CN112863979B - 一种微纳尺度离子束外束引出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微纳尺度离子束外束引出装置与离子源连接，本发明微纳尺度离子束外束引出装置包括第一腔室、气阻、第二腔室、四维移动平台及毛细管；第一腔室分别与离子源及气阻连接，气阻与第二腔室连接，根据第一腔室与第二腔室的气压差，使离子源产生的离子束传输至第二腔室，第二腔室与四维移动平台连接，四维移动平台与毛细管连接，四维移动平台控制毛细管在与离子束方向垂直的平面上移动，以及调节毛细管的倾斜角和俯仰角，使第二腔室的离子束进入毛细管，毛细管将离子束引出至大气，从而得到束斑尺寸微米量级甚至纳米量级的高品质离子外束。

Description

一种微纳尺度离子束外束引出装置
技术领域
本发明涉及离子束外束领域，特别是涉及一种微纳尺度离子束外束引出装置。
背景技术
微纳尺度离子外束是一种被广泛应用的分析工具，由于离子探针具有高空间分辨率和兆电子伏能量范围，通过离子束分析(IBA)技术，微外束可应用于许多领域，例如材料、地球科学、文物考古、和环境学等，将微米或纳米尺寸外束引出至大气中还可以开展广泛的生物医学实验和应用。
传统出射窗膜得到的离子外束有以下缺点：(1)束流尺寸过大，不利于应用于精细结构分析和生物细胞实验。(2)离子束通过出射窗膜时会有严重的能量耗散和很大的角发散，无法引出中低能离子束(keV量级)，影响束流品质。比如目前的使用Kapton、Si3N4或者Mylar出射窗膜引出离子束的方法，由于离子束在通过出射窗口膜时与窗膜材料相互作用，导致离子束发生较严重的能量发散和角发散，不利于离子束品质的控制，而外束在物理、化学、材料以及生物医学等领域的应用对束流的品质有较高的要求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种微纳尺度离子束外束引出装置，得到束斑尺寸微米量级甚至纳米量级的高品质离子外束。
为达上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种微纳尺度离子束外束引出装置与离子源连接，所述微纳尺度离子束外束引出装置包括第一腔室、气阻、第二腔室、四维移动平台及毛细管；
所述第一腔室分别与所述离子源及所述气阻连接，所述气阻与所述第二腔室连接；所述第一腔室与所述第二腔室之间存在气压差，使所述离子源产生的离子束传输至所述第二腔室；
所述第二腔室与所述四维移动平台连接；
所述四维移动平台与所述毛细管连接，所述四维移动平台用于控制所述毛细管在与所述离子束方向垂直的平面上移动，以及调节所述毛细管的倾斜角和俯仰角，使所述离子束进入所述毛细管；
所述毛细管用于引出所述离子束至大气。
可选地，所述毛细管的横截面直径逐渐减小，且所述毛细管与所述四维移动平台连接的一端的横截面直径大于所述毛细管远离所述四维移动平台的另一端的横截面直径。
可选地，所述毛细管与所述四维移动平台连接的一端的横截面直径为1.5毫米，所述毛细管远离所述四维移动平台的另一端的横截面直径为2微米，所述毛细管的长为5厘米。
可选地，所述毛细管为锥形毛细管。
可选地，所述毛细管为柱形毛细管。
可选地，所述气阻的长为20毫米，所述气阻的直径为2毫米。
可选地，所述第二腔室与所述四维移动平台之间通过真空波纹管连接。
可选地，所述第一腔室与所述第二腔室之间的气压差为两个量级。
可选地，所述第一腔室的气压为10-4Pa，所述第二腔室的气压为10-2Pa。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明微纳尺度离子束外束引出装置通过第一腔室、气阻及第二腔室连接，根据第一腔室与第二腔室之间的气压差，使离子源产生的离子束传输至第二腔室，第二腔室与四维移动平台连接，通过四维移动平台调节毛细管的位置，使离子束进入到毛细管，毛细管再引出离子束至大气，从而得到微米量级甚至纳米量级的高品质外束。
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来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明微纳尺度离子束外束引出装置的结构示意图；
图2为本发明微纳尺度离子束外束引出装置的毛细管内的离子束轨迹图。
符号说明：
1—第一腔室，2—第二腔室，3—四维移动平台，4—毛细管，5—气阻，6—真空波纹管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明微纳尺度离子束外束引出装置通过第一腔室、气阻及第二腔室连接，根据第一腔室与第二腔室之间的气压差，使离子源产生的离子束传输至第二腔室，第二腔室与四维移动平台连接，四维移动平台与毛细管连接，通过四维移动平台调节毛细管的位置，使离子束进入到毛细管，毛细管再引出离子束至大气，从而引出微米尺寸的高品质外束，离子束能量可以低至百keV量级。
为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明微纳尺度离子束外束引出装置与离子源连接，本发明微纳尺度离子束外束引出装置包括第一腔室1、气阻5、第二腔室2、四维移动平台3及毛细管4；所述第一腔室1分别与所述离子源及所述气阻5连接，所述气阻5与所述第二腔室2连接；所述第一腔室1与所述第二腔室2之间存在气压差，使所述离子源产生的离子束传输至所述第二腔室2。
优选地，所述第一腔室与所述第二腔室之间的气压差为两个量级，进一步地，所述第一腔室的气压为10-4Pa，所述第二腔室的气压为10-2Pa。在本发明具体实施例中，所述第一腔室1与所述第二腔室2均为不锈钢真空腔室。
所述第二腔室2与所述四维移动平台3连接；所述四维移动平台3与所述毛细管4连接，所述四维移动平台3用于控制所述毛细管4在与所述离子束方向垂直的平面上移动，以及调节所述毛细管4的倾斜角和俯仰角，使所述离子束进入所述毛细管4。在本发明具体实施例中，所述第二腔室2与所述四维移动平台3之间法兰连接。所述毛细管4用于引出所述离子束至大气。
优选地，所述毛细管4的横截面直径逐渐减小，且所述毛细管4与所述四维移动平台3连接的一端的横截面直径大于所述毛细管4远离所述四维移动平台3的另一端的横截面直径。
在本发明具体实施例中，所述毛细管4与所述四维移动平台3连接的一端的横截面直径为1.5毫米，所述毛细管4远离所述四维移动平台3的另一端的横截面直径为2微米，所述毛细管4的长为5厘米。进一步地，所述毛细管4为锥形毛细管。更进一步地，毛细管4为柱形毛细管，所述毛细管4还可以为开有微纳毛细孔的膜以及柱形毛细管与锥形毛细管的组合。
进一步地，所述气阻5设置在所述第一腔室1与所述第二腔室2之间。在本发明具体实施例中，所述气阻5的长为20毫米，所述气阻5的直径为2毫米，所述气阻5使所述第一腔室1与所述第二腔室2之间的气压差达到两个量级。
优选地，所述第二腔室2与所述四维移动平台3之间通过真空波纹管6连接。
本发明微纳尺度离子束外束引出装置工作步骤如下：
步骤1：对第一腔室1及第二腔室2同时抽气，气压经过毛细管4迅速降到10-2Pa，即第二腔室2的真空度，再通过气阻5降到10-4Pa，即第一腔室1的真空度。
步骤2：通过四维移动平台3调节毛细管4的位置，具体为调节毛细管4在垂直离子束方向的平面上的XY方向的平移，以及毛细管的倾斜角和俯仰角，使从第一腔室1进入的离子束经过第二腔室2，进入到毛细管。
如图2所示，由于离子束与毛细管4作用导致毛细管4的自充电效应,离子束沉积到毛细管4的内壁，给毛细管4充电，使得毛细管4内壁带正电荷，之后传输进来的离子束与毛细管4内壁的正电荷产生库伦排斥力，使得离子束聚焦再出射到空气时具有有较小的发散度和较强的流强。在本发明具体实施中，毛细管为石英毛细管。
相对于现有技术，本发明还具有以下优点：
(1)在维持强室内外压差的基础上不使用电磁透镜，只通过毛细管的形状来对束流进行整形和聚焦，并得到束斑尺寸只有微米甚至纳米大小的离子束，离子束能量可以低至百keV量级。
(2)使用四维移动台让束流更好的进入毛细管，增加了束流的使用效率。
(3)采用两个腔室加中间一个气阻的二级差分真空系统，能维持腔室前端气压足够低，出射的离子束流拥有足够高的流强。
本发明微纳尺度离子束外束引出装置通过使用锥形毛细管替代出射窗膜引出微米尺寸的高品质外束，利用锥形毛细管对离子束的导向作用，在不使用电磁透镜的情况下就能简单有效的将高品质的离子束流引导到大气中进行相关实验和应用。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种微纳尺度离子束外束引出装置，与离子源连接，其特征在于，所述微纳尺度离子束外束引出装置包括第一腔室、气阻、第二腔室、四维移动平台及毛细管；微纳尺度离子束包括微米尺度离子束和纳米尺度离子束；
所述第一腔室分别与所述离子源及所述气阻连接，所述气阻与所述第二腔室连接；所述第一腔室与所述第二腔室之间存在气压差，使所述离子源产生的离子束传输至所述第二腔室；
所述第二腔室与所述四维移动平台连接；
所述四维移动平台与所述毛细管连接，所述四维移动平台用于控制所述毛细管在与所述离子束方向垂直的平面上移动，以及调节所述毛细管的倾斜角和俯仰角，使所述离子束进入所述毛细管，所述离子束沉积到所述毛细管的内壁，给所述毛细管充电，使得所述毛细管的内壁带正电荷，之后传输进来的离子束与毛细管内壁的正电荷产生库伦排斥力，使得所述离子束聚焦再出射到空气；
所述毛细管用于引出所述离子束至大气。
2.根据权利要求1所述的微纳尺度离子束外束引出装置，其特征在于，所述毛细管的横截面直径逐渐减小，且所述毛细管与所述四维移动平台连接的一端的横截面直径大于所述毛细管远离所述四维移动平台的另一端的横截面直径。
3.根据权利要求2所述的微纳尺度离子束外束引出装置，其特征在于，所述毛细管与所述四维移动平台连接的一端的横截面直径为1.5毫米，所述毛细管远离所述四维移动平台的另一端的横截面直径为2微米，所述毛细管的长为5厘米。
4.根据权利要求1所述的微纳尺度离子束外束引出装置，其特征在于，所述毛细管为锥形毛细管。
5.根据权利要求1所述的微纳尺度离子束外束引出装置，其特征在于，所述毛细管为柱形毛细管。
6.根据权利要求1所述的微纳尺度离子束外束引出装置，其特征在于，所述气阻的长为20毫米，所述气阻的直径为2毫米。
7.根据权利要求1所述的微纳尺度离子束外束引出装置，其特征在于，所述第二腔室与所述四维移动平台之间通过真空波纹管连接。
8.根据权利要求1所述的微纳尺度离子束外束引出装置，其特征在于，所述第一腔室与所述第二腔室之间的气压差为两个量级。
9.根据权利要求8所述的微纳尺度离子束外束引出装置，其特征在于，所述第一腔室的气压为10-4Pa，所述第二腔室的气压为10-2Pa。
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