CN111755317B - 一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源 - Google Patents

一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源，包括：离子源源体包括放电腔室以及设置在放电腔室外部的封装磁体，封装磁体包括沿放电腔室的轴向分布的等离子体约束部和偏移磁场生成部；射频注入组件包括气源供给部和射频注入部，气源供给部向所述放电腔室内馈入工作气体，射频注入部安装在所述离子源源体的前端侧，向所述放电腔室内发出射频；离子束引出系统包括由前向后依次布置的等离子体电极、吸极和地电极；等离子体电极、吸极和地电极上分别对应开设有第一引出孔、第二引出孔和第三引出孔，等离子体电极用于对等离子体的状态进行调制；吸极用于初步加速引出的负离子束和吸附电子；地电极用于加速负离子束至目标能量。

Description

一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源
技术领域
本发明涉及一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源。
背景技术
二次离子质谱仪具有高精度、高灵敏度、高分辨率、高效率微区原位同位素和元素分析能力，在地球科学、材料科学、海洋科学、核科学和生命科学等领域有广泛的应用，是目前国际上最先进的大型微区原位分析仪器之一。
目前，二次离子质谱仪上广泛被采用的离子源为双等离子体离子源，用来产生O-、O2 -离子，可用于地质年代学等领域开展科学研究。地质年代学分析主要利用放射性同位素来测定不同类型岩石与矿床形成年龄，目标测试离子为电正性的放射性同位素离子，由于强电负性的O-、O2 -离子可以有效提高电正性的二次离子产率，降低荷电效应对分析的影响，而其他类型离子源不能高效产生二次离子，因此双等离子体离子源作为二次离子质谱仪器的一次离子源，被广泛应用于地质年代学微区原位分析。但是在二次离子质谱仪上使用双等离子体离子源产生O-、O2 -离子束都存在一些问题，例如：①离子源稳定性差(波动＞10％)；②离子源寿命有限(50-200小时)；③能散大不利于微小束斑形成(能散5-20eV，束斑10-30μm)；④离子种类少(负氧)。因此，二次离子质谱仪上迫切需要装备更高性能离子源，以提高离子束亮度及空间分辨率，否则对于许多前沿领域和热点问题的研究都无能为力。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源，包括：离子源源体，包括放电腔室以及设置在所述放电腔室外部的封装磁体，所述封装磁体包括沿所述放电腔室的轴向分布的等离子体约束部和偏移磁场生成部；所述等离子体约束部能够产生对所述放电腔室内产生的等离子体进行空间约束的磁场，所述偏移磁场生成部能够产生使得被引出所述放电腔室的负电性粒子中电子的运动发生偏移的磁场；射频注入组件，包括气源供给部和射频注入部，所述气源供给部向所述放电腔室内馈入工作气体，所述射频注入部安装在所述离子源源体的前端侧，向所述放电腔室内馈入射频，使得馈入所述放电腔室内的工作气体离化产生等离子体；离子束引出系统，安装在所述离子源源体的后端侧，包括由前向后依次布置的等离子体电极、吸极和地电极；所述等离子体电极、吸极和地电极上分别对应开设有第一引出孔、第二引出孔和第三引出孔，且第一至第三引出孔呈同轴分布；所述等离子体电极用于对等离子体的状态进行调制；所述吸极用于吸附自负电性粒子中偏移出的电子，并初步加速引出的负离子束；所述地电极用于加速负离子束至目标能量。
优选地，所述封装磁体包括固定设置在所述放电腔室外部的封装体，嵌设于所述封装体内的钕铁硼永磁体，分布于所述等离子体约束部的钕铁硼永磁体能够产生多极Cusp磁场构型，能够对所述放电腔室内产生的等离子体进行空间约束；分布于所述偏移磁场生成部的钕铁硼永磁体能够产生横向过滤磁场，能够使被引出所述放电腔室的负电性粒子中电子的运动发生偏移。
优选地，所述射频注入部包括射频天线、陶瓷窗和法兰，所述法兰固定在所述放电腔室的前侧端，所述陶瓷窗固定在所述法兰的中心位置，所述射频天线呈平面螺旋结构地压设在所述陶瓷窗的外侧面上；所述气源供给部包括径向设置在所述法兰上的进气管道，所述进气管道的出气口贯穿所述法兰的内侧壁与所述放电腔室连通，所述进气管道的进气口位于外部。
优选地，所述等离子体电极呈U型杯状结构，所述等离子体电极的底部位于所述放电腔室内，所述等离子体电极和放电腔室之间相互绝缘，所述等离子体电极的底部中心开设第一引出孔；所述吸极包括环形体以及间隔平行设置在所述环形体底部的吸极前电极和吸极后电极，所述吸极前电极和吸极后电极的中心均设置开孔，两所述开孔共同构成所述第二引出孔，所述吸极的底部位于所述等离子体电极内，所述吸极和等离子体电极之间相互绝缘，所述地电极呈U型杯状结构，所述地电极的底部位于所述吸极内，所述地电极和吸极之间相互绝缘，所述地电极的底部中心开设第三引出孔；所述等离子体电极、吸极和地电极共同通过绝缘框架体固定在所述放电腔室的后端侧。
优选地，在所述法兰上设置与所述放电腔室连通的真空测量管道，在所述法兰内设置第二环腔，所述第二环腔环绕于所述陶瓷窗的外部，在所述法兰上设置与所述第二环腔连通的第二进水口和第二出水口；所述射频天线的一端连接进水管道，所述射频天线的另一端连接出水管道。
优选地，所述射频注入部还包括射频屏蔽罩，罩设在所述法兰的外部，所述射频屏蔽罩上预留有冷却水通道和电缆通道，所述冷却水通道与所述进水管道、出水管道连通，所述陶瓷窗采用氮化铝陶瓷片。
优选地，在所述等离子体电极内形成有第三环腔，在所述等离子体电极上设置与所述第三环腔连通的第三进水口和第三出水口。
优选地，所述放电腔室、等离子体电极、吸极和地电极两两之间均通过陶瓷环隔开进行绝缘。
优选地，所述地电极的侧壁开设抽气孔。
优选地，所述封装体采用无磁性的金属材料。
本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：1、本发明包括射频注入组件、离子源源体和离子束引出系统，通过射频注入部将射频功率馈入放电腔室，加热馈入放电腔室内的工作气体产生等离子体，放电腔室的外部设置封装磁体，能够对等离子体进行空间约束，提高等离子体密度，在靠近离子束引出系统处能够使电子束的运动发生偏移，并被吸附于吸极上，进而实现引出高亮度负离子束；离子束引出系统采用三电极设计，把引出的电子处理在吸极，可降低电源系统的功率，进而显著缩减制造成本。本发明提供的射频负离子源，与现有热阴极辉光放电双等离子体离子源相比，运行寿命长，维护简单，能够产生更高亮度的负氧离子束，能在较大范围工作气压下长期稳定工作，所产生的离子束能散小。应用于二次离子质谱仪，可产生高亮度高空间分辨率离子束，全面提升仪器的性能与竞争力。
2、本发明的射频天线呈平面螺旋结构，可通冷却水；陶瓷窗采用高强度高导热系数氮化铝陶瓷片，使得放电腔室内的射频功率可达kW量级，同时有效降低等离子体对陶瓷部件轰击效应，实现离子源的高亮度负离子束引出、高稳定性及长运行寿命。
3、本发明引入射频屏蔽罩，能够屏蔽传播到外部空间的射频功率，防止对其他仪器设备造成干扰；同时在射频屏蔽罩预留冷却水通道和电缆通道，保障功率高效馈入及离子源稳定运行。
4、本发明在法兰侧方打孔，实现工作气体馈入及放电室真空监测，使得离子源结构更加紧凑；射频天线连接进、出水管道，在法兰和等离子体电极上形成有用于冷却的环腔，在工作时能够及时带走射频天线、陶瓷窗和放电腔室内的热量，降低射频天线、陶瓷窗、放电腔室、永磁体的损伤风险，延长射频负离子源的运行寿命。
附图说明
图1是本发明的剖面示意图；
1、射频屏蔽罩；2、射频天线；3、陶瓷窗；4、进气管道；5、真空测量管道；6、第一进水口；7、法兰；8、封装磁铁；81、封装体；82、钕铁硼永磁体；10、放电腔室；11、等离子体电极；12、吸极；121、环形体；122、吸极前电极；123、吸极后电极；13、地电极；14、第二进水口；15、第一环腔；16、第二环腔；17、绝缘框架体；18、陶瓷环。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源，包括射频注入组件、离子源源体和离子束引出系统；
离子源源体包括放电腔室10以及设置在放电腔室10外部的封装磁体8，封装磁体8包括沿放电腔室10的轴向分布的等离子体约束部和偏移磁场生成部；等离子体约束部能够产生对放电腔室10内产生的等离子体进行空间约束的磁场，偏移磁场生成部能够产生使得被引出放电腔室10的负电性粒子(负电性粒子包括负离子和电子)中电子的运动发生偏移的磁场。
射频注入组件包括气源供给部和射频注入部，气源供给部向放电腔室10内馈入工作气体，射频注入部安装在离子源源体的前端侧，向放电腔室10内馈入射频，使得馈入放电腔室10内的工作气体离化产生等离子体；
离子束引出系统，安装在离子源源体的后端侧，包括由前向后依次布置的等离子体电极11、吸极12和地电极13；等离子体电极11、吸极12和地电极13上分别对应开设有第一引出孔、第二引出孔和第三引出孔，且第一至第三引出孔呈同轴分布；等离子体电极11用于对等离子体的状态进行调制，以优化负离子的产额；吸极12用于吸附自负电性粒子中偏移出的电子，并初步加速引出的负离子束；地电极13用于加速负离子束至目标能量。
在上述实施例中，优选地，封装磁体8包括固定设置在放电腔室10外部的封装体81，嵌设于封装体81内的钕铁硼永磁体82，分布于等离子体约束部的钕铁硼永磁体82能够产生多极Cusp磁场构型，能够对放电腔室10内产生的等离子体进行空间约束；分布于偏移磁场生成部的钕铁硼永磁体82能够产生横向过滤磁场，能够使被引出放电腔室10的负电性粒子中的电子的运动发生偏移。
在上述实施例中，优选地，封装体81的内壁和放电腔室10的外壁之间形成有第一环腔15，在封装体81上设置与第一环腔15连通的第一进水口和第一出水口，通过第一进水口和第一出水口向第一环腔15内循环通入冷却水，及时降温放电腔室10，保证放电腔室10的稳定运行，延长使用寿命，同时，冷却水可以保护钕铁硼永磁体，防止磁体过热引起退磁。
在上述实施例中，优选地，封装体81采用无磁性的金属材料。
在上述实施例中，优选地，射频注入部包括射频天线2、陶瓷窗3和法兰7，法兰7固定在放电腔室10的前侧端，陶瓷窗3固定在法兰7的中心位置，射频天线2呈平面螺旋结构地压设在陶瓷窗3的外侧面上，气源供给部包括径向设置在法兰7上的进气管道4，进气管道4的出气口贯穿法兰7的内侧壁与放电腔室10连通，进气管道4的进气口位于外部，以方便与外部的工作气体源连接。
在上述实施例中，优选地，在法兰7上设置与放电腔室10连通的真空测量管道5，在真空测量管道5上可设置气体质量流量控制器或精密针阀，以方便调节由射频注入部、放电腔室10以及离子束引出系统围成的密闭箱室内的真空度，在真空测量管道5上设置真空监测装置，以方便直观读取真空度值。
在上述实施例中，优选地，在法兰7内设置第二环腔16，第二环腔16环绕于陶瓷窗3的外部，在法兰7上设置与第二环腔16连通的第二进水口6和第二出水口(图中未示出)，通过第二进水口6和第二出水口向第二环腔16内循环通入冷却水，及时带着陶瓷窗3的热量，降低陶瓷窗损伤风险。
在上述实施例中，优选地，射频天线2的一端连接进水管道，射频天线2的另一端连接出水管道，冷却水通过进水管道不断进入射频天线2内，冷却射频天线2后经出水管道不断排出，避免射频天线2出现过热。
在上述实施例中，优选地，陶瓷窗3采用高强度高导热系数氮化铝陶瓷片。
在上述实施例中，优选地，射频注入部还包括射频屏蔽罩1，罩设在法兰7的外部，防止射频功率传播到外部空间对其他仪器设备造成干扰，射频屏蔽罩1上预留有冷却水通道和电缆通道，冷却水通道与进水管道、出水管道连通，电缆可通过电缆通道与射频天线2连接，这样，既保证屏蔽效果，又方便冷却水的循环、电缆与射频天线2的连接。
在上述实施例中，优选地，等离子体电极11呈U型杯状结构，等离子体电极11的底部位于放电腔室10内，等离子体电极11和放电腔室10之间相互绝缘，等离子体电极11的底部中心开设第一引出孔；吸极12包括环形体121以及间隔平行设置在环形体121底部的吸极前电极122和吸极后电极123，吸极前电极122和吸极后电极123的中心均设置开孔，两开孔构成第二引出孔，吸极12的底部位于等离子体电极11内，吸极12和等离子体电极11之间相互绝缘；地电极13亦呈U型杯状结构，地电极13的底部位于吸极12内，地电极13和吸极12之间相互绝缘，地电极13的底部中心开设第三引出孔，等离子体电极11、吸极12和地电极13通过绝缘框架体17固定在放电腔室10的后端侧。
在上述实施例中，优选地，在等离子体电极11内形成有第三环腔，在等离子体电极11上设置与第三环腔连通的第三进水口14和第三出水口(图中未示出)，通过第三进水口和第三出水口向第三环腔内循环通入冷却水，及时降温等离子体电极11，降低等离子体电极11的损伤风险，延长使用寿命。
在上述实施例中，优选地，地电极13的侧壁开设抽气孔，方便抽气，提高离子束引出系统的真空度。
在上述实施例中，优选地，放电腔室10、等离子体电极11、吸极12和地电极13两两之间均通过陶瓷环18隔开进行绝缘。
本发明的工作流程如下：
相关零部件(射频天线2、法兰7和等离子体电极11)通冷却水；通过气体质量流量控制器或者精密针阀调节放电腔室10的真空度在10-2mbar量级；
通过进气管道4向放电腔室10内馈入工作气体，13.56MHz射频功率通过射频天线2辐射到空间，射频功率穿过陶瓷窗3进入放电腔室10内，对气体进行高效离化产生高密度等离子体，位于等离子体约束部的钕铁硼永磁体82产生多极Cusp磁场构型对高密度等离子体进行空间约束，位于偏移磁场生成部的钕铁硼永磁体82产生横向过滤磁场，使得被引出放电腔室10的负电性粒子中的电子运动发生偏移；在离子束引出系统的等离子体电极11、吸极12和地电极13上均加载一定电压，等离子体电极11对等离子束的状态进行调制，优化负离子的产额，吸极12吸附自负电性粒子中偏移出的电子，并对负离子束进行初步加速，地电极13加速负离子束至目标能量。
本发明还可以产生其他类型正离子束，例如He+、Ar+、Xe+等，用于加速器装置注入及聚焦离子束装置；也可作为电子枪，用于各类电子束装置。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源，其特征在于，包括：
离子源源体，包括放电腔室以及设置在所述放电腔室外部的封装磁体，所述封装磁体包括沿所述放电腔室的轴向分布的等离子体约束部和偏移磁场生成部；所述等离子体约束部能够产生对所述放电腔室内产生的等离子体进行空间约束的磁场，所述偏移磁场生成部能够产生使得被引出所述放电腔室的负电性粒子中电子的运动发生偏移的磁场；
射频注入组件，包括气源供给部和射频注入部，所述气源供给部向所述放电腔室内馈入工作气体，所述射频注入部安装在所述离子源源体的前端侧，向所述放电腔室内馈入射频，使得馈入所述放电腔室内的工作气体离化产生等离子体；
离子束引出系统，安装在所述离子源源体的后端侧，包括由前向后依次布置的等离子体电极、吸极和地电极；所述等离子体电极、吸极和地电极上分别对应开设有第一引出孔、第二引出孔和第三引出孔，且第一至第三引出孔呈同轴分布；所述等离子体电极用于对等离子体的状态进行调制；所述吸极用于吸附自负电性粒子中偏移出的电子，并初步加速引出的负离子束；所述地电极用于加速负离子束至目标能量；
所述射频注入部包括射频天线、陶瓷窗和法兰，所述法兰固定在所述放电腔室的前侧端，所述陶瓷窗固定在所述法兰的中心位置，所述射频天线呈平面螺旋结构地压设在所述陶瓷窗的外侧面上；所述气源供给部包括径向设置在所述法兰上的进气管道，所述进气管道的出气口贯穿所述法兰的内侧壁与所述放电腔室连通，所述进气管道的进气口位于外部；
在所述法兰上设置与所述放电腔室连通的真空测量管道，在所述法兰内设置第二环腔，所述第二环腔环绕于所述陶瓷窗的外部，在所述法兰上设置与所述第二环腔连通的第二进水口和第二出水口；所述射频天线的一端连接进水管道，所述射频天线的另一端连接出水管道；
所述射频注入部还包括射频屏蔽罩，罩设在所述法兰的外部，所述射频屏蔽罩上预留有冷却水通道和电缆通道，所述冷却水通道与所述进水管道、出水管道连通，所述陶瓷窗采用氮化铝陶瓷片。
2.如权利要求1所述的一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源，其特征在于，所述封装磁体包括固定设置在所述放电腔室外部的封装体，嵌设于所述封装体内的钕铁硼永磁体，分布于所述等离子体约束部的钕铁硼永磁体能够产生多极Cusp磁场构型，能够对所述放电腔室内产生的等离子体进行空间约束；分布于所述偏移磁场生成部的钕铁硼永磁体能够产生横向过滤磁场，能够使被引出所述放电腔室的负电性粒子中电子的运动发生偏移。
3.如权利要求1所述的一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源，其特征在于：所述等离子体电极呈U型杯状结构，所述等离子体电极的底部位于所述放电腔室内，所述等离子体电极和放电腔室之间相互绝缘，所述等离子体电极的底部中心开设第一引出孔；所述吸极包括环形体以及间隔平行设置在所述环形体底部的吸极前电极和吸极后电极，所述吸极前电极和吸极后电极的中心均设置开孔，两所述开孔共同构成所述第二引出孔，所述吸极的底部位于所述等离子体电极内，所述吸极和等离子体电极之间相互绝缘，所述地电极呈U型杯状结构，所述地电极的底部位于所述吸极内，所述地电极和吸极之间相互绝缘，所述地电极的底部中心开设第三引出孔；所述等离子体电极、吸极和地电极共同通过绝缘框架体固定在所述放电腔室的后端侧。
4.如权利要求3所述的一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源，其特征在于：在所述等离子体电极内形成有第三环腔，在所述等离子体电极上设置与所述第三环腔连通的第三进水口和第三出水口。
5.如权利要求3所述的一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源，其特征在于：所述放电腔室、等离子体电极、吸极和地电极两两之间均通过陶瓷环隔开进行绝缘。
6.如权利要求3所述的一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源，其特征在于：所述地电极的侧壁开设抽气孔。
7.如权利要求2所述的一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源，其特征在于：所述封装体采用无磁性的金属材料。
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