CN111093312A - 一种新型双层孔离子引出和加速系统 - Google Patents

一种新型双层孔离子引出和加速系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型双层孔离子引出和加速系统，该系统为圆柱状结构，包括阴极、第一阳极和第二阳极，整体系统沿圆柱中心轴为旋转对称结构，阴极与第一阳极之间通过第一绝缘介质隔离，第一阳极与第二阳极之间通过第二绝缘介质隔离；从系统的中心剖面来看，阴极围成了等离子体区，等离子体区为矩形，阴极在靠近第一阳极的边界中心处设置有第一引出孔；第一阳极的中心位置处设置有第二引出孔；第一阳极和第二阳极之间形成离子加速区，离子加速区为真空区；等离子体区的离子经第一引出孔和第二引出孔引出，然后经过离子加速区加速后打到第二阳极上。本发明具有显著提高离子源引出离子和到靶离子流强度以及改善到靶离子流时间波形的益处。

Description

一种新型双层孔离子引出和加速系统
技术领域
本发明属于离子源中离子的引出和传输技术领域，具体涉及一种新型双层孔离子引出和加速系统。
背景技术
等离子体离子源在工业上有着良好的应用前景。其中潘宁离子源由于具有结构和供电简单、使用寿命长等特点，因而在爆炸物探测、石油测井、地质和矿物勘探等许多领域得到了广泛的应用。
在从离子源引出离子的过程中，如何尽可能多地提高离子源引出离子束流的强度并保证其加速后在靶上分布的均匀性等，一直是离子源研究的重要方向之一。
离子引出和加速系统与离子源相连，通过系统中电极间的电场作用，离子从离子源的引出口引出后，在加速区获得能量，最后轰击到靶上。合理设计引出和加速系统对离子源性能的提升非常重要。通过对潘宁离子源的离子引出和加速系统的研究表明，离子源引出孔的大小和形状的变化对离子发射面形状、离子轨迹、离子引出到靶电流均有一定影响，其中引出孔厚度越小，引出和到靶电流强度越高。但由于引出孔大小，尤其是引出孔的厚度可能受到实际物理因素的限制，因此调节范围受到限制。
目前常规的离子引出和加速系统一般采用单层孔结构，对于引出孔厚度较大的离子源，在离子源强度一定的情况下，该单层孔结构引出离子以及到靶离子流强度可能达不到预期值。
因此，对于现有离子引出和加速系统做进一步的改进有重要应用价值。
发明内容
本发明之目的提供了一种新型双层孔离子引出和加速系统，其目的是针对引出孔厚度较大的离子源，利用该结构提高离子源引出离子和到靶离子流强度。
本发明提供一种新型双层孔离子引出和加速系统，该系统为圆柱状结构，包括阴极、第一阳极和第二阳极，所述阴极、第一阳极和第二阳极沿圆柱中心轴为旋转对称结构，所述阴极与所述第一阳极之间通过第一绝缘介质隔离，所述第一阳极与第二阳极之间通过第二绝缘介质隔离；其中，从系统的中心剖面来看，
所述阴极围成了等离子体区，所述等离子体区为矩形，所述阴极在靠近所述第一阳极的边界中心处设置有第一引出孔；
所述第一阳极的中心位置处设置有第二引出孔；
所述第一阳极和第二阳极之间形成离子加速区，所述离子加速区为真空区；
所述等离子体区的离子经所述第一引出孔和第二引出孔引出，然后经过所述离子加速区加速后打到所述第二阳极上。
优选地，所述等离子体区由气体放电产生或直接加载产生。
优选地，所述第一引出孔和第二引出孔均为圆柱形孔，并且圆柱形孔的中心轴与整个系统的中心轴重合。
优选地，所述阴极上靠近所述第一阳极的边界厚度远小于所述第一阳极的厚度。
优选地，所述第一引出孔和第二引出孔的半径相同。
优选地，所述阴极为接地电极，电位Uc为0V。
优选地，所述第一阳极和第二阳极均施加负偏压，所述第一阳极的电位为U1，所述第二阳极的电位为U2，其中，U1<0，U2<0，U1>U2，U1的绝对值远小于U2的绝对值。
优选地，所述阴极、第一阳极和第二阳极均为良导体。
优选地，所述等离子体区的长度和半径分别为Lc和Rc，所述第一引出孔的厚度和半径分别为L1和R1，所述第二引出孔的厚度和半径分别为L2和R2，所述第一引出孔和第二引出孔之间的距离为Lca，所述离子加速区的长度和半径分别为La和Ra，其中，Lc＝4.7mm，Rc＝5.0mm，L1＝0.1mm，R1＝1.4mm，L2＝1.6mm，R2＝1.4mm，Lca＝0.2mm，La＝5.0mm，Ra＝5.0mm。
优选地，所述第一阳极的电位U1为-250V，所述第二阳极的电位U2为-10.25kV。
本发明的新型双层孔离子引出和加速系统相对于现有技术具有以下有益技术效果：
1、本发明的新型双层孔离子引出和加速系统改变了传统引出孔附近轴向电场的分布规律，使得加速区电场耦合到等离子体区和提取孔中的强度增加，使得引出孔附近相同位置离子获得的动能将增加，从而有利于离子的引出。
2、本发明的新型双层孔离子引出和加速系统采用双层孔离子引出结构，且两层孔之间有一个小的电压差，引出孔附近轴向电场分布发生改变，加速区电场耦合到等离子体区和提取孔中的电场增加，引出孔附近相同位置离子获得的动能增加，有利于离子的引出。同时，离子发射面位置基本由两个引出孔之间电压差确定，在加速电压改变比较大的情况，发射面可以基本固定不变，因此相对于单层孔结构，该结构的引出和到靶离子流强度显著提高，同时靶离子流时间波形也得以改善。
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用于解释本发明的构思。
图1是常规单层孔离子引出和加速系统示意图，RZ截面；
图2是本发明提供的双层孔离子引出和加速系统示意图，RZ截面；
图3是本发明提供的双层孔离子引出和加速系统的参数定义示意图，RZ截面；
图4是本发明实施例中引出孔区域轴向电场Ez在RZ截面分布的等高图，对应单层孔结构，为突出引出孔附近电场分布细节只显示了0<Ez<11.115(kV/cm)的区域；
图5是本发明实施例中到靶电流强度随时间的变化曲线，对应单层孔结构；
图6是本发明实施例中引出孔区域轴向电场Ez在RZ截面分布的等高图，对应本发明提出的双层孔结构，V1为-250V，为突出引出孔附近电场分布细节只显示了0<Ez<11.115(kV/cm)的区域；
图7是本发明实施例中到靶电流随时间的变化曲线，对应本发明提出的双层孔结构，V1为-250V；
图8是本发明实施例中到靶电流随时间的变化曲线，对应本发明提出的双层孔结构，V1为-300V。
附图标记汇总：
1、阴极 2、第一阳极 3、第二阳极
4、第一绝缘介质 5、第二绝缘介质 6、第一引出孔
7、第二引出孔 8、等离子体区 9、离子加速区
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是在RZ截面的常规单层孔离子引出和加速系统示意图，如图1所示的常规单层孔离子引出和加速系统主要包括一个阴极1和一个阳极。其中阴极1围成了等离子体区8，等离子体区8可由气体放电产生或者直接加载，引出孔设置在阴极1的右边界中心处。阴极1右边界与阳极组成了离子加速区9，阳极同时也是离子靶。
图1示出的整个结构为旋转对称结构，中心轴OZ(R＝0)为对称轴，引出孔为圆柱形孔，其中心与整个结构的中心轴重合，图1给出的是RZ截面的结构示意图，R>0。阳极和阴极均为良导体，阴极1和阳极之间通过绝缘介质隔离。离子加速区9为真空区，装配好后做抽真空处理。
本发明提供一种新型双层孔离子引出和加速系统，如图2所示，该系统为圆柱状结构，包括阴极1、第一阳极2和第二阳极3，阴极1、第一阳极2和第二阳极3沿圆柱中心轴为旋转对称结构，阴极1与第一阳极2之间通过第一绝缘介质4隔离，第一阳极2与第二阳极3之间通过第二绝缘介质5隔离。其中，从系统的中心剖面来看，阴极1围成了等离子体区8，等离子体区8为矩形，其中等离子体区8由气体放电产生或直接加载产生。并且，阴极1、第一阳极2和第二阳极3均为良导体。
如图2所示，即RZ截面来看，阴极1围成了U型截面，阴极1在靠近第一阳极2的边界中心处设置有第一引出孔6，或者说第一引出孔6设置在阴极1的右边界中心处，第一阳极2的中心位置处设置有第二引出孔7。第一阳极2和第二阳极3之间形成离子加速区9，离子加速区9为真空区，该真空区可以在系统装配好后做抽真空处理。等离子体区8的离子经第一引出孔6和第二引出孔7引出，然后经过离子加速区9加速后打到第二阳极3上。
其中，靠近等离子体区8的第一引出孔6厚度很小，第二引出孔7为传统结构中原有的引出孔，其厚度根据实际情况确定，一般第二引出孔7的厚度远大于第一引出孔6的厚度。第一引出孔6和第二引出孔7的半径一般设置为相同尺寸。两层孔之间距离较小，两层孔之间的电压差也很小。其他情况与单层孔离子引出和加速结构相同。
本发明的双层孔离子引出和加速系统为旋转轴对称结构，其中第一引出孔6和第二引出孔7均为圆柱形孔，并且圆柱形孔的中心轴与整个系统的中心轴重合。
在本发明的进一步实施例中，阴极1为接地电极，电位Uc为0V。第一阳极2和第二阳极3均施加负偏压，第一阳极2的电位为U1，第二阳极3的电位为U2，其中，U1<0，U2<0，U1>U2，U1的绝对值远小于U2的绝对值。
本发明的双层孔离子引出和加速系统的尺寸参数，如图3所示，包括：等离子体区8的长度和半径分别为Lc和Rc，第一引出孔6的厚度和半径分别为L1和R1，第二引出孔7的厚度和半径分别为L2和R2，第一引出孔6和第二引出孔7之间的距离为Lca，离子加速区9的长度和半径分别为La和Ra，第二阳极3(靶)的半径与离子加速区9半径相同。优选地，上述参数具体为Lc＝4.7mm，Rc＝5.0mm，L1＝0.1mm，R1＝1.4mm，L2＝1.6mm，R2＝1.4mm，Lca＝0.2mm，La＝5.0mm，Ra＝5.0mm。
具体地，本发明的等离子体区8(加载区)参数设置如下：ne＝1016m-3，Te＝Ti＝5.5eV，ne、Te和Ti分别为等离子体加载区中等离子体密度、电子和离子的温度，离子的种类为氢离子。
阴极1为接地电极，电位Uc＝0V，第一阳极2和第二阳极3所加电压均为负偏压，第一阳极2的电位U1为-250V，第二阳极3的电位U2为-10.25kV，U1>U2，但U1的绝对值远小于U2的绝对值。
对于如图1所示的常规单层孔离子引出和加速系统，图4和图5给出了其引出孔附近的轴向电场Ez分布的等高图和到靶离子流强度随时间的变化曲线，与图2所示的结构尺寸相比，L1＝0，Lca＝0，U1＝0V，其他参数完全一致。
对于如图2和图3所示的新型双层孔离子引出和加速系统，图6和图7给出了其引出孔附近的轴向电场Ez分布的等高图和到靶离子流强度随时间的变化曲线，结构尺寸如前所述。为了证实本发明系统的有效性，图8给出了到靶离子流强度随时间的变化曲线，U1为-300V，其他参数与图6和图7完全一致。
由图4和图6对比可以看出，采用双层孔离子引出结构后，由于两层孔之间有一个小的电压差，引出孔附近轴向电场分布发生改变，加速区电场耦合到等离子体区8和引出孔中的电场增加，引出孔附近相同位置离子获得的动能增加，因而有利于离子的引出。
由图5和图7对比可以看出，相对于单层孔结构，采用双层孔离子引出和加速结构后，引出和到靶离子流强度显著提高，稳定时的到靶电流由0.7mA提高到了1.3mA，提高了约85％。同时到靶离子流时间波也形得以改善，离子流强度达到稳定值的时间由50ns缩短为35ns。对比图7和图8，当U1为-250V时，到靶电流为1.3mA，当U1＝-300V时，到靶电流为1.5mA，到靶电流强度又提高了15％。因此，一定范围内，两孔之间压差越大，到靶离子流强度提高效果越明显。
最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种新型双层孔离子引出和加速系统，其特征在于，该系统为圆柱状结构，包括阴极、第一阳极和第二阳极，所述阴极、第一阳极和第二阳极沿圆柱中心轴为旋转对称结构，所述阴极与所述第一阳极之间通过第一绝缘介质隔离，所述第一阳极与第二阳极之间通过第二绝缘介质隔离；其中，从系统的中心剖面来看，
所述阴极围成了等离子体区，所述等离子体区为矩形，所述阴极在靠近所述第一阳极的边界中心处设置有第一引出孔；
所述第一阳极的中心位置处设置有第二引出孔；
所述第一阳极和第二阳极之间形成离子加速区，所述离子加速区为真空区；
所述等离子体区的离子经所述第一引出孔和第二引出孔引出，然后经过所述离子加速区加速后打到所述第二阳极上。
2.根据权利要求1所述的新型双层孔离子引出和加速系统，其特征在于，所述等离子体区由气体放电产生或直接加载产生。
3.根据权利要求1所述的新型双层孔离子引出和加速系统，其特征在于，所述第一引出孔和第二引出孔均为圆柱形孔，并且圆柱形孔的中心轴与整个系统的中心轴重合。
4.根据权利要求1所述的新型双层孔离子引出和加速系统，其特征在于，所述阴极上靠近所述第一阳极的边界厚度远小于所述第一阳极的厚度。
5.根据权利要求1所述的新型双层孔离子引出和加速系统，其特征在于，所述第一引出孔和第二引出孔的半径相同。
6.根据权利要求1所述的新型双层孔离子引出和加速系统，其特征在于，所述阴极为接地电极，电位Uc为0V。
7.根据权利要求6所述的新型双层孔离子引出和加速系统，其特征在于，所述第一阳极和第二阳极均施加负偏压，所述第一阳极的电位为U1，所述第二阳极的电位为U2，其中，U1<0，U2<0，U1>U2，U1的绝对值远小于U2的绝对值。
8.根据权利要求1所述的新型双层孔离子引出和加速系统，其特征在于，所述阴极、第一阳极和第二阳极均为良导体。
9.根据权利要求1所述的新型双层孔离子引出和加速系统，其特征在于，所述等离子体区的长度和半径分别为Lc和Rc，所述第一引出孔的厚度和半径分别为L1和R1，所述第二引出孔的厚度和半径分别为L2和R2，所述第一引出孔和第二引出孔之间的距离为Lca，所述离子加速区的长度和半径分别为La和Ra，其中，Lc＝4.7mm，Rc＝5.0mm，L1＝0.1mm，R1＝1.4mm，L2＝1.6mm，R2＝1.4mm，Lca＝0.2mm，La＝5.0mm，Ra＝5.0mm。
10.根据权利要求7所述的新型双层孔离子引出和加速系统，其特征在于，所述第一阳极的电位U1为-250V，所述第二阳极的电位U2为-10.25kV。
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