CN1208997C - 在低能模式中操作高能加速器的方法及装置 - Google Patents

Abstract

这项发明提供一种有效地在高能模式和低能模式中操作包括带电粒子加速器的离子注入设备的方法和装置。带电粒子加速器包括高压电源、与高压电源耦合的加速器柱状物和开关组件。加速器柱状物包括众多加速器电极。高压电源在低能模式中被禁止激励加速器柱状物释放能量。开关组件包括在低能模式中把加速器电极电连接到参考电位上，并且在高能模式中使加速器电极与参考电位电隔离的开关元件。在低能模式中，开关组件在输送阳离子束时防止加速器电极上是正电位，并因此使离子束的空间电荷扩充减少到最小。

Description

在低能模式中操作高能加速器的方法及装置

这份专利申请要求在此通过引证被并入的于2000年2月11日提交的临时专利申请第60/182,079号的利益。

技术领域

本发明涉及带电粒子加速器，更具体地说涉及用来在低能模式中操作高能加速器的方法和装置。

背景技术

离子注入是商业上接受的用来把改变电导率的杂质引入半导体晶片的标准技术。在传统的离子注入系统中，所需要的杂质材料在离子源中离子化，离子被加速成规定能量的离子束，然后使离子束对准晶片表面。离子束中的高能离子刺入大多数半导体材料并且嵌进半导体材料的晶格，从而形成电导率符合需要的区域。

与注入晶片的累积离子剂量、注入深度、横跨晶片表面的剂量均匀性、表面的损害和不受欢迎的污染有关的苛刻要求都被放到包括离子注入的半导体制造工艺上。注入剂量和深度决定注入区域的电活性，而剂量均匀性是保证半导体晶片上所有的器件都具有在规定的限度范围内的操作特性必不可少的。

为了在半导体晶片上形成器件，在不同的深度注入杂质通常是必需的。束中粒子的能量对于粒子刺入半导体晶片的深度是决定性的。当器件在尺寸方面被减小、在速度方面被增加时，使用非常低的能束在半导体晶片上形成诸如浅晶体管结之类的东西已经变得令人向往的。

然而，采用低能离子束的离子注入不是一件琐细的工作。在离子束之内的离子通常是带正电的粒子。带电粒子的静电斥力引起离子束发散，尤其是在低能的情况下，在这种场合个别粒子的低速度规定粒子在到达目标晶片之前在粒子束范围内保持比较长的时间周期。

由于给定的在半导体晶片上制造电子器件的方法可以要求在高和低两种能量下的注入步骤，控制离子注入设备在宽广的注入能量范围上注入离子可以是令人向往的。这避免了在适合不同能量范围的不同的离子注入设备中与离子注入相关联的时间、附加费用和潜在的晶片污染。

高能离子注入设备可以使用所谓的串列式加速器，它接受能量在几万电子伏特特数量级上的低能离子束并且进一步把离子束加速到几十万到几百万电子伏特特的能量范围。串列式加速器通常包括被装配成称为加速器柱状物的串联结构的低能加速器管、端子和高能加速器管。加速器管包含许多被绝缘环分开的加速器电极。正高压被高压电源加到端子上，并借此加到低能加速器管和高能加速器管两者的最高电压极上。毗邻的加速器电极通过在各个加速器电极之中分配外加电压的高阻值电阻器互相连接起来。在第一和第二加速器管之间的端子包含用来使离子束中的离子从负电荷转变成正电荷的充气的变高压电极管。在正常的高能模式中，阴离子束射入串列式加速器，经低能加速器管加速后到达端子，然后被转变成阳离子束，再在高能加速器管中被进一步加速。

为了产生低能的离子束，把阳离子束注射到串列式加速器之内并且把高电压电源关掉是符合要求的。然而，高能加速器不起作用之后寄生电位可以保留在加速器电极上。此外，低能离子束的边缘可以撞击加速器电极并引起这些电极产生正电压。接在加速器电极之间通常大约为100兆欧的电阻器不足以使电极在低能操作期间放电。加速器电极位于用SF₆气体增压并且在操作期间不可接近的高压箱中。结果是在加速器电极上的正电压可以在低能操作期间移动来自离子束的自由电子。与离子束中的阳离子一起旅行的电子具有减少离子束的空间电荷的扩充趋势的有益效果。因此，加速器电极上的正电压在低能操作期间将恶化离子束的空间电荷扩充和减少通过加速器输送的射束电流。

因此，需要在低能模式中操作高能加速器的方法和装置。

发明内容

本发明提供有能力在高能和低能两种状态下操作并且使有效的低能操作可行的离子注入设备。开关组件是为了把高能加速器的加速器电极接到选定的电位(例如接地或适当的负电位)上以便把可以对离子束产生不利影响的寄生电压从加速器电极上除去而配置的。

依照本发明的一个方面，提供一种能在高能模式中和低能模式中操作的带电粒子加速器。带电粒子加速器包括用来产生高电压的高压电源、与高压电源耦合的加速器柱状物和开关组件。加速器柱状物包括众多有用于输送带电粒子束的孔的加速器电极和接在加速器电极的毗邻电极之间用来在诸加速器电极之中分配高电压的电阻器。高压电源在低能模式中被禁止激励加速器柱状物。开关组件包括一个或多个用来在低能模式中把加速器电极电连接到参考电位上并且在高能模式中把加速器电极与参考电位电隔离的开关元件。

在一个实施方案中，每个开关元件都包括第一部分被固定到加速器电极之一上而第二部分能在与同一加速器电极电接触的高能位置和与毗邻的加速器电极电接触的低能位置之间移动的柔性导体。柔性的导体可以包括导电带。在另一个实施方案中，柔性导体包括绕成长线圈的电线。开关组件可以进一步包括用来在高能位置和低能位置之间移动柔性导体的执行机构和接在执行机构和每个柔性导体之间的传动杆。

在一个实施方案中，开关组件包括被分别直接接到加速器电极上的开关元件。在另一个实施方案中，开关组件包括一摞被分别接到加速器电极上彼此电隔离的导电板，而且每个开关元件都包括被固定在某块导电板上的第一部分和在电接触同一块导电板的高能位置和电接触毗邻导电板的低能位置之间移动动的第二部分。

在进一步的实施方案中，开关元件包括分别与加速器电极耦合的二极管。二极管在高能模式中是反向偏置的、在低能模式中是正向偏置的，以便提供一条连接参考电位传导路径。

在另一个实施方案中，所述的一个或多个开关元件包括能在与加速器电极电接触的低能位置和与加速器电极隔开的高能位置之间横向移动的导电的切换棒。

依照本发明的另一方面，提供用来在低能模式中操作带电粒子加速器的方法。带电粒子加速器包括用来产生高电压的高压电源和与高压电源耦合的加速器柱状物。加速器柱状物包括众多有用于输送带电粒子束的孔的加速器电极和接在诸加速器电极当中的毗邻电极之间用来在诸加速器电极之中分配高电压的电阻器。该方法包括在低能模式中禁止高压电源激励加速器柱状物和在低能模式中把加速器电极电连接到参考电位上的步骤。

附图说明

为了更好地理解本发明，查阅在此通过引证被并入的附图，其中：

图1是依照本发明的实施方案的离子注入设备的功能方框图；

图2是在图1的离子注入设备中使用的包括依照本发明的实施方案的开关组件的串列式加速器的示意图；

图3是图2所示加速器的局剖侧视图，它图解说明包括在高能模式中与各自的加速器电极接触的开关元件的开关组件的第一实施方案；

图4是图2所示加速器的局剖侧视图，它图解说明包括在低能模式中与毗邻的加速器电极接触的开关元件的开关组件的第一实施方案；

图5是图3和图4所展示的开关组件的端视图；

图6是依照本发明的第二实施方案的开关组件的端视图；

图7是图6所示的完备的开关组件的局部透视图；

图8是依照本发明的实施方案的传动杆和开关元件的透视图；

图9是图解说明开关组件的第三实施方案的加速器的局剖侧视图，其中开关元件在高能模式中与各自的加速器电极接触。

图10是图9所示加速器的局剖侧视图，其中开关元件在低能模式中与各自的加速器电极接触；

图11是与图9和图10的开关组件合并的串列式加速器的示意图；

图12是依照本发明的第四的实施方案的开关组件和单个的加速器电极的透视图；

图13是依照本发明的第五实施方案与开关组件合并的串列式加速器的示意图；

图14是与本发明的第六实施方案合并的串列式加速器的局部示意图；

图15是沿着束轴线看到的本发明的第六实施方案的示意图。

具体实施方式

依照本发明的离子注入设备在高能模式中能够在高能下操作，在低能模式中能够在低能下操作。在本发明的一个方面中，有效的低能操作是通过提供在低能模式中把高能加速器的加速器电极接到诸如接地或负电压之类的参考电位上的装置和方法在高能注入设备中得以实现的。通过把加速器电极接到参考电位上，正电位从加速器电极上除去，因此使粒子束堆积的剩余寄生电位或电荷在低能注入期间将对离子束产生不利影响的可以性减少到最低。具体地说，开关组件被用于防止不受控制的加速器电极电压，否则该电压将会把自由电子从离子束中除掉并且减少通过离子注入设备的定向输送。

如图1所示，离子注入设备10包括离子源12。离子源12将搀杂材料的原子离子化，形成具有几万电子伏特能量的离子束14。该离子束可以包括用于高能操作的阴离子或用于低能操作的阳离子。在这个阶段，该离子束可以包括由搀杂材料产生的多样的物种、同位素和电荷状态。特定的同位素、物种或电荷状态是用质谱仪16进行选择的。然后，离子束14在进入高能带电粒子加速器20之前在完成离子束聚焦和定中心的低能四极透镜18中进行调节。加速器20在下面予以详细地讨论。

在离子束14离开加速器20之后，它被高能四极透镜22再一次调节，把离子束14聚焦到扫描器24的入口上。扫描器24在终端站30中横过晶片28的表面扫描离子束14。平行化磁铁26是为了保证离子束14横跨晶片表面以恒定不变的角度入射到晶片28上。

带电粒子加速器20可以是用图2示意地图解说明的串列式加速器20。如图2所示，离子束14在入口32进入加速器20、途径具有加速器电极34的第一(或低能)加速器管33、端子36、具有加速器电极38的第二(或高能)加速器管37，在出口40退出加速器20。低能加速器管33、端子36和高能加速器管37组成加速器柱状物。应该注意：离子束14在图1中是从左到右输送的，但是在图2中是从右到左输送的。加速器电极34、36是彼此隔开的有用于输送离子束14的孔41的导电板。在图2的例子中，加速器电极34包括电极34a、34b、34c、34d和34c，而加速器电极38包括电极38a、38b、38c、38d和38e。在加速器的具体实践中，通常使用大量的加速器电极。在一个例子中，加速器的每个加速器管33、37都包括24个加速器电极。毗邻的加速器电极是用高阻值的电阻器42(例如，110兆欧的电阻器)连接起来的。

串列式加速器20是为了在正高压(例如，大约880千伏(kV))被高压电源43加到端子36上的高能模式中操作而设计的。高电压在加速器电极34和3 8之中被电阻器42分配。具体地说，在电阻器42具有相等的电阻值的情况下，加速器管33和37的加速器电极在端子36的高电压和地之间有电压梯度，在毗邻的加速器电极之间电压相等。为了使不产生电弧的高压操作变得容易，加速器电极34和36、电阻器42和端子36可以安装在用SF₆气体增压的高压箱45中。

端子36包括电荷交换装置(未示出)，它通过除去电子把离子束14中的一部分负离子转变成正离子。束14中的负离子被低能加速器管33加速，然后在端子36中被转变成正离子的离子被高能加速器管37进一步加速。调节加在端子36上的高电压，以便将离子束14加速到预期的注入能量。因此，例如，如果负离子以50keV的能量进入加速器而且端子的电压被调节到750千伏，那么在离子束14中带一个电子电荷的正离子以1550keV的能量退出加速器，在加速器中已得到1500keV的能量。

人们希望在把高压电源43关掉的低能模式中操作图1中的离子注入设备10。具体地说，高压电源43被这样关掉或者从加速器管33和37处断开，以致高电压不被加到加速器电极34、38上。然而，在低能模式中，加速器电极34、38和端子36上的寄生电压由于增加分子间的静电拒斥作用可以通过除去来自束中的自由电子引起束扩张对离子束14产生不利的影响。

申请者发现当注入设备10在低能模式中操作时，通过把加速器20的加速器电极34、38和端子36接地，或者通过把比较小的负电位加到加速器电极34、38和端子36上，这些效应可以减少到最小。优选的是开关组件在低能模式中把加速器电极电连接到参考电位上，在高能模式中使加速器电极与参考电位电隔离。在图2的实施方案中，开关组件包括开关元件70，包括接在相邻的加速器电极之间的开关元件70a-70d和70g-70i以及接在各自的加速器电极和端子36之间的开关元件70e和70f。开关组件还包括在图2中未示出但在下面将予以描述的用来在开和关两种状态之间操作开关元件的切换执行机构。当开关元件70a-70i被关闭时，在低能模式中就操作而言加速器电极34和38以及端子36被接地。当开关元件70a-70i被打开时，在高能模式中高电压可以被加到电极34和38上。

开关元件70可以作为机械开关或电子开关被提供。开关执行机构可以是机械的、机电的或电子的。开关组件的一些特定的实施方案下面予以描述。本发明不局限于这些特定的实施方案，而是可以延伸到任何适合在低能模式中把加速器电极34、38和端子36接到参考电位(例如，接地或负电压)上的仪器设备。

开关组件的第一实施方案是结合图3至图5予以描述的。该开关组件包括被固定到每个加速器电极34、38上的柔性导体44、执行机构47和接在执行机构47和柔性导体44之间的传动杆46。分别地固定在而且使到加速器电极34a、34b和34c上的柔性导体44a、44b和44c是在图3和图4中展示的。每个柔性导体都在位置72固定到加速器电极之一34、38上。每个柔性导体44的一部分74可以在柔性导体44接触在位置72固定它的加速器电极34的高能位置(图3)和柔性导体44接触固定它的加速器电极34和相邻的加速器电极34两者的低能位置(图4)之间移动。因此，举例来说，柔性导体44的部分74是在接触加速器电极34a的高能位置(图3)和接触相邻的加速器电极34b低能位置(图4)之间活动的。执行机构47和传动杆46在高能位置和低能位置之间移动柔性导体44。业已发现把加速器电极34、38和端子36接到参考电位上将消除在加速器诸要素上的寄生电位，借此保证加速器在低能模式中运行时寄生电位不对离子束产生不利的影响。

在串列式加速器20中每组加速器电极34、38可以与分开的传动杆46一起提供，每个传动杆单独受分开的执行机构47驱动。作为替代，单一的传动杆46可以被用来移动在加速器电极34和38上的数套柔性导体44。例如，使用两个传动杆46可能是符合要求的，在这种情况下端子36阻止一个传动杆46被用来移动在两套加速器电极34和38上的柔性导体44。传动杆46在图3至图5的实施方案中是绝缘体。

柔性导体44在高能位置电隔离相邻的加速器电极34和38和端子36。优选的是开关组件被设计成在高能模式中对操作的影响最小，具体地说是在把高电压加到加速器电极34、38和端子36上的时候使产生电弧的危险最小。当人们希望在低能模式中使用离子注入设备的时候，借助开关组件禁止把高电压加到加速器堆上和把加速器电极34、38和端子36接到参考电位上。在图3和图4的实施方案中，开关组件可以相互连接起来，通过激励执行机构47，移动传动杆46，并借此把每个柔性导体44移动到与相邻的加速器电极接触。这实际上是短路每个电阻器器42(图2)，把每个加速器电极34、38和端子36放在与最后一个加速器电极相同的电位上。因此，在一个实施方案中，如果最后一个加速器电极被接地，那么所有的加速器电极34、38和端子36都被接地。作为替代，如果最后一个加速器电极被接到负电位上，那么所有的加速器电极34、38和端子都被接到那个电位上。如图2所示，加速器电极34a是接地的。因此，当开关元件70a-70i被关闭时(在导通状态中)，所有的加速器电极34、38和端子36都被接地。

每个柔性导体44都可以在位置72利用任何适当的装置(例如，螺栓76)或焊接固定到它相应的电极34、38或端子36上。每个柔性导体44的部分74是活动的，使柔性导体44能够接触相邻的加速器电极34、38和端子36。

如图5所示，传动杆46可以穿过每个柔性导体44上的孔49。在这个实施方案中，孔49是加长的，为的是使传动杆46在柔性导体44从高能位置移到低能位置时能够保持在给定的轴线上。为了应传动杆46可以在每个加速器电极34、38上提供孔51。作为替代，传动杆可以在加速器电极34、38和端子36的边界外面通过。

柔性导体44可以被成形为铍铜(BeCu)或其它适当的导电材料制成的长条形薄片。优选的是柔性导体用弹性导电材料制成在高能模式中能够在加速器电极上躺平，以避免意外地引起加速器堆短路或引起相邻加速器电极之间的放电。

如上所述，用图3至图5展示的开关组件的实施方案包括直接固定到加速器电极34和38上的柔性导体44。在用图6和图7展示另一个实施方案中，开关组件是独立的单元。在图6和图7中展示的独立的开关组件48包括一摞电隔离的导电板50、在位置72固定到各自的导电板上的柔性导体44、传动杆46和执行机构47。在图7的实例中，那摞导电板50包括分别有柔性导体44a和44b固定在上面的导电板50a和50b。在实际设备中，一块导电板50对应于加速器中的每个加速器电极。因此，在图2的实施方案中，一块导电板50对应于每个加速器电极34a-34e和38a-38e。导电板50可以被一块或多块绝缘材料52隔开。每块导电板50被电连接到一个加速器电极上。优选的是，导电板50具有与接到它们上的各自的加速器电极相同的间隔。每个柔性导体44在位置72被连接到导电板50之一上，而部分74是自由的，借助传动杆46的运动被移动到与相邻的板接触。因为它的模块性质，独立的开关组件可能是有用的，例如，改造现有的加速器使那些加速器能够被用于低能注入。

图8图解说明传动杆46、连接机构54和柔性导体44的一种实现。如图8所示，每个柔性导体44备有一个定位键53。定位键53是弯曲的而且备有一个允许它借助适当的紧固件(例如，螺丝56)固定到传动杆46上的孔。然而，本发明不局限于这种考虑，把柔性导体44连结到传动杆46上的任何适当的方法都是可以采用的。例如，在图2-7中，柔性导体44是用对着柔性导体44的每个边钉并且被钉到传动杆46上的钉子58围绕着开口49固定到传动杆46上的。尽管在这个实施方案中揭示的是两个钉子58，但是如果每个柔性导体44都被弹性偏置到顶住加速电极34、38或端子36，可以使用一个钉58。在另一个实施方案中(未予以展示)中，传动杆46与对置边缘上的沟槽一起成形而且穿过柔性导体44上的键槽形的开口。在所述的实施方案中，传动杆46可以是用聚甲醛树脂或另一种绝缘材料制成的。

传动杆46可以通过连接机构54接到执行机构47(图3)上。连接机构54的特殊构造取决于执行机构的类型，而且可以使不同的执行机构能够与标准的传动杆一起使用。可仿效的执行机构包括但不限于气动或液压活塞缸、电磁螺线管和其它通用的机电执行机构。在一个实施方案中，执行机构47位于装有加速器电极34、38和端子36而且采用了适当的馈送装置的压力容器45(图2)的外面。虽然能够把机械运动从第一压力区传递到第二压力区的任何传统的馈送装置都可以使用，但是可仿效的馈送装置都包括波纹管和套管。特定的馈送装置可以根据特定的压力变化范围以及所需要的传动杆行程进行选择。

在这个实施方案中，通常用金属制成的传动杆末端轴颈穿过法兰进入在压力容器的大气一侧有支座轴承的差动密封舱。传动杆在压力容器内部的轴承中被支撑在端子的位置上。许多其它方法是可用的，本发明不局限于任何特定的用来移动传动杆的方法和装置。

用来测试开关组件的技术是参照图2予以描述的。如图2所示，每个加速器电极34、38和端子36都通过电阻器42接到相邻的加速器电极34、38或端子36上。在图解说明的实施方案中，电阻器42是110兆欧。因此，电阻器42被串联地接在高能分压器(HED)的端子59和低能分压器(LED)的端子60之间。诸如发光二极管之类的非必选电路可以被提供，以便向操作员表明该电路何时被激活。电阻器42可以借助开关元件70被短路，从而使每个加速器电极的电位凭借前面结合图1-8讨论的开关组件的动作接近参考电位。在图2的实施方案中，参考电位是接地。

开关组件的操作要求在低能模式中与柔性导体44和每个加速器电极34、38或导电板50之间的电接触相对应的开关元件70a-70i闭合。这个操作可以用几种方法之一进行测试。在一个实施方案中，如图2所示，直流测试信号可以是通过高压二极管63输入的，而测试信号的直流电流是实测的。直流电流是开关组件正常操作的指示。换言之，一个电流值是在所有的开关元件70a-70i都被关闭并且都与加速器电极电接触时实测的，而不同的电流值是在开关元件70a-70i之中的一个或多个开关元件被打开时实测的。作为替代，可以通过高压电容器输入脉冲测试信号，监视反射信号，以确定通过开关元件70a-70i的串联质量。在采用脉冲测试信号时，二极管63可以用高压电容器代替。预期的信号和收到的信号之间进行比较将提供开关组件操作状态的指示。在开关组件非正常操作的事件中可以提供适当的报警或指示。

本发明另一个实施方案是用图9-11予以图解说明的。图9和图10是这样取向的，以致离子束14从底部进入加速器的图解部分并且在顶部离开。这个实施方案使得负电流在低能模式中能够被加到开关元件上。

明确地说，如图9和图10所示，负高压电源62通过电阻器66被接到用绝缘块64与其相应的加速电极38a电隔离的第一柔性导体44r上。开关组件在低能模式中动作时，传动杆46移动柔性导体44r、44s、44t等，使它们分别与相邻的加速器电极38b、38c、38d等咬合。随后或同时，电源62被激活，使负电流通过柔性导体44流动。

在被图解说明的实施方案中，负电位(例如，-500伏特)被加到可能是500千欧的电阻器66和柔性导体44的串联电路上。通过电阻器66和柔性导体44供应的负电流是这样选定的，即它足以克服在柔性导体44和加速器电极34、38或端子36之间的任何接触电阻。此外，负电流的应用是有利的，即可能在加速器电极上通过感应产生的任何电位都将是负的而且将抑制电子离开粒子束。虽然-500伏特的负电位和500千欧的串联电阻器已被描述，但是本发明在这方面是不受限制的，任何的适当负电位和串联电阻器都可以利用。优选的是负电位在大约-250和-1000伏特之间变动，由此产生的电流在大约1至5毫安的范围内。

图11示意地图解说明为了在低能模式中应用负电流而配置的加速器。图2和图11中相同的要素具有相同的参考数字。负高压电源62经电阻器66被接到与图9和图10中的柔性导体44r相对应的开关元件80上。在低能模式中，开关元件70a-70i被关闭，而开关元件80在LE位置。这使得加速器电极34、38和端子36接地、负电流通过开关元件70a-70i和80流动。在高能模式中，开关元件70a-70i被打开，开关元件80在HE放置，而电源62被断开，因此准许高电压被加到加速器电极34、38和端子36上。

开关组件是否正常运行可以通过测量负高压电源62交付的电流得到证实。在高压电源62具有-500伏特的输出和电阻器66具有500千欧的阻值的实例中，1毫安的供电电流表明开关元件70a-70i和80正常运行。通过对比，不足1毫安的供电电流表明一个或多个开关元件运转失灵。

在上述的每个实施方案中，柔性导体44可以被制成平的导电片。由于这样的导电片是在在高电压环境中使用的，所以该导电片优选具有圆弧形边缘并且不形成锐角，以使电晕放电的可能性最小。

在开关组件的第四实施方案中，柔性导体44是用金属丝制成的。参照图12，开关组件150包括呈长金属线圈(160、162、164等)形式的柔性导体、传动杆46和执行机构(未展示)。每个金属线圈(160、162、164等)可以借助绝缘间隔物170附着到传动杆46上。每个金属线圈在或靠近一端174处附着到一个加速器电极上，在另一端176是在高能模式中的同一个加速器电极和低能模式中的相邻的加速器电极之间自由移动的。金属线圈(160、162、164等)以与前面结合图3和4予以描述的柔性导体44a、44b、44c等相同的方式操作。

因为金属线的横截面是圆形的，所以金属线圈160、162、164等具有没有锐利的边缘的优势。金属线圈在成形时要避免可能增大电弧放电风险的锐利的弯曲。在一个实施方案中，金属线圈160、162、164等是用直径为0.035英寸的铍铜丝加工的。

在前面的描述中，单一的柔性导体44被接到每个加速器电极34、38上。但是，本发明不局限于这种考虑，可以为每个加速器电极34、38提供任何数目的柔性导体44。因此，可以通过使用多个柔性导体44或在每个柔性导体44上使用多个触点提供剩余度。

上述的开关组件的实施方案已利用机械式开关元件。与开关组件的第五实施方案合并的串列式加速器的示意图被展示在图13中。在图2和图13中相同的要素具有同样的参考数字。在图13的实施方案中，开关元件是作为接在相邻的加速器电极之间的二极管实现的。因此，例如，三个二极管200被串接在加速器电极38a和38b之间。

二极管200的极性是这样的，以致二极管在高能模式中加负偏压，而在低能模式中加正偏压。虽然三个串联的二极管在图13的实施方案中被用在相邻的加速器电极之间，但是人们应该理解一个或多个二极管可以被接在相邻的加速器电极之间，这取决于二极管的反向电压额定值和在高能模式中加速器电极之间必需的工作电压。

在图13的实施方案中，二极管电源210是经过模式开关212接到端子36上的。电源210具有与高压电源43相反的极性。因此，当高电压电源43是正的时，电源210是负的。电源210的电压足以在低能模式中把所有的二极管200置于导通状态。电源210的电压必须足以克服串接起来的高电压二极管200的正向电压降。优选的是电源210在维持几毫安的电流通过二极管200的恒流模式中工作。在优选的实施方案中，电源210是-3千伏。开关212在低能模式中把电源210接到端子36上。开关212和电源210构成用于使用二极管作为开关元件的开关组件的执行机构。

在高能模式，高压电源43被激活，而且开关212把电源210与端子36打开。高压电源为接在相邻的加速器电极之间的二极管200加反向偏压。因此，加速器在高能模式中工作，加速器电极(电极34a和38a除外)与参考电位电隔离。在低能模式中，高压电源43被关闭或者以其它方式被禁止给端子36加高电压。开关212被关闭，于是电源210被接到端子36上。负的电源210使二极管200导通，借此有效地把加速器电极34和38接到参考电位上。

与开关组件的第六实施方案合并的串列式加速器的局部示意图是在图14和图15中展示的。在图2、14和15中相同的要素具有相同的参考数字。在图14和图15的实施方案中，开关组件250包括切换棒252、支撑臂254、传动杆256和执行机构260。切换棒252能在与加速器电极34和38隔开的高能位置之间和与加速器电极34和38的边缘接触的低能位置之间横向移动。高能位置在图14和15中是用实线图解说明的，而低能位置在图14和15中是用虚线图解说明的。

切换棒252是通过支撑臂254安装在传动杆256上的。执行机构260与传动杆256耦合，它引起传动杆256旋转并借此在高能位置和低能位置之间移动切换棒252。切换棒252可以是导电的。因此，当切换棒252处在接触加速器电极34和38的低能位置时，加速器电极34和38被接到参考电位上，例如接地。在图14的实例中，电极都通过加速器电极34被接地。

切换棒252优选包括一个或多个不管加速器电极的尺寸和位置如何变化都保证与每个加速器电极34和38电接触的弹性导体。在一个实施方案中，切换棒252包括用来接触加速器电极34和38的弹性的导电夹。在另一个实施方案中，切换棒252包括覆以导电布料的泡沫塑料或其它弹性材料。

虽然本发明已结合能够提供高能和低能两种粒子束的离子束加速器予以说明，但是本发明不局限于这种考虑，而是适用于任何需要把多个加速器电极同时接到参考电位上的带电粒子加速器。

人们应该理解不脱离本发明的精神和范围可以对本说明书中结合附图描述的实施方案进行各种各样的修改。因此，我们倾向于把前面描述过并且用附图展示的全部内容看作是举例说明，没有任何限制意义。本发明仅仅如同权利要求书所定义的那样受到限制。

Claims (23)

1.一种能在高能模式和低能模式中操作的带电粒子加速器，该加速器包括：

用来产生高电压的高压电源；

与所述高压电源耦合的加速器柱状物，所述加速器柱状物包括多个有孔的加速器电极和电阻器，所述有孔的加速器电极用于输送带电离子束，所述电阻器连接在所述加速器电极之中的相邻电极之间用来在所述加速器电极之间分配所述的高电压，其中所述高压电源在低能模式中被禁止激励所述的加速器柱状物；以及

包括一个或多个开关元件的开关组件，所述组件在低能模式中把所述加速器电极电连接到参考电位上，并且在高能模式中使所述加速器电极与所述参考电位电隔离。

2.根据权利要求1的带电粒子加速器，其中每个所述的开关元件都包括一个柔性导体，所述柔性导体具有固定在所述加速器电极之一上的第一部分，以及第二部分，所述第二部分能在一个高能位置和一个低能位置之间移动，所述第二部分在所述高能位置与所述加速器电极之一电接触，所述第二部分在所述低能位置与相邻的一个加速器电极电接触。

3.根据权利要求2的带电粒子加速器，其中所述开关组件进一步包括用来在所述高能位置和所述低能位置之间移动所述柔性导体的执行机构，以及连接在所述执行机构和每个所述柔性导体之间的传动杆。

4.根据权利要求2的带电粒子加速器，其中所述柔性导体包括导电片。

5.根据权利要求2的带电粒子加速器，其中所述柔性导体包括形成加长线圈的导线。

6.根据权利要求1的带电粒子加速器，其中所述开关元件被分别直接接到所述加速器电极上。

7.根据权利要求1的带电粒子加速器，其中所述的开关组件包括一摞分别接在所述的加速器电极上且彼此电隔离的导电板，其中每个所述的开关元件包括一个柔性导体，所述柔性导体具有固定在所述导电板之一上的第一部分，以及第二部分，所述第二部分能在一个高能位置和一个低能位置之间移动，所述第二部分在所述高能位置与所述导电板之一电接触，所述第二部分在所述低能位置与相邻的一个导电板电接触。

8.根据权利要求7的带电粒子加速器，其中所述开关组件进一步包括用来在所述高能位置和所述低能位置移动所述柔性导体的执行机构，以及连接在所述执行机构和所述柔性导体之间的传动杆。

9.根据权利要求1的带电粒子加速器，其中所述开关元件包括分别与所述加速器电极耦合的二极管，而且其中所述二极管在所述高能模式中是被反向偏置的而在所述低能模式中是正向偏置的，以便提供一条连接参考电位的传导路径。

10.根据权利要求9的带电粒子加速器，进一步包括用来在所述低能模式中给所述二极管加正偏压的二极管电源。

11.根据权利要求1的带电粒子加速器，其中所述参考电位是接地。

12.根据权利要求1的带电粒子加速器，其中所述参考电位是负电压。

13.根据权利要求1的带电粒子加速器，其中所述开关元件把所述加速器电极串联到参考电位上。

14.根据权利要求1的带电粒子加速器，其中所述开关组件包括在所述低能模式中用来把所述一个或多个开关元件移动到与所述加速器电极电接触的装置。

15.根据权利要求1的带电粒子加速器，其中所述一个或多个开关元件包括能在与所述加速器电极电接触的低能位置和与所述加速器电极隔开的高能位置之间横向移动的导电的切换棒。

16.根据权利要求1的带电粒子加速器，其中所述开关组件包括一个或多个开关元件，其中所述开关元件能在所述加速器电极被所述开关元件电隔离的一个高能位置和所述加速器电极被所述开关元件电连接到一个参考电位上的一个低能位置之间以机械方式移动。

17.根据权利要求1的带电粒子加速器，其中所述开关组件包括：分别与每个所述加速器电极耦合的二极管，其中所述二极管在所述高能模式中是反向偏置的并且电隔离所述加速器电极，而在所述低能模式中是正向偏置的并且把所述加速器电极电连接到一个参考电位上。

18.一种在低能模式中用来操作所述的带电粒子加速器的方法，其中在包括用来产生高电压的高压电源和与所述高压电源耦合的加速器柱状物的带电粒子加速器中，所述加速器柱状物包括众多有用于输送带电粒子束的孔的加速器电极和接在所述加速器电极之中的毗邻电极之间用来在所述加速器电极当中分配所述的高电压的电阻器，所述方法包括下述步骤：

禁止所述高压电源在低能模式中激励所述加速器柱状物；以及

在低能模式中把所述的加速器电极电连接到参考电位上。

19.根据权利要求18的方法，其中把所述加速器电极电连接到参考电位上的步骤包括把所述加速器电极与接在所述加速器电极的毗邻电极之间的活动的开关元件串联。

20.根据权利要求18的方法，其中把所述加速器电极电连接到参考电位上的步骤包括给与每个所述加速器电极耦合的二极管加正偏压，以便提供连接参考电位的传导路径。

21.根据权利要求18的方法，其中把所述加速器电极电连接到参考电位上的步骤包括把所述加速器电极电连接到接地。

22.根据权利要求18的方法，其中把所述加速器电极电连接到参考电位上的步骤包括把所述加速器电极电连接到负电压上。

23.根据权利要求18的方法，其中把所述加速器电极电连接到参考电位上的步骤包括把导电的切换棒横向移动到与所述加速器电极进入电接触。

Images