CN111385956A - 一种射频粒子源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及粒子束产生与中和技术领域，具体提供一种射频粒子源，包括：射频信号源、阻抗匹配网络、射频线圈、射频放电腔以及栅网系统，其中，栅网系统包括内层栅网和外层栅网；通过内层栅网和外层栅网电压调节可以分别实现产生离子束、电子束、或者电子束与离子束同时产生并中和形成中性粒子束；同时，通过调节栅网距离和栅网电极电压控制抽取束流正负电荷电荷密度和粒子运动速度从而实现束流粒子密度，速度和电荷可调。另外，本发明无需传统离子源需要使用的外加阴极以及相应电极来中和粒子束，极大程度降低射频离子源设备的复杂性，避免了阴极高温及溅射对离子源寿命的影响，保证束流产生效果的稳定。

Description

一种射频粒子源
技术领域
本发明涉及粒子束产生与中和技术领域，更具体地，涉及一种射频粒子源。
背景技术
射频等离子体是利用射频能量产生位移电流，使气体发生电离，形成等离子体。传统的射频离子源可以产生射频等离子体并从电离的等离子体中抽取离子束流。射频离子源在材料镀膜、核聚变、航空推经等领域都有广泛的使用。射频离子源中和器向离子源束流发射电子，中和离子束流的电荷，避免束流电荷积累，是射频离子源的重要组件。
传统的射频离子源中和器采用外加电极的热阴极发射电子，为了克服电子逸出功，阴极常需要很高的工作温度，高温会导致阴极热损耗加大，发射效率下降，同时由于带电粒子轰击，阴极温度还会进一步升高；同时，等离子体加工采用的钨丝阴极寿命仅有约200小时，阴极的使用寿命也极大影响了等离子体源的寿命。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种无需中和器的射频粒子源，射频粒子源可以当作传统离子源产生中性粒子束，也可以单独产生电子束或离子束，并且可以调整产生的粒子束电荷量以及粒子密度，同时在产生中性粒子束时无需使用传统离子源需要使用的外加阴极以及相应电极来中和粒子束，极大程度降低射频离子源设备的复杂性，避免了阴极高温及溅射对离子源寿命的影响，保证束流产生效果的稳定。
为达上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种射频粒子源，包括：射频信号源、阻抗匹配网络、射频线圈、射频放电腔以及栅网系统；所述射频信号源通过阻抗匹配网络与射频线圈130连接，所述射频线圈缠绕于射频放电腔110外侧壁，所述射频放电腔的底部设置进气通道111、顶部设置栅网系统；其特征在于，所述栅网系统包括：内层栅网、外层栅网及绝缘隔离圈180，所述内层栅网设置于绝缘隔离圈内侧，所述外层栅网设置于绝缘隔离圈外侧；所述外层栅网包括：外层屏栅140、外层加速栅150，所述外层屏栅140连接于射频放电腔110的顶部，所述外层加速栅150位于外层屏栅140上方、且两者之间设置绝缘垫圈170；所述内层栅网包括：内层加速栅190、内层屏栅200，所述内层加速栅190位于内层屏栅200上方。
进一步的，所述绝缘隔离圈180连接位于外层屏栅140下方的接线管112、113，且绝缘隔离圈180内具有走线通道；所述接线管与绝缘隔离圈180内走线通道共同形成内层栅网传输线通道，所述内层加速栅190、内层屏栅200分别通过传输线与内层加速栅电极、内层屏栅电极连接，所述内层屏栅电极与内层加速栅电极间隔180°设置；所述外层屏栅140、外层加速栅150分别通过连接片与外层屏栅电极、外层加速栅电极连接，所述外层屏栅电极与外层加速栅电极间隔180°设置；所述内层屏栅电极、内层加速栅电极、外层屏栅电极、外层加速栅电极相互间隔90°设置。
更进一步的，所述绝缘隔离圈180内还设置有屏蔽层182，所述内层栅网传输线采用带传输线屏蔽网的传输线，所述屏蔽层182与传输线屏蔽网相连，可以屏蔽外层栅网和内层栅网之间电势的影响；传输线屏蔽网可以防止电流通过传输线时电流产生磁场影响放电腔内等离子体内带点粒子运动轨迹，减少轰击在放电腔壁或者栅网上的粒子，保证束流抽取效果的同时增强了粒子源的使用寿命。
进一步的，所述内层栅网的内层加速栅190、内层屏栅200均设置开孔，两者网孔分布相同，且所述内层加速栅190开孔直径小于或大于内层屏栅200开孔直径。所述外层栅网的外层屏栅140、外层加速栅150均设置开孔，两者网孔分布相同，且所述外层加速栅150开孔直径小于或大于外层屏栅140开孔直径。更进一步的，所述外层栅网与内层栅网中，网孔均采用对称分布、呈正多边形或圆形；并且，所述外层栅网与内层栅网的网孔分布形状相同。
进一步的，所述绝缘垫圈170内壁开设有V形或锯齿形槽，用以有效增加垫圈内壁表面积，减少线圈单位面积电荷积累，从而避免高压击穿介质在栅网之间放电，保证抽取束流的稳定。
进一步的，所述进气通道111设置横向开口，气体通过横向开口进入，并扩散至整个腔体，横向开口可以保证输送气体更加均匀，避免局部气体压强不同而导致不同类型的气体放电，保证气体电离的稳定。
进一步的，所述射频粒子源还包括外层固定壳160，所述射频放电腔110、外层加速栅150、绝缘垫圈170、外层屏栅140均嵌入外层固定壳170中，所述外层固定壳内壁设置有射频屏蔽金属罩120、包围所述射频放电腔110及其外侧壁的射频线圈130。
另行想要说明的是：本发明中，接线管道采用绝缘材料制成，利用带有金属屏蔽网的传输线通过接线管道连接到接线柱金属触点，传输线金属屏蔽网接地，可以有效屏蔽传输线上电磁感应产生的电磁场。射频线圈缠绕于放电腔体外侧，并将金属罩设于射频线圈外侧，金属罩可以反射射频功率，减少放电腔外部能量损耗，提高射频能量利用效率。绝缘放电腔采用氮化铝陶瓷材料，提升放电腔的耐热性能，避免在高温下放电腔形变，同时这种材料硬度较高，可以在粒子源工作过程中承受更强的机械荷载，增强了粒子源工作稳定性和使用寿命。离子束栅网(内层栅网)与电子束栅网(外层栅网)之间用陶瓷圈隔断，陶瓷圈可以有效耐高温，同时避免电子束与离子束在加速栅网上游中和，变成中性粒子不受电场力约束轰击栅网，从而提高粒子源束流抽取效率，进一步增加粒子源使用寿命。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明相较于传统的射频离子源，减少了中和器的使用，通过控制栅网间距和栅网电势，实现了产生单一电子束或产生单一离子束，或者外层栅网产生电子束、内层栅网产生离子束、两种粒子结合形成电荷密度可调的中性粒子束，或者外层栅网产生离子束、内层栅网产生电子束、两种粒子结合形成电荷密度可调的中性粒子束。相比于传统的射频离子源，不仅可以由同一设备产生多种粒子束，而且不需要中和器即可稳定运行。四个栅网电极连接设置为九十度间距避免高压连接处可能发生的击穿打火。利用带屏蔽网的传输线可以防止传输线上电流产生磁场影响等离子体内部粒子分布，将传输线置于管道内部也可以避免传输线被离子溅射，接线管道内传输线金属屏蔽网可以进一步减少传输线电流可能产生的磁场影响。两高压电极之间的垫片开槽，可以增加垫片外表面积，减小了单位面积上电荷积累过多产生击穿；通过设置射频线圈外部屏蔽金属罩对射频功率进行反射，减少了放电腔外部能量损耗，提高射频能量利用率；通过采用氮化铝陶瓷放电腔提高了放电腔的耐热和机械性能，在粒子源工作过程中可以承受更强的机械荷载，增强了粒子源工作稳定性和使用寿命；通过氮化铝放电腔底部横向进气孔，可以使气体均匀扩散至整个腔体，避免局部气体放电状态不同，保证了气体稳定电离；通过采用氮化铝陶瓷圈隔离内外层栅网，使得电子束和离子束可以分别在内层和外层稳定抽取，避免了栅网上游可能发生的中和。
附图说明
为了更加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一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，也可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中射频粒子源的正面剖视图；
图2为本发明实施例中射频粒子源栅网和传输线连接侧面剖视图；
图3为本发明实施例中射频粒子源俯视图；
其中。图1为俯视图D面剖视图，图2为俯视图G面剖视图栅网部分；射频放电腔110，放电气体进气通道111，接线管112、113，栅网电极传输线114、115，金属射频屏蔽罩120，射频线圈130，外层屏栅140，外层屏栅接线片141，外层加速栅150，外层加速栅接线片151，外层固定壳160，绝缘垫圈170，V形槽171，绝缘隔离圈180，金属触点181，屏蔽层182，内层加速栅190，内层屏栅200。
图4为本发明实施例中射频粒子源抽取内层离子束、外层电子束工作原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略，放大或缩小，不代表实际的尺寸；对于本领域的技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本实施例提供一种无中和射频粒子源，其结构示意图如图1所示，其中：
射频放电腔110优选材料为：氮化硼陶瓷，射频放电腔110底部设置有进气孔111，放电气体从进气孔111进入射频放电腔110，随后扩散至整个腔体；
射频放电腔110上缠绕射频线圈130，缠绕圈数至少为1圈，优选地：缠绕4-10圈；射频线圈130采用铜线，优选地：采用铜管，铜管内通入冷却液体进行冷却，从而实现装置长时间使用；
射频线圈130外侧设有金属射频屏蔽罩120，金属射频屏蔽罩120优选材料为：铝，射频线圈130通过传输线依次连接射频匹配器和射频源，射频匹配通过调节端口反射系数使射频能量尽可能多地被放电腔体吸收，简单起见图1中未画出射频匹配器和射频源；
射频放电腔110的顶端连接外层屏栅140，外层屏栅140优选材料为：导体材料、如不锈钢，屏栅厚度为0.3mm～1mm；外层屏栅140上开孔引出电子束流，开孔直径为1mm～3mm之间，孔对称分布，如正六边形分布，如图3所示；外层屏栅140通过外层屏栅接线片141与外层屏栅电极相连，外层屏栅接线片141厚度与屏栅相同，接线片140与外层屏栅的连接方式为嵌入外层固定壳170，外层屏栅电极与屏栅连接片在外层固定壳外部连接，外层屏栅电极为外层屏栅140提供正电压，优选地：外屏栅电极电压为800～1200V；
外层屏栅140与绝缘垫圈170连接，绝缘垫圈170采用绝缘材料制成，绝缘垫圈170厚度为1mm～3mm，优选材料为：氮化硼陶瓷，绝缘垫圈上的内侧壁上开设V形槽171，槽171深度优选为0.5mm～2mm，直径小于绝缘垫圈170厚度，优选地：开多个槽进一步增加垫圈外表面积；
绝缘垫圈170连接外层加速栅150，外层加速栅150结构与外层屏栅接近，开孔直径小于外层屏栅，直径为0.8mm～2mm之间，如图3所示；外层加速栅150通过接线片151与加速栅电极相连，外层加速栅接线片151厚度与外层加速栅相同，接线片151与外层加速栅的连接方式为嵌入外层固定壳170，外层加速栅电极与外层加速栅连接片在外层固定壳外部连接，外层加速栅电极为外层加速栅150提供加速栅电极电压，优选地：50V～300V之间；
外层加速栅150、绝缘垫圈170、外层屏栅栅140、射频放电腔110均嵌入外层固定壳170中，优选地：采用螺栓固定；
射频放电腔110设置有接线管112和接线管113，接线管112、113为绝缘材料；接线管112连接隔离圈180，隔离圈厚度为1mm～3mm、优选材料为：氮化硼陶瓷；接线管112、113连接绝缘隔离圈180；隔离圈上设置走线通道，隔离圈180内壁打孔或开槽、优选地：孔数有2-6个；隔离圈180内部嵌入屏蔽层182，屏蔽层182材料为金属，屏蔽层厚度为0.1～0.5mm；屏蔽层182与传输线屏蔽网连接，用以屏蔽内层栅网和外层栅网之间电势影响；
内层屏栅200嵌入隔离圈开孔，可以选择不同的孔位嵌入内层屏栅200，从而内层屏栅200的位置上下方向可调；内层屏栅200的厚度为0.3mm～1mm，优选材料为：金属、如不锈钢；内层屏栅200设置开孔抽取离子束流，开孔为对称分布，如正六边形，开孔直径为1mm～3mm，如图3所示；内层屏栅电极通过带屏蔽网的传输线连接内层屏栅金属触点181，从而为内层屏栅200提供电势，优选地：内层屏栅电极电压为600V～1200V；
内层加速栅190结构与内层屏栅200类似，内层加速栅190嵌入隔离圈180开孔，内层加速栅190位于内层屏栅200之上；内层加速栅190开孔小于内层屏栅200，开孔直径为0.8mm～2mm之间，开孔分布与内层屏栅200相同；内层加速栅电极通过内层屏栅接线管112另一侧的接线管113连接内层加速栅190，内层加速栅与内层屏栅之间间隔180度避免电极之间短路或打火放电，内层加速栅电极电压为-50V～-300V之间，优选地为：-150V；内层屏栅200和内层加速栅190之间的间距可以通过嵌入位置不同来调节，优选地：间距为1.5mm。
上述实施例中射频粒子源抽取工作原理如图4所示；当上述无中和射频粒子源使用时，放电气体通过放电气体进气通道111进入射频放电腔110，并在放电腔110内均匀扩散；射频源送入射频信号、优选频率为13.56MHz，射频线圈130以及放电腔110整体视为负载，利用射频匹配器调节射频源端口的反射功率、使反射功率尽可能小，射频信号经过匹配器匹配后加载到射频线圈130，射频线圈130上的信号在射频放电腔内激发位移电流，从而击穿放电气体，使气体放电产生等离子体；射频源不断送入射频功率维持放电腔110内部气体电离状态，放电腔110内等离子体在屏栅上形成等离子体鞘，外部屏栅引出放电腔等离子体内电子，内部屏栅引出等离子体内离子，离子束与电子束被绝缘隔离圈180隔开，通过加速栅引出后，隔离圈中间的离子束吸引隔离圈周围电子束、形成中性粒子束流；改变加速栅电极电压，也可以使内层栅网和外层栅网产生相同类型的电子或离子，粒子源工作状态由四个栅极电压决定；调节外层屏栅140和外层加速栅150电极电势以及两者间距能够调整抽取电子束流的电荷密度以及束流内粒子运动速度；调整内层屏网200和内层加速栅190的嵌入位置，即上下调整内层屏栅200和内层加速栅190两者之间的间距，调节内层屏栅200和内层加速栅190的电势，能够实现抽取离子束流的电荷密度以及束流内粒子运动速度的控制；通过两种束流的调节，实现中性束流速度以及粒子密度的调节。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (9)

1.一种射频粒子源，包括：射频信号源、阻抗匹配网络、射频线圈、射频放电腔以及栅网系统；所述射频信号源通过阻抗匹配网络与射频线圈130连接，所述射频线圈缠绕于射频放电腔110外侧壁，所述射频放电腔的底部设置进气通道111、顶部设置栅网系统；其特征在于，所述栅网系统包括：内层栅网、外层栅网及绝缘隔离圈180，所述内层栅网设置于绝缘隔离圈内侧，所述外层栅网设置于绝缘隔离圈外侧；所述外层栅网包括：外层屏栅140、外层加速栅150，所述外层屏栅140连接于射频放电腔110的顶部，所述外层加速栅150位于外层屏栅140上方、且两者之间设置绝缘垫圈170；所述内层栅网包括：内层加速栅190、内层屏栅200，所述内层加速栅190位于内层屏栅200上方。
2.按权利要求1所述射频粒子源，其特征在于，所述绝缘隔离圈180连接位于外层屏栅140下方的接线管112、113，且绝缘隔离圈180内具有走线通道；所述接线管与绝缘隔离圈180内走线通道共同形成内层栅网传输线通道，所述内层加速栅190、内层屏栅200分别通过传输线与内层加速栅电极、内层屏栅电极连接，所述内层屏栅电极与内层加速栅电极间隔180°设置；所述外层屏栅140、外层加速栅150分别通过连接片与外层屏栅电极、外层加速栅电极连接，所述外层屏栅电极与外层加速栅电极间隔180°设置；所述内层屏栅电极、内层加速栅电极、外层屏栅电极、外层加速栅电极相互间隔90°设置。
3.按权利要求2所述射频粒子源，其特征在于，所述绝缘隔离圈180内还设置有屏蔽层182，所述内层栅网传输线采用带传输线屏蔽网的传输线，所述屏蔽层与传输线屏蔽网相连。
4.按权利要求1所述射频粒子源，其特征在于，所述内层栅网的内层加速栅190、内层屏栅200均设置开孔，两者网孔分布相同；所述外层栅网的外层屏栅140、外层加速栅150均设置开孔，两者网孔分布相同。
5.按权利要求4所述射频粒子源，其特征在于，更进一步的，所述外层栅网与内层栅网中，网孔均采用对称分布、呈正多边形或圆形；并且，所述外层栅网与内层栅网的网孔分布形状相同。
6.按权利要求1所述射频粒子源，其特征在于，所述绝缘垫圈170内壁开设有V形或锯齿形槽。
7.按权利要求1所述射频粒子源，其特征在于，所述进气通道111设置横向开口。
8.按权利要求1所述射频粒子源，其特征在于，所述射频粒子源还包括外层固定壳160，所述射频放电腔110、外层加速栅150、绝缘垫圈170、外层屏栅140均嵌入外层固定壳170中，所述外层固定壳内壁设置有射频屏蔽金属罩120、包围所述射频放电腔110及其外侧壁的射频线圈130。
9.按权利要求1所述射频粒子源，其特征在于，所述射频粒子源具有四种工作模式，分别为：作为离子源单独发射离子束流，作为电子枪发射电子束流，内层栅网发射离子束流、外层栅网发射电子束流、离子束流和电子束流相互吸引形成中性束流，外层栅网发射离子束流、内层栅网发射电子束流、离子束流和电子束流相互吸引形成中性束流。
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