CN112928002B - 一种基于网状阳极结构的小型化真空弧离子源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于网状阳极结构的小型化真空弧离子源，包含阴极、绝缘层、阳极、扩张杯和引出栅网，阴极和阳极或者阴极与触发单极之间通过绝缘层表面的高压闪络的方式产生阴极斑和初始等离子体，所述初始等离子体扩散实现阴阳极导通，产生高密度等离子体，在高密度梯度的作用下，所述高密度等离子体通过所述阳极孔和网状结构扩散到扩张杯中。本发明通过一个具有网状结构和阳极孔的阳极增大阴阳极之间的主弧放电效率，增大等离子体的扩散效率，进而提高离子的引出比例，同时本发明采用和阴极材料相同的金属或者合金材料，有效的降低了引出束流中杂质离子的比例，本发明结构简单紧凑，离子束流光学设计简单，加工成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种离子引出技术领域，具体涉及了一种增强离子引出效率的阳极结构及基于该阳极结构的小型化真空弧离子源。
背景技术
离子源是产生离子束的装置，是离子注入机和离子加速器等的重要源头。真空弧离子源属于真空型离子源，由于其具有结构紧凑、工作压强低、束流流强高和可以随时工作等其他类型离子源无法比拟的优点。
小型化真空弧离子源可以在真空环境下产生爆发式的强流阴极材料离子，在石油测井和地质勘探等方面具有广泛的应用。小型化真空弧离子源一般包括阴极、绝缘层、阳极、扩张杯和引出栅网。其原理是阴阳极之间通过高压闪络的方式在阴极表面产生阴极斑，阴极斑向外发射阴极材料粒子产生初始等离子体，初始等离子体通过扩散的方式实现阴阳极之间的主弧放电产生高密度等离子体，高密度等离子体在密度梯度的作用下通过阳极孔扩散到扩张杯中。一般为了提高离子源引出束流的均匀性和稳定性，一般离子源的等离子体电极为栅网结构，栅网垂直于离子束流的引出方向，且栅网上设置有供离子束流通过的引出孔。
小型化真空弧离子源结构更为紧凑，为了更好的实现阴阳极之间的主弧放电，离子源对具体结构有一系列的要求，如阳极开孔需小于绝缘层的开孔、阳极材料和阴极材料相同等。而金属阴极在真空下放电产生的高密度等离子体只有一部分从阳极孔扩散到扩张杯，大量的等离子体会直接轰击在阳极表面而导致损失。对于小型化真空弧离子源来说，大量离子都损失在了阳极上，会使得离子源引出束流效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有增强离子引出效率的阳极结构设计，实现在不增加主弧放电电流且不增大离子源体积的情况下提高引出离子束效率，本发明还提供了一种基于该阳极结构的小型化真空弧离子源。
针对上述问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于阳极结构的小型化真空弧离子源，其特征在于，包含阴极(1)、绝缘层(2)、阳极(3)、扩张杯(4)和引出栅网(5)，
所述绝缘层位于阴极(1)与阳极(3)之间，所述扩张杯(4)一端连接阳极(3)，另一端连接引出栅网(5)，所述绝缘层(2)和阳极(3)均设有中心孔，其中阳极(3)的中心孔为阳极孔(33)，阳极孔(33)的内径小于绝缘层(2)的中心孔，阳极(3)具有网状结构(32)。
所述的阴极(1)和所述的阳极(3)之间通过绝缘层(2)表面的高压闪络的方式产生阴极斑和初始等离子体，所述初始等离子体扩散实现阴阳极导通，产生高密度等离子体，在高密度梯度的作用下，所述高密度等离子体通过所述阳极孔(33)和网状结构(32)扩散到扩张杯(4)中。
作为优选，所述阳极(3)由阳极本体(31)、网状结构(32)和阳极孔(33)构成。
作为优选，所述阳极(3)所在平面垂直于离子体束流的引出方向，所述阳极(3)具有增强离子引出效率。
作为优选，所述阳极孔(33)的中心轴线与阴极(1)所在平面垂直，阳极(3)伸出绝缘层(2)中心孔的部分为网状结构(32)。
作为优选，所述阳极(3)的厚度为3mm-15mm。
作为优选，所述阳极(3)材料和所述的阴极(1)材料相同，为不锈钢、无氧铜或钛，有利于进一步提高真空弧离子源引出束流的纯度，降低引出束流中因不同阳极材料带来的杂质离子。
作为优选，所述中心孔的截面为圆形，阳极孔(33)的截面有效直径为1mm-15mm。
作为优选，所述的网状结构(32)具有透明度，可实现等离子体的穿透，进一步提高阴阳极之间的主弧放电效率。
在小型化真空弧离子源中，阴阳极之间的主弧放电，使得阴极材料原子与电子发生强烈的相互作用并被电离，在高等离子体密度梯度的作用，阴极材料离子通过阳极孔向扩张杯区域扩散；由于本发明所涉及到的小型化真空弧离子源的阳极孔径小于绝缘层的孔径，可以有效的提高阴阳极之间的主弧放电效率，但是阴极材料离子在扩散过程中必然会轰击在阳极表面，从而造成大量的阴极材料离子损失，进而造成束流引出效率的降低。本发明的发明人正是发现了真空弧离子源阴阳极放电产生的等离子体扩散过程具有上述的特征，特别设计了本方案中的阳极，将阳极伸出绝缘层的部分设置为网状结构。这样，阴阳极之间的主弧放电产生的高密度等离子体在密度梯度的作用下，通过阳极的引出孔和伸出的网状结构扩散到离子源的扩张杯中，从而尽可能的降低粒子扩散过程中打在阳极上的概率。从而，本发明所涉及到的阳极结构对于增强离子引出效率具有积极的作用。
本发明还提供一种基于网状阳极结构的真空弧离子源结构，其特征在于，包括阴极(I)、阳极(II)、触发极(III)、阳极支撑(V)、阴极支撑(VII)、绝缘层(IV)和绝缘支撑(VI)，绝缘层(IV)为1-3mm，设置在阴极(I)和触发极(III)之间，且绝缘层(IV)、阴极(I)和触发极(III)中轴线与离子束流引出方向重合；
阴极(I)和触发极(III)之间通过绝缘层(IV)表面的高压闪络的方式产生阴极斑和初始等离子体，初始等离子体扩散实现阴阳极导通，产生高密度等离子体，在高密度等离子体的密度梯度作用下，高密度等离子体通过网状结构的阳极(II)扩散到三电极真空弧离子源的引出系统。
作为优选，所述阳极(II)具有增强离子引出效率，其阳极孔的中轴线与束流引出方向一致；阳极孔的截面呈圆形，阳极孔的截面的直径为1mm-55mm，阳极(II)的厚度L为3mm-25mm。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通过一个具有网状结构和阳极孔的阳极增大阴阳极之间的主弧放电效率，增大等离子体的扩散效率，进而提高离子的引出比例，同时本发明采用和阴极材料相同的金属或者合金材料，有效的降低了引出束流中杂质离子的比例，本发明结构简单紧凑，离子束流光学设计简单，加工成本低。
附图说明
此处说明的附图用来提供对本发明实例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成本发明实施例的限定。在本附图中：
图1为本发明的阳极的截面图；
图2为本发明的实施例1中建立的小型化两电极真空弧离子源的几何模型；
图3为本发明的实施例2中建立的三电极真空弧离子源几何模型。
具体实施方式
为了解决现有技术中的提高引出离子束束流流强或者需要增大主弧放电电压，本发明提出了将小型化真空弧离子源阳极3突出部分设置为网状结构来增强离子的引出效率的技术方案，在不增加离子束流光学设计难度的基础上实现尽可能多的阴极材料离子引出。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意图实施方案及其说明仅用于本发明解释，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1、图2所示，
一种小型化真空弧离子源，包含阴极1、绝缘层2、阳极3、扩张杯4和引出栅网5，绝缘层2位于阴极1与阳极3之间，扩张杯4一端连接阳极3，另一端连接引出栅网5，绝缘层2和阳极3均设有中心孔，其中阳极3的中心孔为阳极孔33，阳极孔33的内径小于绝缘层2的中心孔，阳极3由阳极本体31、网状结构32和阳极孔33构成，
阴极1和阳极3之间通过绝缘层2表面的高压闪络的方式产生阴极斑和初始等离子体，初始等离子体扩散实现阴阳极导通，产生高密度等离子体，在高密度梯度的作用下，高密度等离子体通过所述阳极孔33和网状结构32扩散到扩张杯4中。
本发明的具有增强离子引出效率的阳极3，其阳极孔33的中轴线与束流引出方向一致；阳极孔33的截面呈圆形，阳极孔33的截面的直径为1mm-15mm，阳极3的厚度L为3mm-15mm；
在小型化真空弧离子源中，离子源在静真空环境下由于真空弧放电产生的目标离子束，由于小型化真空弧离子源的结构问题，大量的离子轰击在阳极3上而损失掉。本实施例中的阳极3，将阳极孔33附近区域设置成网状结构。这样，因为等离子体中的带电粒子具有较大的动能，网状结构的阳极3可以使得大部分的阴极材料离子穿透过阳极3，从而，阳极3对于引出离子具有很好的增强型，能有效的提高离子束的引出效率。
采用本实施例中的阳极结构增强离子引出效率时，可以直接将现有的真空弧离子源阳极替换成本实施例中的阳极3即可，因此无需增加额外的部件来约束等离子体，也不用增加其他物理结构改变等离子体的扩散，具有结构简单的优点，同时束流光学设计简单、成本低。
实施例2
如图3所示。
在实施例1的基础上，本身实施例中对阳极进行进一步改进和应用。阳极3除阳极孔之外均为网状结构。
本实施例中还提供了一种真空弧离子源结构，如图3所示，真空弧离子源包括阴极I、阳极II、触发极III、阳极支撑V、阴极支撑VII、绝缘层IV和绝缘支撑VI，绝缘层为1-3mm，设置在阴极I和触发极III之间，且绝缘层IV、阴极I和触发极III中轴线与离子束流引出方向重合。
阴极I和触发极III之间通过绝缘层IV表面的高压闪络的方式产生阴极斑和初始等离子体，初始等离子体扩散实现阴阳极导通，产生高密度等离子体，在高密度等离子体的密度梯度作用下，高密度等离子体通过所述的网状结构阳极II扩散到三电极真空弧离子源的引出系统。
本发明的具有增强离子引出效率的阳极II，其阳极孔的中轴线与束流引出方向一致；阳极孔的截面呈圆形，阳极孔的截面的直径为1mm-55mm，阳极II的厚度L为3mm-25mm；
该真空弧离子源中的阳极II即具有离子引出效率的网状结构阳极。本实施例中的真空弧离子源的其他必要结构以及各部件之间的连接方式同现有技术，本实施例将不再赘述。采用本实施例中的阳极结构增强离子引出效率时，可以直接将现有的三电极真空弧离子源阳极替换成本实施例中的阳极即可，因此无需增加额外的部件来约束等离子体和被动散热，也不用增加其他物理结构改变等离子体的扩散，具有结构简单的优点，同时束流光学设计简单、成本低。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种基于网状阳极结构的小型化真空弧离子源，其特征在于，包含阴极（1）、绝缘层（2）、阳极（3）、扩张杯（4）和引出栅网（5），
所述绝缘层位于阴极（1）与阳极（3）之间，所述扩张杯（4）一端连接阳极（3），另一端连接引出栅网（5），所述绝缘层（2）和阳极（3）均设有中心孔，其中阳极（3）的中心孔为阳极孔（33），阳极孔（33）的内径小于绝缘层（2）的中心孔，阳极（3）具有网状结构（32）；
所述的阴极（1）和所述的阳极（3）之间通过绝缘层（2）表面的高压闪络的方式产生阴极斑和初始等离子体，所述初始等离子体扩散实现阴阳极导通，产生高密度等离子体，在高密度梯度的作用下，所述高密度等离子体通过所述阳极孔（33）和网状结构（32）扩散到扩张杯（4）中；
所述阳极（3）由阳极本体（31）、网状结构（32）和阳极孔（33）构成；
所述阳极（3）所在平面垂直于离子体束流的引出方向，所述阳极（3）具有增强离子引出效率；
所述阳极孔（33）的中心轴线与阴极（1）所在平面垂直，阳极（3）伸出绝缘层（2）中心孔的部分为网状结构（32）。
2.根据权利要求1所述及的基于网状阳极结构的小型化真空弧离子源，其特征在于，所述阳极（3）的厚度为3mm-15mm。
3.根据权利要求1所述及的基于网状阳极结构的小型化真空弧离子源，其特征在于，所述阳极（3）材料和所述的阴极（1）材料相同，为不锈钢、无氧铜或钛。
4.根据权利要求1所述及的基于网状阳极结构的小型化真空弧离子源，其特征在于，所述中心孔的截面为圆形，阳极孔（33）的截面有效直径为1mm-15mm。
5.根据权利要求1所述及的基于网状阳极结构的小型化真空弧离子源，其特征在于，所述的网状结构（32）具有透明度，可实现等离子体的穿透，进一步提高阴阳极之间的主弧放电效率。
6.一种基于网状阳极结构的真空弧离子源结构，其特征在于，包括阴极（I）、阳极（II）、触发极（III）、阳极支撑（V）、阴极支撑（VII）、绝缘层（IV）和绝缘支撑（VI），绝缘层（IV）为1-3mm，设置在阴极（I）和触发极（III）之间，且绝缘层（IV）、阴极（I）和触发极（III）中轴线与离子束流引出方向重合；
阴极（I）和触发极（III）之间通过绝缘层（IV）表面的高压闪络的方式产生阴极斑和初始等离子体，初始等离子体扩散实现阴阳极导通，产生高密度等离子体，在高密度等离子体的密度梯度作用下，高密度等离子体通过网状结构的阳极（II）扩散到三电极真空弧离子源的引出系统；
所述阳极除阳极孔之外均为网状结构；
所述绝缘层和阳极均设有中心孔，其中阳极的中心孔为阳极孔，阳极孔的内径小于绝缘层的中心孔；
所述阳极所在平面垂直于离子体束流的引出方向，所述阳极具有增强离子引出效率；
所述阳极孔的中心轴线与阴极所在平面垂直，阳极伸出绝缘层中心孔的部分为网状结构。
7.根据权利要求6所述及的基于网状阳极结构的真空弧离子源结构，其特征在于，所述阳极（II）具有增强离子引出效率，其阳极孔的中轴线与束流引出方向一致；阳极孔的截面呈圆形，阳极孔的截面的直径为1mm-55mm，阳极（II）的厚度L为3mm-25mm。
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| GR01 | Patent grant | ||
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