CN115665962A - 引出带状离子束的离子源 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种引出带状离子束的离子源，包括长方体结构的弧腔以及设于弧腔外部的磁场结构；弧腔的第一侧面上设有微波窗和进气口，微波窗用于向弧腔内导入微波能量，进气口用于向弧腔内部通入气体；弧腔的第二侧面上设有引出带状束离子的引出极，用于从弧腔内引出带状离子束；其中第二侧面是与第一侧面相对的侧面；磁场结构沿着弧腔长度方向设置，用于在弧腔内产生设定磁场强度且沿着弧腔长度方向平行延伸的共振面；气体进入弧腔后，在磁场结构产生的强磁场和微波窗导入的微波能量作用下达到电子回旋共振状态产生等离子体，并将离子从引出极引出；该技术方案，引出大宽度的带状离子束，解决了当前离子源的状离子束流宽度受限问题。

Description

引出带状离子束的离子源

技术领域

本申请涉及离子源技术领域，尤其是涉及一种引出带状离子束的离子源。

背景技术

离子源是工业上重要设备，在核技术领域，产生带状离子束的离子源在离子注入机和电磁分离领域有着大量的应用，带状离子束是指离子束束流的横截面是带状的、矩形的，不同于一般的圆形束流，矩形的带状离子束流可以降低其空间电荷效应，引出更大流强，从而生产有更高的效率。

目前，常用的带状离子束的离子源有伯纳斯源、弗恩曼源、双等源等。这些离子源主要是弧放电类型的离子源，利用灯丝（即阴极）灯丝加热产生热电子，容易导致灯丝被溅射污染，而且灯丝也容易短裂，有寿命问题，通常在50小时左右，虽然采用间热阴极的方案可以延长离子源寿命，但由于其本质上还是弧放电产生的等离子体，离子的温度高，束流的发射度较大。因此无法克服上述缺陷，另外，上述类型离子源的磁场是磁镜场产生的，为了追求更宽的束流，只能增加两个磁极之间的距离，由此就会产生磁场大小不均匀情况，进而导致等离子体密度不均匀，从而使得束流不均匀，所以离子源引出缝的宽度有限，通常难以做到200mm，目前有一种日本的日清公司的离子注入机，采用多灯丝方案，能使束流宽度达到1500mm，但多灯丝结构复杂，将束流通过束流光学系统加宽的方式拓宽，束流会增加各种像差，导致束流品质差，难以满足均匀的离子注入要求。

由于工业生产中，对于带状离子束的宽度需求增强，比如更大尺寸的光伏电池板和新一代显示屏，需要更宽尺寸的带状离子束，据此，有必要提供新结构的离子源，产生更宽的带状离子束来满足未来离子注入机的需求，解决当前离子源的状离子束流宽度受限的问题。

发明内容

本申请的目的旨在解决上述的技术缺陷之一，提供一种引出带状离子束的离子源，以解决离子源的状离子束流宽度受限的问题。

一种引出带状离子束的离子源，包括：长方体结构的弧腔以及设于弧腔外部的磁场结构；

所述弧腔的第一侧面上设有微波窗和进气口，所述微波窗用于向弧腔内导入微波能量，所述进气口用于向弧腔内部通入气体；

所述弧腔的第二侧面上设有引出带状束离子的引出极，用于从弧腔内引出带状离子束；其中，所述第二侧面是与第一侧面相对的侧面；

所述磁场结构沿着弧腔长度方向设置，用于在弧腔内产生设定磁场强度且沿着弧腔长度方向平行延伸的共振面；

所述气体进入弧腔后，在所述磁场结构产生的强磁场和微波窗导入的微波能量作用下达到电子回旋共振状态产生等离子体，并将离子从引出极引出。

在一个实施例中，所述磁场结构包括在弧腔的第三侧面和第四侧面上对称设计的第一磁场单元和第二磁场单元；其中，所述第一磁场单元和第二磁场单元分别在弧腔内形成对称的共振面。

在一个实施例中，所述第一磁场单元包括平行设计的两根第一大磁铁以及设于两根第一大磁铁之间的第一小磁铁；其中，所述第一大磁铁与第一小磁铁平行；

所述第二磁场单元包括平行设计的两根第二大磁铁以及设于两根第二大磁铁之间的第二小磁铁；其中，所述第二大磁铁与第二小磁铁平行。

在一个实施例中，所述弧腔的第一侧面上间隔设置多组微波窗和进气口；

其中，每组微波窗和进气口分别向弧腔内导入设定强度的微波能量和通入设定流量气体。

在一个实施例中，在所述弧腔内部每组微波窗和进气口对应空间通过微波隔板分隔成多个腔室；

其中，每组微波窗和进气口分别向对应的腔室内导入设定强度的微波能量和通入设定流量气体。

在一个实施例中，磁场结构包括在弧腔的第三侧面和第四侧面上对称设计的第三磁场单元和第四磁场单元，以及在弧腔的第一侧面上的第五磁场单元；

其中，所述第三磁场单元和第四磁场单元共同与第五磁场单元在弧腔内形成共振面。

在一个实施例中，所述第五磁场单元包括分别设置在微波窗两侧的A磁铁和B磁铁；其中，所述A磁铁和B磁铁以微波窗为中心对称设计，并且分别沿着弧腔长度方向平行延伸分布。

在一个实施例中，所述弧腔的第一侧面上间隔设置多组微波窗和进气口；

所述第五磁场单元包括分别设置在微波窗两侧，且与微波窗间隔设计的多个C磁铁，所述C磁铁沿着弧腔长度方向平行延伸分布。

在一个实施例中，所述引出极包括设于第二侧面上的网状结构；其中，所述网状结构上设计有分布式的网孔，从每个网孔引出离子形成带状离子束。

在一个实施例中，所述引出极包括设于第二侧面上且沿着弧腔长度方向平行间隔分布的多条引出缝；其中，每条引出缝分别引出离子形成带状离子束。

在一个实施例中，所述磁场结构包括：永磁体，螺线管线圈，或者永磁体和螺线管线圈组合体；

其中，所述永磁体在弧腔产生固定磁环结构的磁场，所述螺线管线圈在弧腔产生大小可调的磁场。

上述引出带状离子束的离子源，设计了长方体结构的弧腔以及磁场结构，在弧腔的一侧面上设置微波窗和进气口，并在相对侧面上设置带状引出极，通过磁场结构在弧腔内产生设定磁场强度且沿着弧腔长度方向平行延伸的共振面，在强磁场和微波能量作用下达到电子回旋共振状态产生等离子体，通过引出极从弧腔内引出带状离子束；该技术方案，采用了长方体基本结构，并基于电子回旋共振产生等离子体，并在更大的侧面长宽度上引出大宽度的带状离子束，解决了当前离子源的状离子束流宽度受限，可以满足未来离子注入机对于带状离子束更大的宽度需求。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是一个实施例的引出带状离子束的离子源结构示意图；

图2是一个示例的磁场结构示意图；

图3是一个示例的磁场共振面示意图；

图4是一个示例的微波窗和进气口结构示意图；

图5是一个示例的多组微波窗和进气口分布示意图；

图6是一个实施例的弧腔分隔示意图；

图7是一个实施例的微波隔板安装示意图；

图8是另一个示例的磁场结构示意图；

图9是另一个示例的磁场共振面示意图；

图10是另一个示例的多组微波窗分布示意图；

图11是一个示例的引出极结构示意图；

图12是另一个示例的引出极结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请的技术方案，是针对于离子注入机对于带状离子束更大的宽度需求而设计的新型离子源，通过离子源结构上的改进，将弧腔、磁场结构和引出极的形状设计为长条形，在弧腔内部形成设定磁场强度且均匀分布的共振面，使得弧腔内放电产生密度均匀等离子体，从而引出大宽度的带状离子束；本申请采用了电子回旋共振（ECR）产生等离子体，电子回旋共振是一种成熟放电激发等离子体技术，在本申请中对于其产生机理将不做过多赘述。

参考图1所示，图1是一个实施例的引出带状离子束的离子源结构示意图，该离子源包括：长方体结构的弧腔10以及设于弧腔10外部的磁场结构20。

对于弧腔10，其可以为不锈钢、铝、石墨等材料制作而成，一般情况下，弧腔10内可以使得2.45ghz微波谐振，即弧腔10作为谐振腔。

所述弧腔10的第一侧面101上设有微波窗11和进气口12，所述微波窗11用于向弧腔10内导入微波能量，所述进气口12用于向弧腔10内部通入气体。

对于微波窗11，其作用是通过微波馈入口导入微波能量，可以利用波导的方式进行导入，微波窗11需要隔绝真空，微波匹配可以采用三螺钉调谐器，微波过渡可以采用脊波导或介质波导；当然，微波馈入也可以采用同轴天线的方式，相应的需要配置相应的有天线馈头；由于微波源可以采用常规技术设计，在此不再展开描述。

所述弧腔10的第二侧面102上设有引出带状束离子的引出极13，用于从弧腔10内引出带状离子束，其中第二侧面102是与第一侧面101相对的侧面；对于引出极13，其外部引出系统（一般由绝缘陶瓷、电极与相应的电源组成）可以采用三电极系统或四电极、五电极系统，弧腔10本体接电源的正电压，其结构可以采用常规技术实现，在此不再赘述。

所述磁场结构20沿着弧腔10长度方向设置，用于在弧腔10内产生设定磁场强度且沿着弧腔10长度方向平行延伸的共振面30；对于磁场结构20，其磁场可以通过永磁体或者电磁铁产生，或者是由两者组合体产生；一般情况下，磁场结构20可以在弧腔10内部形成875高斯的均匀分布的共振面30，使得放电时可以产生密度均匀等离子体。

所述气体进入弧腔10后，在所述磁场结构20产生的强磁场和微波窗11导入的微波能量作用下达到电子回旋共振状态产生等离子体，并将离子从引出极13引出。

如上述实施例的离子源，设计了长方体结构的弧腔10以及长条形的磁场结构20和长条带状的引出极13，基于电子回旋共振原理在弧腔10内产生等离子体并引出带状离子束；实现了引出大宽度的带状离子束的目的，解决了当前离子源的状离子束流宽度受限，可以满足未来离子注入机对于带状离子束更大的宽度需求，可以实现超过300mm宽度的带状离子束流输出。

为了更加清晰本申请的技术方案，下面结合附图和实施例进行详细阐述。

在一个实施例中，参考图2所示，图2是一个示例的磁场结构示意图，如图示，离子源的磁场结构20包括在弧腔10的第三侧面103和第四侧面104上对称设计的第一磁场单元21和第二磁场单元22；其中第一磁场单元21和第二磁场单元22分别在弧腔10内形成对称的共振面30。

对于第一磁场单元21和第一磁场单元21，其为对称设计，如图2所示，第一磁场单元21包括平行设计的两根第一大磁铁211以及设于两根第一大磁铁211之间的第一小磁铁212；其中第一大磁铁211与第一小磁铁212平行；相对的，第二磁场单元22包括平行设计的两根第二大磁铁221以及设于两根第二大磁铁221之间的第二小磁铁222；其中第二大磁铁221与第二小磁铁222平行。

上述实施例的磁场结构20，其可以在弧腔10内产生磁场强度为875高斯且沿着长度方向平行延伸的均匀对称的共振面30，从而可以使得在整个弧腔10中可以激发产生等离子体，从而可以实现大宽度、束流更强的带状离子束流。

对于磁场结构20所产生的共振面30，参考图3所示，图3是一个示例的磁场共振面示意图，图中所示为截面图，图中箭头方向为磁场方向，第一磁场单元21和第一磁场单元21可以在平面上形成对称的共振面30，从而在弧腔10内均匀分布共振面30，放电室内的磁场分布更好地满足了电子回旋共振放电的条件，使得馈入的微波被高效地吸收，产生高密度的等离子体。

在一个实施例中，本申请的引出带状离子束的离子源可以采用多组微波输入结构设计，参考图4所示，图4是一个示例的微波窗和进气口结构示意图，在弧腔10的第一侧面101上间隔设置多组微波窗11和进气口12；其中每组微波窗11和进气口12分别向弧腔10内导入设定强度的微波能量和通入设定流量气体。

如图4所示的结构设计中，包括了两组微波窗11和进气口12的设计方案，实际应用中，可以根据需求设计多组结构。参考图5所示，图5是一个示例的多组微波窗和进气口分布示意图，图中所示是第一侧面的示意图，如图中，可以分布设置多组微波窗11和进气口12，通过多组结构设计，可以使得在长度方向上，实现用多个微波馈入口导入微波能量和多个进气口12通入气体，从而可以在弧腔10内更加均匀地产生等离子体，有利于更多样化的调节性能。

优选的，为了确保弧腔10产生等离子体的均匀性，还可以在弧腔10内部进行隔离设置，用微波隔板14将弧腔10内部空间隔离成多个腔室；参考图6所示，图6是一个实施例的弧腔分隔示意图，图中是从第三侧面103方向的正视图，在弧腔10内部每组微波窗11和进气口12对应空间通过微波隔板14分隔成多个腔室；其中每组微波窗11和进气口12分别向对应的腔室内导入设定强度的微波能量和通入设定流量气体。对于安装方式，参考图7所示，图7是一个实施例的微波隔板安装示意图，图中所示是立体截面图，虚线框为微波隔板14，在弧腔10内部空间间隔安装一个微波隔板14，从而将弧腔10内部空间隔离成多个独立的腔室。

上述实施例的技术方案，通过设置多组微波窗和进气口，并且在多个微波馈入口的情况下，还可以用微波隔板将弧腔内部空间隔离成多个腔室，使得各个腔室可以避免相互干扰，从而提高了每个腔室的功率密度。

在一个实施例中，本申请的引出带状离子束的离子源，参考图8所示，图8是另一个示例的磁场结构示意图，磁场结构20包括在弧腔10的第三侧面103和第四侧面104上对称设计的第三磁场单元23和第四磁场单元24，以及在弧腔10的第一侧面101上的第五磁场单元25；其中第三磁场单元23和第四磁场单元24共同与第五磁场单元25在弧腔10内形成共振面30。

对于第五磁场单元25，优选的，其可以包括分别设置在微波窗11两侧的A磁铁和B磁铁；其中微波窗11设计呈圆形结构，A磁铁和B磁铁以微波窗11为中心对称设计，并且分别沿着弧腔10长度方向平行延伸分布。

上述实施例的磁场结构20，其可以设计结构相对较小的第三磁场单元23和第四磁场单元24，匹配结构相对较大的第五磁场单元25，同样可以在弧腔10内产生磁场强度为875高斯且沿着长度方向平行延伸的均匀对称的共振面30，从而可以使得在整个弧腔10中可以激发产生等离子体，从而可以实现大宽度、束流更强的带状离子束流。

对于磁场结构20所产生的共振面30，参考图9所示，图9是另一个示例的磁场共振面示意图，图中所示为截面图，图中箭头方向为磁场方向，第三磁场单元23和第四磁场单元24共同与第五磁场单元25在弧腔10内形成共振面30，从而在弧腔10内均匀分布共振面30，放电室内的磁场分布更好地满足了电子回旋共振放电的条件，使得馈入的微波被高效地吸收，产生高密度的等离子体。

作为实施例，微波窗11也可以采用多组设计，即弧腔10的第一侧面101上间隔设置多组微波窗11和进气口12；参考图10所示，图10是另一个示例的多组微波窗分布示意图，其中第五磁场单元25包括分别设置在微波窗11两侧，且与微波窗11间隔设计的多个C磁铁，所述C磁铁沿着弧腔10长度方向平行延伸分布。

相应的，与图6的弧腔分隔示意图类似，在弧腔10内部每组微波窗11和进气口12对应空间通过微波隔板14分隔成多个腔室；其中每组微波窗11和进气口12分别向对应的腔室内导入设定强度的微波能量和通入设定流量气体；其图示和原理与图6相似，在此不再赘述。

在一个实施例中，对于本申请的引出带状离子束的离子源，参考图11所示，图11是一个示例的引出极结构示意图，引出极13可以包括设于第二侧面102上的网状结构131；其中网状结构131上设计有分布式的网孔，从每个网孔引出离子形成带状离子束。

参考图12所示，图12是另一个示例的引出极结构示意图，引出极13还可以包括设于第二侧面102上且沿着弧腔10长度方向平行间隔分布的多条引出缝132；其中，每条引出缝132分别引出离子形成带状离子束。

上述实施例的引出极13结构设计，如采用网状结构131时，网状结构131上分布式的网孔可以引出离散均匀分布的带状离子束，采用间隔分布的多条引出缝132时，可以从各条引出缝132一条条的小带状离子束，进而形成更宽的带状离子束，上述两种方案可以满足不同使用需求。

在一个实施例中，对于磁场结构20的实现形式，其可以采用方案①永磁体，方案②螺线管线圈（电磁铁），或者方案③永磁体和螺线管线圈组合体；其中永磁体在弧腔10产生固定磁环结构的磁场，螺线管线圈在弧腔10产生大小可调的磁场。

具体的，如果采用方案①产生磁场，结构简单，离子源体积小，结构易于调整，便于安装，但磁场形状不可调，因此在设计磁环结构时，磁环大小、内径、环间距都需要充分考虑，以获得理想的磁场。

如果采用方案②产生磁场，则可以通过调整电流灵活地改变内部磁场的大小，但离子源体积一般较大，不便于安装调整。

由于满足电子回旋共振放电条件时，弧腔内的磁场分布必须包含满足式的区域，例如，对于 2.45GHz的离子源，磁场中某些特定区间的场强必须达到 87.5mT，为了使得馈入的微波能量被高效地吸收产生高密度的等离子体，采用方案③可以相对便利地在弧腔内获得理想的磁场。

综合上述各实施例的技术方案，本申请的离子源，设计了独特的离子源结构，采用了电子回旋共振技术，在微波频率与电子的回旋频率相等时发生回旋共振，电子通过共振吸收微波能量，得到加热后与工作气体碰撞，使气体电离从而产生等离子体，等离子体中的正离子被施加于引出系统上的高压电场所加速，通过电极上的引出孔逃逸出等离子体，形成离子束流。

常规的2.45GHz的低电荷态的ECR离子源，磁场通常采用磁环产生875高斯的磁镜场，采用圆柱形的放电弧腔和圆形引出孔，引出系统采用轴对称的方式，从而产生轴对称的束流；而本申请的技术方案，在长条形的离子源结构上，采用了改进的电子回旋共振（ECR），从而可以引出宽度更宽、总流强更大的均匀分布的带状束流，由于采用电子回旋共振原理放电，无消耗件，只有微波窗有损坏的风险，离子源的寿命长，工作稳定，气体电离率高，气耗率低，设备成本低，适合在工业上推广使用。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种引出带状离子束的离子源，其特征在于，包括：长方体结构的弧腔以及设于弧腔外部的磁场结构；

所述弧腔的第一侧面上设有微波窗和进气口，所述微波窗用于向弧腔内导入微波能量，所述进气口用于向弧腔内部通入气体；

所述弧腔的第二侧面上设有引出带状束离子的引出极，用于从弧腔内引出带状离子束；其中，所述第二侧面是与第一侧面相对的侧面；

所述磁场结构沿着弧腔长度方向设置，用于在弧腔内产生设定磁场强度且沿着弧腔长度方向平行延伸的共振面；

所述气体进入弧腔后，在所述磁场结构产生的强磁场和微波窗导入的微波能量作用下达到电子回旋共振状态产生等离子体，并将离子从引出极引出。

2.根据权利要求1所述的引出带状离子束的离子源，其特征在于，所述磁场结构包括在弧腔的第三侧面和第四侧面上对称设计的第一磁场单元和第二磁场单元；其中，所述第一磁场单元和第二磁场单元分别在弧腔内形成对称的共振面。

3.根据权利要求2所述的引出带状离子束的离子源，其特征在于，所述第一磁场单元包括平行设计的两根第一大磁铁以及设于两根第一大磁铁之间的第一小磁铁；其中，所述第一大磁铁与第一小磁铁平行；

所述第二磁场单元包括平行设计的两根第二大磁铁以及设于两根第二大磁铁之间的第二小磁铁；其中，所述第二大磁铁与第二小磁铁平行。

4.根据权利要求2所述的引出带状离子束的离子源，其特征在于，所述弧腔的第一侧面上间隔设置多组微波窗和进气口；

其中，每组微波窗和进气口分别向弧腔内导入设定强度的微波能量和通入设定流量气体。

5.根据权利要求4所述的引出带状离子束的离子源，其特征在于，在所述弧腔内部每组微波窗和进气口对应空间通过微波隔板分隔成多个腔室；

其中，每组微波窗和进气口分别向对应的腔室内导入设定强度的微波能量和通入设定流量气体。

6.根据权利要求1所述的引出带状离子束的离子源，其特征在于，所述磁场结构包括在弧腔的第三侧面和第四侧面上对称设计的第三磁场单元和第四磁场单元，以及在弧腔的第一侧面上的第五磁场单元；

其中，所述第三磁场单元和第四磁场单元共同与第五磁场单元在弧腔内形成共振面。

7.根据权利要求6所述的引出带状离子束的离子源，其特征在于，所述第五磁场单元包括分别设置在微波窗两侧的A磁铁和B磁铁；其中，所述A磁铁和B磁铁以微波窗为中心对称设计，并且分别沿着弧腔长度方向平行延伸分布。

8.根据权利要求7所述的引出带状离子束的离子源，其特征在于，所述弧腔的第一侧面上间隔设置多组微波窗和进气口；

所述第五磁场单元包括分别设置在微波窗两侧，且与微波窗间隔设计的多个C磁铁，所述C磁铁沿着弧腔长度方向平行延伸分布。

9.根据权利要求1所述的引出带状离子束的离子源，其特征在于，所述引出极包括设于第二侧面上的网状结构；其中，所述网状结构上设计有分布式的网孔，从每个网孔引出离子形成带状离子束；

或者

所述引出极包括设于第二侧面上且沿着弧腔长度方向平行间隔分布的多条引出缝；其中，每条引出缝分别引出离子形成带状离子束。

10.根据权利要求1所述的引出带状离子束的离子源，其特征在于，所述磁场结构包括：永磁体，螺线管线圈，或者永磁体和螺线管线圈组合体；

其中，所述永磁体在弧腔产生固定磁环结构的磁场，所述螺线管线圈在弧腔产生大小可调的磁场。

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