺、D₂ ⁺、D₃ ⁺的聚焦能力不同，在对D⁺离子束汇聚的同时，对D₂ ⁺、D₃ ⁺离子发散，其中，大部分的D⁺可以实现顺利传输，大部分的D₂ ⁺、D₃ ⁺被散焦而打到真空室壁上，不能继续传输。因此，所述组合螺线管可以实现对离子束的质量分析，从中选择出目标离子继续传输，进而提高了离子束流中目标离子的占比，且在传输系统出口处目标离子的占比可达99％以上。

需要说明的是，由于所述第一组合螺线管12及所述第二组合螺线管16具备上述所述组合螺线管的全部功能及特征。

并且，所述第一组合螺线管12和所述第二组合螺线管16的设计结构紧密，进而为离子束低能传输系统节省安装空间，缩短离子束流传输距离，进而减少了离子束流的发散，提高了离子束流的传输效率。

需要说明的是，在离子束传输过程中，由于有杂散离子的轰击，且螺线管线圈散焦离子至真空室壁上等情况，可以使真空管道过热，因此，所述真空管道包括：

制冷结构，所述制冷结构用于对所述真空管道进行降温。可选的，真空管道具有夹层水冷结构。

通过上述描述可知，本发明提供的一种离子束的传输系统，其一，通过第一组合螺线管和第二组合螺线管代替了现有技术中的螺线管透镜，现有技术中的螺线管透镜只具备对离子束流聚焦的能力，而本发明提供的第一组合螺线管及第二组合螺线管同时具备强流离子束流聚焦和控制离子束流方向的能力。其二，通过增加设置了四象限限束探针，可实现对离子束流流强、尺寸和形状的精确控制，提高了离子束低能传输系统对强流离子束品质的改善能力，增强了对1mA～1A量级强流离子束的传输能力。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种离子束的传输系统，其特征在于，所述传输系统包括：离子源、第一组合螺线管、第一真空腔室、四象限限束探针、双向校正磁铁、第二组合螺线管及第二真空腔室；

2.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述第一组合螺线管设置在所述离子源与所述第一真空腔室之间包括：

3.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述第二组合螺线管设置在所述双向校正磁铁与所述第二真空腔室之间包括：

4.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述第一组合螺线管包括：螺线管线圈、双向校正磁铁线圈及磁厄回路；

5.根据权利要求4所述的传输系统，其特征在于，所述第一组合螺线管及所述第二组合螺线管用于对离子束流聚焦和控制离子束流的方向包括：

所述螺线管线圈用于对所述离子束流聚焦；

6.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述四象限限束探针设置在所述第一真空腔室上包括：

所述四象限限束探针包括：四个限束探针；

7.根据权利要求6所述的传输系统，其特征在于，所述四象限限束探针用于控制所述离子束流的流强、尺寸及形状包括：

8.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述离子源用于产生1mA～1A量级的强流离子束。

9.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述真空管道包括：

制冷结构，所述制冷结构用于对所述真空管道进行降温。