CN109041402A - 一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置 - Google Patents

一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置 Download PDF

Info

Publication number
CN109041402A
CN109041402A CN201810859149.3A CN201810859149A CN109041402A CN 109041402 A CN109041402 A CN 109041402A CN 201810859149 A CN201810859149 A CN 201810859149A CN 109041402 A CN109041402 A CN 109041402A
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
cathode
ion beam
solid electrolyte
charged state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810859149.3A
Other languages
English (en)
Inventor
亚历山大·托斯托古佐夫
瓦西里·帕尼诺维奇
谢尔盖·别雷赫
左文彬
付德君
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yichang Houhuang Vacuum Technology Co., Ltd.
Original Assignee
YICHANG HOUHUANG VACUUM TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by YICHANG HOUHUANG VACUUM TECHNOLOGY Co Ltd filed Critical YICHANG HOUHUANG VACUUM TECHNOLOGY Co Ltd
Priority to CN201810859149.3A priority Critical patent/CN109041402A/zh
Publication of CN109041402A publication Critical patent/CN109041402A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H15/00—Methods or devices for acceleration of charged particles not otherwise provided for, e.g. wakefield accelerators

Abstract

本发明涉及离子加速器技术和低能多电荷态离子束的技术领域，特别是涉及一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置，该方法是在工作物质与固态电解质薄膜界面，通过氧化还原反应，碱土金属或稀土金属元素转化成二价或三价离子，然后通过固态电解质中的快速离子传输通道输送到阳极，又通过场致蒸发离开阳极进入真空，最后在外加电场作用下加速、引出，形成离子束。本装置主要包括可移动的发射器组件和真空系统，该发射器组件依次由高电导和热导的金属阴极、工作物质薄膜、固态电解质薄膜、多孔导电阳极和欧姆加热器组成。本发明产生的多电荷态离子束具有很小的空间发射和能量分布，提高了离子源的效率，节约了空间和成本。

Description

一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置
技术领域
本发明涉及离子加速器技术和低能多电荷态离子束的技术领域，特别是涉及一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置。
背景技术
多电荷态离子束的产生是离子源研制的热点问题，它可应用于离子注入机、离子束光刻、离子探针与离子束表面分析、量子计算机的研制。这种离子与固体表面的相互作用确保在材料中形成较少的辐射缺陷，有助于现代微纳电子器件中形成p-n浅结或超浅结。另外，与单电荷态离子相比，多电荷态离子具有较高的能量，可用于在表面层进行选择性的结构纳米化处理。
目前已有的多种类型的多电荷态离子源，主要由电子源、离子源、等离子体与激光等离子体发生器或电子回旋共振装置成产生，已经形成了相当成熟的技术。主要过程是，通过电子、离子束或激光与物质的相互作用产生不同密度与温度的等离子体，使固态或气态工作物质产生多级电离，形成所需的多电荷态离子束。这种方法的缺点是形成的离子束有很宽的电荷分布和能量发射，需要设计额外的质量分析器或能量分析器进行分离，这就使得设备变得复杂，增加了成本。另外，上述离子源产生的能量一般高于100keV，这对于离子束聚焦是必要的，但是在离子轰击表面时导致表面层辐射缺陷增加。
后来出现了采用聚焦的电子束使工作物质电离和蒸发，从而产生电荷态达到6+的多电荷态离子束。该离子源的缺点是在形成的离子束中存在具有不同电荷态离子，这些离子具有不同的纵向速度和横向速度，导致该离子束具有加的角发射和能量发射，形成具有弥散性的离子束。
鉴于离子源的上述问题，本发明设计一种基于离子导体电解质的离子源，用于产生过渡金属和稀土金属的多电荷离子束。
发明内容
本发明旨在提供一种产生碱土金属和稀土金属离子束的紧凑型固态离子源，使得产生的离子束比同类型的离子源的引出束具有更小的空间发射和能量发射，这是由于离子束产生的物理化学过程都是在超离子导体(具有快速离子传输的固体电解质)中发生的，而不用等离子体、电子碰撞离化器或质量分析器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种产生多电荷态离子束的方法，在场致发射的阴极和阳极之间依次设有工作物质薄膜和固态电解质薄膜，所述工作物质为碱土金属或稀土金属，对阴极加热并在阴极和阳极间施加电压，工作物质薄膜中的碱土金属或稀土金属通过氧化还原反应转化成二价或三价离子，二价或三价离子通过固态电解质中的快速传输通道移向阳极，再通过场致蒸发使得二价或三价离子从阳极发射至真空，在加速电压作用下二价或三价离子获得动能进入静电系统引出形成离子束。
而且，所述阴极、阳极、工作物质薄膜、固态电解质薄膜和静电系统位于真空度为10-4Pa的真空腔内。
而且，阴极和阳极间施加电压达到100-500伏，阴极加热到150-200℃。
而且，所述阴极为铜圆柱体或银圆柱体。
而且，所述碱土金属至少包括Sr、Ba，所述稀土金属至少包括Ce、Eu。
而且，所述固态电解质薄膜厚度为1-1.5微米，所述固态电解质为Na-β”-Al2O3陶瓷电解质。
而且，所述静电系统至少包括静电单透镜和平板静电场。
一种用于产生多电荷态离子束的方法的装置，至少包括场致发射的阴极、位于阴极正面的阳极、位于阴极背面的加热装置和位于阳极正面的静电系统，阴极正面镀有工作物质薄膜，所述工作物质为碱土金属或稀土金属，工作物质薄膜正面镀有固态电解质薄膜，阳极镀在固态电解质薄膜正面，阴极和阳极之间设有提供电压的电源，静电系统设有提供加速电压的高压电源，所述阴极、阳极、工作物质薄膜、固态电解质薄膜和加热装置构成可移动发射器，所述可移动发射器和静电系统位于真空度为10-4Pa的真空腔内。
而且，所述阴极为铜圆柱体或银圆柱体，所述阴极背面的加热装置包括欧姆加热器和加热器电源；所述工作物质薄膜通过磁控溅射镀在阴极正面，所述碱土金属至少包括Sr、Ba，所述稀土金属至少包括Ce、Eu；所述固态电解质薄膜采用激光脉冲沉积(PLD)方法进行制备，所述固态电解质为Na-β”-Al2O3陶瓷电解质，所述阳极是由碳膜或者具有高渗透率(70-80％)的金属网所构成的多孔导电阳极。
本发明的有益效果是提供了一种紧凑型离子源装置，其优点是产生的多电荷态离子束具有很小的空间发射和能量分布，从而提高了离子源的效率，并且可实现模块化设计而不需要使用离子发生器和质量分析器，节约了空间和成本。
附图说明
图1为本发明装置原理图。
附图标记说明：(1)阴极、(2)工作物质薄膜、(3)固态电解质薄膜、(4)阳极、(5)可移动发射器、(6)欧姆加热器、(7)加热器电源、(8)电源、(9)离子束、(10)静电系统隔板、(11)静电系统、(12)高压电源(加速电压)、(13)静电系统供电源。
具体实施方式
一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置，装置原理如图1所示，装置整体位于真空度为10-4Pa的真空腔内，在用于场致发射的阴极1和阳极4之间依次镀有工作物质薄膜2和固态电解质薄膜3，所述阴极为铜圆柱体或银圆柱体，所述阳极是由碳膜或者具有高渗透率(70-80％)的金属网所构成的多孔导电阳极，所述工作物质为碱土金属(Sr、Ba等)或稀土金属(Ce、Eu等)，在阴极和阳极间加热并加上100-500伏的电压，就会在1微米厚的电解质薄膜间形成(1-5)ⅹ106V/cm的电场强度，在此场强的作用下，工作物质中的单质原子通过氧化还原反应在界面处转化为二价离子(Sr2+、Ba2+等)或三价离子(Ce3+、Eu3+等)，这些离子通过电解质中的快速传输通道移向多孔阳极，再通过场致蒸发使得二价或三价离子从阳极发射进入真空，离子在高压电源12所产生的加速电压作用下获得动能进入静电系统11，进入静电系统的离子会被静电单透镜聚焦、X-Y平板静电场偏转，同时外加在静电系统的电场对离子加速并引出从而形成离子束9。
产生多电荷态离子束的装置，至少包括高电导高热导的阴极、位于阴极正面的阳极、位于阴极背面的加热装置和位于阳极正面的静电系统，阴极正面镀有工作物质薄膜，所述工作物质为碱土金属或稀土金属，工作物质薄膜正面镀有固态电解质薄膜，所述固态电解质为Na-β”-Al2O3陶瓷电解质，阳极镀在固态电解质薄膜正面，阴极和阳极之间设有提供电压的电源8，静电系统设有提供加速电压的高压电源。所述圆柱体型阴极1、工作物质薄膜2、固态电解质薄膜3和多孔导电阳极4和加热装置整体构成可移动发射器5，加热装置包括欧姆加热器6和加热器电源7，所述静电系统内至少包括静电单透镜和X-Y平板静电场，静电系统整体通过静电系统隔板10接地,并由静电系统供电源13供电。
本装置将阴阳极间电压和加速电压单独设置，可以实现离子束流强度和动能的独立调节。将该离子源加热到150-200℃，促进了离子的迁移运动，提高了离子源的输出效率，固态电解质中发射离子浓度的减小可以通过工作物质储备池得到补偿，理论上该离子源的使用期限是直到工作物质耗尽。本发明提出的离子源装置的发射部件具有可移动性，可以轻松切换以产生不同种类的离子束。
本发明所述金属阴极采用铜圆柱体，具有良好的导电性和导热性，在该圆柱体的正面通过磁控溅射镀上工作物质薄膜，背面是欧姆加热系统。
本发明所述工作物质薄膜厚度为微米量级，该薄膜的厚度和直径一般不会影响离子束的产生，但是作为工作物质薄膜工作物质储备池，决定了产生的离子束流的强度。
本发明所述固态电解质薄膜采用激光脉冲沉积(PLD)方法进行制备，镀制在工作物质表面，厚度在1-1.5微米，其具有很高的离子传导特性。
本发明所述多孔阳极材料厚度在0.2-0.5微米，由碳或者具有高渗透率(70-80％)的金属网构成。该阳极薄膜还可保护电解质薄膜，避免其暴露在空气中。
现有技术离子源是把原子溅射出来，在打掉电子，即使之电离，形成离子束，为了形成多电荷需要很强的电子束进行轰击电离形成等离子体，而本发明的离子源则是使固体电解质本身就含有二价、三阶的离子，只需要外加电压即可把离子拉出来，从而提供了一种紧凑型离子源装置，产生的多电荷态离子束具有很小的空间发射和能量分布，从而提高了离子源的效率，并且可实现模块化设计而不需要使用离子发生器和质量分析器，节约了空间和成本。
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，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种产生多电荷态离子束的方法，其特征在于：在场致发射的阴极和阳极之间依次设有工作物质薄膜和固态电解质薄膜，所述工作物质为碱土金属或稀土金属，对阴极加热并在阴极和阳极间施加电压，工作物质薄膜中的碱土金属或稀土金属通过氧化还原反应转化成二价或三价离子，二价或三价离子通过固态电解质中的快速传输通道移向阳极，再通过场致蒸发使得二价或三价离子从阳极发射至真空，在加速电压作用下二价或三价离子获得动能进入静电系统引出形成离子束。
2.根据权利要求1所述的产生多电荷态离子束的方法，其特征在于：所述阴极、阳极、工作物质薄膜、固态电解质薄膜和静电系统位于真空度为10-4Pa的真空腔内。
3.根据权利要求1所述的产生多电荷态离子束的方法，其特征在于：阴极和阳极间施加电压达到100-500伏，阴极加热到150-200℃。
4.根据权利要求1所述的产生多电荷态离子束的方法，其特征在于：所述阴极为铜圆柱体或银圆柱体。
5.根据权利要求1所述的产生多电荷态离子束的方法，其特征在于：所述碱土金属至少包括Sr、Ba，所述稀土金属至少包括Ce、Eu。
6.根据权利要求1所述的产生多电荷态离子束的方法，其特征在于：所述固态电解质薄膜厚度为1-1.5微米，所述固态电解质为Na-β”-Al2O3陶瓷电解质。
7.根据权利要求1所述的产生多电荷态离子束的方法，其特征在于：所述阳极是由碳膜或者具有高渗透率(70-80％)的金属网所构成的多孔导电阳极，厚度为0.2-0.5微米。
8.根据权利要求1所述的产生多电荷态离子束的方法，其特征在于：所述静电系统至少包括静电单透镜和平板静电场。
9.一种用于权利要求1所述产生多电荷态离子束的方法的装置，至少包括场致发射的阴极、位于阴极正面的阳极、位于阴极背面的加热装置和位于阳极正面的静电系统，其特征在于：阴极正面镀有工作物质薄膜，所述工作物质为碱土金属或稀土金属，工作物质薄膜正面镀有固态电解质薄膜，阳极镀在固态电解质薄膜正面，阴极和阳极之间设有提供电压的电源，静电系统设有提供加速电压的高压电源，所述阴极、阳极、工作物质薄膜、固态电解质薄膜和加热装置构成可移动发射器，所述可移动发射器和静电系统位于真空度为10-4Pa的真空腔内。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述阴极为铜圆柱体或银圆柱体，所述阴极背面的加热装置包括欧姆加热器和加热器电源；所述工作物质薄膜通过磁控溅射镀在阴极正面，所述碱土金属至少包括Sr、Ba，所述稀土金属至少包括Ce、Eu；所述固态电解质薄膜采用激光脉冲沉积(PLD)方法进行制备，所述固态电解质为Na-β”-Al2O3陶瓷电解质，所述阳极是由碳膜或者具有高渗透率(70-80％)的金属网所构成的多孔导电阳极。
CN201810859149.3A 2018-07-31 2018-07-31 一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置 Pending CN109041402A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810859149.3A CN109041402A (zh) 2018-07-31 2018-07-31 一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810859149.3A CN109041402A (zh) 2018-07-31 2018-07-31 一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109041402A true CN109041402A (zh) 2018-12-18

Family

ID=64648130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810859149.3A Pending CN109041402A (zh) 2018-07-31 2018-07-31 一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109041402A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114179535A (zh) * 2021-11-24 2022-03-15 武汉大学深圳研究院 一种无掩模局部沉积金属薄膜印制装置及沉积方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002150960A (ja) * 2000-11-14 2002-05-24 New Japan Radio Co Ltd イオンビーム発生装置
CN1722339A (zh) * 2004-06-22 2006-01-18 通用电气公司 用于有机电子装置的金属化合物－金属多层电极
CN1906781A (zh) * 2003-11-14 2007-01-31 阿克伦大学 碳基燃料电池
US20090121148A1 (en) * 2005-03-29 2009-05-14 University Of Basel High Brightness Solid State Ion Beam Generator, its use, and Method for Making such a Generator
CN101467287A (zh) * 2006-03-03 2009-06-24 加州理工学院 氟离子电化学电池
CN101702444A (zh) * 2004-02-06 2010-05-05 波利普拉斯电池有限公司 具有非水中间层构造的受保护的活性金属电极和电池组电池结构
CN102820426A (zh) * 2011-06-10 2012-12-12 索尼公司 存储元件和存储装置
CN106653557A (zh) * 2016-12-19 2017-05-10 兰州空间技术物理研究所 一种聚焦式阳极层离子源装置
RU181882U1 (ru) * 2018-02-19 2018-07-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Планарный ионный источник на основе твердых электролитов

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002150960A (ja) * 2000-11-14 2002-05-24 New Japan Radio Co Ltd イオンビーム発生装置
CN1906781A (zh) * 2003-11-14 2007-01-31 阿克伦大学 碳基燃料电池
CN101702444A (zh) * 2004-02-06 2010-05-05 波利普拉斯电池有限公司 具有非水中间层构造的受保护的活性金属电极和电池组电池结构
CN1722339A (zh) * 2004-06-22 2006-01-18 通用电气公司 用于有机电子装置的金属化合物－金属多层电极
US20090121148A1 (en) * 2005-03-29 2009-05-14 University Of Basel High Brightness Solid State Ion Beam Generator, its use, and Method for Making such a Generator
CN101467287A (zh) * 2006-03-03 2009-06-24 加州理工学院 氟离子电化学电池
CN102820426A (zh) * 2011-06-10 2012-12-12 索尼公司 存储元件和存储装置
CN106653557A (zh) * 2016-12-19 2017-05-10 兰州空间技术物理研究所 一种聚焦式阳极层离子源装置
RU181882U1 (ru) * 2018-02-19 2018-07-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Планарный ионный источник на основе твердых электролитов

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114179535A (zh) * 2021-11-24 2022-03-15 武汉大学深圳研究院 一种无掩模局部沉积金属薄膜印制装置及沉积方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8508158B2 (en) High-current dc proton accelerator
JPH0360139B2 (zh)
CN101772253B (zh) 一种等离子体产生装置
CN102420088B (zh) 一种背栅极式可栅控冷阴极x射线管
US3336475A (en) Device for forming negative ions from iodine gas and a lanthanum boride contact ionizer surface
CN100533649C (zh) 离子源中的阴极和反阴极装置
CN109041402A (zh) 一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置
CN112164644A (zh) 潘宁离子源
Kohlhase et al. Pulsed metastable atomic beam source for time‐of‐flight applications
RU2716825C1 (ru) Устройство и способ формирования пучков многозарядных ионов
CN109413835A (zh) 一种产生过渡金属正离子束的方法和用于该方法的装置
Prewett et al. Liquid metal source of gold ions
JP2001294691A (ja) 低エネルギーイオンビーム照射によるポリマー表面の電気伝導性及び機械的物性の向上方法とその装置
CN113643950A (zh) 一种产生掺杂碱金属或卤素的耦合气体团簇离子束的装置和方法
JP3504290B2 (ja) 低エネルギー中性粒子線発生方法及び装置
CN208240613U (zh) 低压磁控阴极离子源
JP2020173984A (ja) イオン源及びイオン注入装置並びにマグネシウムイオン生成方法
CN114242549B (zh) 一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置
RU2393578C1 (ru) Источник, формирующий протонный пучок
CN110444462A (zh) 一种光电效应增强的放电装置
JP2002352761A (ja) イオンビーム照射装置
RU1762732C (ru) Способ получения потока заряженных частиц и устройство для его осуществления
Beynon et al. Cold electron emission from nickel electrodes in nitrogen under the influence of an electric field
RU134727U1 (ru) Ускоритель заряженных частиц
US4058667A (en) Ion protected linear electron beam metal evaporator

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20190327

Address after: Room A010, 16 floors, Block A, Wuhan Guanggu International Business Center, Guanshan Avenue, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan, Hubei Province

Applicant after: Detian Deyi Technology (Wuhan) Co., Ltd.

Address before: 443500 Development Avenue, Changyang Innovation Industrial Park, Yichang City, Hubei Province, 88

Applicant before: Yichang Houhuang Vacuum Technology Co., Ltd.

TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20200106

Address after: 443500, No. 88, development avenue, innovation industrial park, Yichang, Hubei, Changyang

Applicant after: Yichang Houhuang Vacuum Technology Co., Ltd.

Address before: Room A010, 16 floors, Block A, Wuhan Guanggu International Business Center, Guanshan Avenue, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan, Hubei Province

Applicant before: Detian Deyi Technology (Wuhan) Co., Ltd.

TA01 Transfer of patent application right
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181218

RJ01 Rejection of invention patent application after publication