CN109712858A - 激光微波离子源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能产生多种离子的强流离子源装置。该激光微波离子源包括：磁控管1、波导系统2、放电室3、磁体系统4、供气系统、固体靶8和激光发生器5、振镜6、场镜7等。离子源工作时，放电室3打到靶8上，可使放电室3内气体电离产生电子和离子，并可使靶8上的材料蒸发，在放电室3内形成相应的蒸汽；磁控管1产生微波经过波导系统2进入等离子体腔3，受磁体系统4影响，腔内电子作回旋运行，频率与微波频率相同，二者发生共振，电子获得很高能量，使放电室3内的气体进一步电离，形成等高密度离子体。该源可以产生强流气体离子和强流金属离子，束流可达几十、几百毫安，甚至几十安培。它既可以工作在直流模式下，也可以在脉冲模式下工作。连续工作寿命在一年以上，可以应用在半导体离子注入、材料改性、以及强流加速器等领域。

Description

激光微波离子源

技术领域

本发明涉及加速器和材料表面处理领域，尤其涉及一种离子源。

背景技术

离子源是一种应用广泛的设备，它可以用在材料表面改性设备上，通过离子对材料表面进行改性；也可以用在离子注入机和加速器上，用于半导体的PN结的产生以及航空、航天、基础物理研究、材料等各种领域。

离子源是离子产生的源头，按产生的离子分类，可分为气体离子源和固体离子源两大类；按引出系统的特点也可分为单孔源和大面积多孔源两类；按产生离子的机制区分，有表面电离源、溅射源、液态金属场发射源、电荷交换源、电子电离源和等离子体源等。按放电类型分类，可分为热阴极等离子体源、冷阴极离子源，高频离子源，和激光离子源等。常用的离子源主要有考夫曼离子源、双等离子源、高频离子源、微波离子源、MEVVA离子源等。

其中，微波离子源由于流强大，能散小，寿命长的特点，在各种科研和生产活动当中得到广泛应用，并在很多应用领域，逐渐取代其它种类离子源。目前微波离子源主要用于产生气体离子，当需要金属或其它固体材料的离子时，往往需要更换其它种类的离子源。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种新型离子源，它可以产生比常规离子源流强更大的气体离子，同时还可以产生强流固体材料的离子。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种激光微波离子源，包括：

一磁控管1，用来产生微波，

一波导系统2，连接磁控管1和放电室3，将磁控管1产生的微波导入放电室3。

一放电室3，所述的放电室3为所用微波的谐振腔，与波导系统2相连通，所述的磁控管1产生的微波通过波导系统2进入放电室3，放电室3是一个微波谐振腔，微波进入放电室3后，形成强电场；

一磁体系统4，所述的磁体系统4设于放电室3外部；所述的磁体系统4在放电室3内形成的磁场强度符合电子与微波共振条件；

一引出系统9，在引出系统9和放电室3之间存在高压电场，放电室3内的等离子体受到高压电场的作用，被加速并引出形成强流离子束。

一激光发生器5，所述的激光发生器5产生高能激光，通过振镜、场镜后进入放电室3；一方面激光使得放电室3内气体电离从而增强等离子体密度；另一方面激光可以把固体靶上的材料蒸发，还可以把固体靶换成光阴极，进一步增强电子的产额。

一在放电室3内，微波与激光共同作用，比单纯微波源或激光源有更大优势。当它作为气体离子源，且工作在脉冲模式下时，用光电材料做靶8，激光照射靶8产生电子，起到类似点火的作用，加速等离子体的产生，减少脉冲束上升沿宽度；当它用于产生金属、石墨等固体材料离子时，用相应固体材料做靶8，激光照射蒸发固体材料，所产生蒸汽在放电室3内电离，形成等离子体，然后通过高压引出相应离子；另外，放电室壁采用光学反射结构，激光在放电室内多次反射，形成光学谐振腔，谐振光通过离子源引出孔附近区域，在引出孔附近形成高密度等离子体。通过调节靶材料构成和激光照射位置、能量的大小实现三种功能的调配，使微波和激光在放电室内有机结合在一起，能够产生高密度、多种类的等离子体，成为一种多用途、长寿命的强流离子源。

通过上述本发明的技术方案，本发明的激光微波离子源设计合理，结构简单，设备成本较低。

附图说明

图1为本发明激光微波离子源结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：

如图1所示，一种激光微波离子源，包括：一磁控管1、一波导系统2、一放电室3、一磁体系统4和一电子发生器5，同时该离子源还包括供气系统、供电系统、真空系统等部分。其中，

所述的磁控管1用于产生微波(能)，选用普通工业2.45GHz 2kW磁控管。

所述的波导系统2与磁控管1相连接，波导系统2包括环行器、波导、水负载、调配器和微波窗等，波导系统2是微波的传输通道，环行器控制微波传输方向，水负载吸收残余反射微波能量，调配器调节波导与放电室3阻抗的匹配，提高微波利用效率。

所述的放电室3与波导系统2相连通，所述的磁控管1产生的微波通过波导系统2进入放电室3，放电室3为谐振腔，微波进入放电室3后可形成很强的电场，对于磁场中回旋运动的电子，当它的回旋频率与微波频率相同时，能够通过共振吸收微波能量，达到很高的速度，而回旋频率不变。

所述的磁体系统4设于放电室3的外部。磁体结构通过计算优化设计，所述的磁体系统4有螺线管和永磁体两种，螺线管优点在于运行当中可以通过调节电流调整磁场大小和形状，本离子源研发过程中先通过螺线管得到最优化的磁场，然后采用7个环形钕铁硼永磁体模拟螺线管磁场结构。

所述的磁体系统4在放电室3内形成的磁场强度值约87毫特斯拉，符合其中v是微波的频率，为2.45GHz，q是电子的带电量，m_e电子的质量为相对论质量，其中，m₀为电子的静止质量，r为电子回旋半径，c为光速。另外，要求微波在放电室3内加速区间有效电场分量垂直于磁场的方向。

所述的激光发生器5产生高能激光，通过振镜6、场镜7后进入放电室3；照射过程中，通过振镜6不断调节光斑的位置，避免产生烧蚀。当用离子源产生气体离子时，采用光阴极材料或全反射玻璃做靶8，激光打到靶8上，可起到促进电离的作用，加大引出束流。当离子源需要产生金属或其它固体材料的离子时，采用该材料制成靶8，通过激光将靶8材料蒸发，形成气体，在放电室3内被高能电子电离。

本发明利用电子回旋共振和激光加热及光致电子发射原理，多机制共同作用，原则上该源可以产生已知所有元素的离子，其工作原理如下：

离子源工作时，磁控管1产生的微波通过波导系统2进入放电室3，在放电室3内，受到放电室3外部磁体4(磁铁)的影响，存在特定设计的磁场，电子受到磁场和微波电场的作用，在放电室3内作回旋运动并不断地从微波内吸收能量，从而获得几十到几百电子伏特能量。本发明的技术中，磁场必须满足电子回旋共振的条件，磁场强度符合其中m_e即电子质量为相对论质量。同时，微波在放电室3内加速区间有效电场分量垂直于磁场的方向。高能激光，通过振镜6、场镜7后进入放电室3。当离子源产生气体离子时，采用光阴极材料做靶8，激光打到靶8上，产生电子，使更多的电子被微波加速；放电室壁设计采用32面体光学反射结构，激光在放电室内多次反射，每次反射光路均经过引出孔附近5mm区域，在此位置形成激光的强共振，形成高浓度等离子体。并且，当微波源工作于脉冲模式下时，对于He、氩、氮等材料，等离子体激发困难，甚至工作中出现‘熄弧’等现象；激光可以为离子源持续提供电子，解决微波离子源工作不稳定的问题。当离子源需要产生金属或其它固体材料的离子时，采用该材料制成靶8，通过激光将靶8材料蒸发，形成气体，让其在放电室内被高能电子电离，形成所需离子。

本发明的上述结构设计同普通微波离子源相比具有如下有益效果：

第一，该离子源能量转换效率高、束流强度大、且很容易获得几十到几百毫安的离子束流，适用于各种强流加速器和注入机；

第二，该离子源几乎可以用于产生所有元素的离子，使用范围广；

第三，该离子源可用于产生电子和一些元素的负离子。

第四，该设备工作可靠，连续工作时间长，原则上连续工作寿命在1年以上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种激光微波离子源，其特征在于，包括：

一磁控管1；

一波导系统2，所述的波导系统2与磁控管1相连接；

一放电室3，所述的放电室3为所用微波的谐振腔，与波导系统2相连通，所述的磁控管1产生的微波通过波导系2统进入放电室3，产生强电场；

一磁体系统4，所述的磁体系统设于放电室3的外部；所述的磁体系统4在放电室3内形成的磁场强度符合电子与微波共振条件；

一激光发生器5，所述的激光发生器5产生高能激光，通过振镜6、场镜7后进入放电室3；一方面激光使得放电室3内气体电离并提高电子能量从而增强等离子体密度；另一方面激光可以把固体靶8上的材料蒸发，还可以把固体靶8换成光阴极材料或全反射镜片，进一步增强等离子体密度。

一在放电室3内，微波与激光共同作用，比单纯微波源或激光源有更大优势。当它作为气体离子源时，用光电材料或全反射镜片做靶，增强电子回旋共振效果，提高等离子体密度，从而产生更强的束流。当它用于产生固体材料离子时，用相应固体材料做靶，激光照射蒸发固体材料，所产生蒸汽在放电室内电离，形成等离子体，然后通过高压引出。

2.根据权利要求1所述离子源，其特征在于：所述的磁体为永磁体或者螺线管线圈，其形成的磁场强度约87mT。

3.根据权利1所述的离子源，其特征在于：微波馈入频率为2.45GHz或0.9GHz。

4.根据权利1所述的离子源，其特征在于：带有激光发生器5系统，激光通过发生器产生以后经光路传输系统进入放电室，通过发生器可以调节激光功率和产生频率；通过光路传输系统可以调节光斑的位置和大小。

5.根据权利1所述的离子源，其特征在于：在放电室内装有固体靶8，固体靶8可以是光电材料，也可以是包含所需离子的固体材料。固体靶可以安装在放电室外部，也可以置于放电室内部。

6.根据权利1所述离子源，其特征在于：放电室壁采用光学反射结构，激光在放电室内多次反射，形成光学谐振，谐振光通过离子源引出孔附近区域，在引出孔附近形成高密度等离子体。