CN1875668A - 控制电子回旋共振(rce)等离子体中电子温度的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制RCE等离子室(1)中的电子温度的设备。该设备包括至少一个位于能量大于一预先确定的能量的电子路径上的调制器(100)，以便形成这些电子的障碍。本发明用于离子源和等离子机。

Description

控制电子回旋共振(RCE)等离子体中电子温度的设备

技术领域

[01]本发明的一般技术领域为在等离子室——如RCE离子源或等离子机中产生多电荷离子流的技术领域。本发明还特别涉及用于控制RCE等离子体中的电子温度的设备。

背景技术

[02]电子回旋共振(“RCE”或英文“ECR”)的“离子源”的作用是一方面产生从μA到mA的离子强度，另一方面产生一个宽的电荷状态范围。这些电子源的使用者实际上要求几个mA的弱电荷离子，如B¹⁺到B³⁺(作为植入体)，大约1mA的中等电荷的离子，如Ar⁸⁺、Ar¹²⁺或Pb²⁷⁺(提供给核物理加速器)，和一些具有非常高的电荷的几个μA的离子，如Ar¹⁶⁺、Ar¹⁷⁺或Ar¹⁸⁺(提供给核物理或原子物理加速器)。

[03]RCE“等离子机”的作用是产生没有从机器中抽取的离子。例如这些离子用于形成基质上的材料沉积。

[04]在RCE等离子室中，等离子体(离子和电子整体)被封闭在置于两个磁场重叠产生的磁位形中的封闭区域中，两个磁场一个为轴向，另一个为径向，以避免等离子体的逃逸。等离子体的所有电子在磁力线上振荡，这些磁力线很容易通过不同的代码进行计算(例如见A Girard et al.的文章，题目是“Electron Cyclotron Resonance Ion Sources：Experiments andTheory”，Actes du 12ème Séminaire International sur les sources d’IonsECR，25-27 avril 1995，Riken，Japon)。

[05]为了产生q⁺电荷的离子，等离子RCE使用原子重复“剥裂(l’épluchage)”的原理，这种削裂导致这些原子与高能电子之间的碰撞。人们从经验计算出这些电子需要的能量应该大约等于离子X^(q-1)+电离电位的三倍。例如，氩原子的电离电位为16eV，产生Ar⁺离子的最佳电子能量约为100eV；为了产生Ar⁸⁺离子，电子应具有大约500eV能量的电子，而为了产生Ar¹⁸⁺离子，电子应该具有大约15keV的能量。

[06]由于使用者需要的离子强度始终是增加的，因此需要改进RCE离子源。为此已经探索了几种方式：

[07]—增加电子的加热频率：因此根据等离子物理方面熟知的定律增加等离子体的电子密度；

[08]—优化等离子体的电子和离子的封闭：已经进行了许多工作，例如见S Gammino et al.的文章，题目是“Operation of the Sersesuperconducting ECR ion source at 28GHz”(Review of ScientificInstruments，vol 72，n°11，p.4090，novembre 2001)；该文章中叙述了与等离子体的封闭有关的比例定律；

[09]—优化微波的注入：例如见专利FR 2 681 186；

[10]—通过注入一种比要电离的气体更轻的气体降低离子的温度(气体混合技术)：见A Drentje的文章，题目是“Techniques to improve highlycharged ions output from ECRISs”(Actes du 15ème SéminaireInternational sur les sources d’Ions ECR，Université de Jyviskyt，Finlande，juin 2002)。

[11]已经进行了电子温度T_e的测量。该温度表明(例如见上述A Girardet al的文章)，在RCE等离子体中，同时存在一“非常热”(T_e＞50keV)的电子群、一“热”(1keV＜T_e＜50keV)电子群、和一“冷”(T_e＜1keV)电子群。实际上，在一RCE等离子体中，只有温度低于20keV的热电子是有用的(例如，为了得到离子Ar¹⁸⁺，正如上面指出的，必须具有大约15keV的电子)。但是在RCE等离子体中，常常得到能量大于100keV的电子；由于它们的能量大大高于最佳能量，这些电子是完全无效的。

发明内容

[12]因此本发明涉及RCE等离子室，其包括一封闭区域，该封闭区域在由两个磁场叠加产生的磁位形中，所述两个磁场一个为轴向，另一个为径向，其中电子路径的位形取决于所述磁位形，该等离子室的特征在于，其包括至少一调制器(100)，它的位置和形状根据所述磁位形选定，以便所述调制器(100)形成对能量大于一预定能量的电子的阻挡。

[13]因此，根据它们在等离子室中的位置以及它们的形状，这些调制器使或多或少具有高能量的电子停止，在这些电子的路径上设置障碍，这样可以减少被判定为太热的电子的数量，甚至完全消除这些电子。特别是，可以通过用符合本发明的调制器覆盖等离子室中一个或大或小的区域确定它所阻挡的电子能量范围。

[14]由于本发明，使得可以控制电子的温度，使该温度与有关电子的电离电位吻合。另外，等离子体的离子或电子接触调制器时产生低能(几个eV)二次电子；这些电子立即被加热，并有助于电离过程。

[15]根据本发明的特殊特征，所述调制器(100)的位置和数量根据所希望阻挡的电子的能量和数量选定。

[16]由于这些设置，可以在或多或少的数量上消除不需要的电子。

[17]根据本发明的其它特征，构成这些调制器(100)的材料根据它们在承受与高能电子碰撞时产生二次电子的能力选定。

[18]实际上，根据用于这些调制器的材料，这样产生的二次电子的数量和能量可能或大或小。因此可以计量这些二次电子对离子产量的作用。

[19]根据本发明的另一些特征，所述调制器(100)包括至少一有效部分(7)和一包围等离子体的环形体(6)。

[20]因此得到一坚固的设备，并且该设备可以根据涉及的磁位形很方便地使所述有效部分处于可能的最好位置。

[21]本发明还涉及一RCE离子源和一RCE等离子机，该RCE等离子机有利地包括上面简要叙述的等离子室中的任何一个。

附图说明

[22]通过阅读下面对作为非限定性实例给出的特定实施方式的描述，本发明的其它思路和优点得以体现。该描述参照如下附图进行：

[23]—图1是等离子室的剖面图；

[24]—图2a和2b是一装有符合本发明的调制器(modérateur)的等离子室的剖面图，该调制器位于该室的一没有等离子体的区域，所述剖面图示出两个形状不同的调制器；

[25]—图3是一装有一符合本发明的调制器的等离子室的剖面图，该调制器位于等离子逃逸区；

[26]—图4是一装有一符合本发明的调制器的等离子室的剖面图，调制器位于该室的热等离子区；

[27]—图5是一符合本发明的调制器结构的实例；

[28]—图6是一装有图5所示的调制器的等离子室的透视图。

具体实施方式

[29]现在描述本发明的不同实施例。

[30]正如上面指出的，一RCE等离子室的磁构形(profil magnétique)由两个磁场(轴向和径向)的叠加给出。这些磁场的结构决定等离子体的形状，因此根据有关的应用选择磁场的结构。例如，当力求尽可能使等离子体为柱形时，建立一有2n极的径向磁场；因此电子在其中流动的区域为一有n个分支的星形。

[31]图1是一通过六个磁极2a-2f得到的径向封闭情形下的等离子室1的剖面图(在该情形中，电子在其中流动的区域(未出示)具有一呈三个分支的星形形状)。

[32]特别是，在等离子室1中区分出三个类型的区域：

[33]—等离子体的中心区3(主要包括“热”电子和“冷”离子)，

[34]—等离子逃逸区4，和

[35]—无等离子区5。

[36]需要指出的是，可以在所有这些区域——其中包括无等离子区5中找到非常热的电子。

[37]正如上面指出的，现在具有根据有关应用确定电子路径(以及等离子体的整体形状)所需的理论工具；实际上可以按下述方法进行：

[38]a)计算轴向磁场和径向磁场的位形(configuration)；

[39]b)计算合成的磁场位形；及

[40]c)得到电子到达RCE等离子体中时包围电子的磁力线包络(enveloppe)。

[41]一旦这样确定了电子路径，就可以确定符合本发明的调制器要求的位置、形状和材料。

[42]图2a和2b是一等离子室1的剖面图，该等离子室装有一位于等离子室的无等离子区5的调制器100，两个调制器的形状不同。图2b的比较宽的调制器形状可以在一较高数量的路径上阻挡电子。

[43]图3是一装有一位于等离子逃逸区4的调制器100的等离子室1的剖面图，图4是一装有一阻挡等离子室中心区3的调制器100的等离子室1的剖面图。

[44]图2a、2b、3和4中，作为例子，只有一单一的调制器100。但是在许多情况下需要使用几个调制器100，以便得到需要的电子温度。特别是，当径向磁场由2n个极构成时，最好调制器100配备n个有效部分7，其中每个部分分别位于电子路径形成的n个分支的其中一分支上。

[45]另外需要指出的是，尽管在整个等离子室1中存在高能电子，但显然它们的浓度在中心区3最大，这里等离子体的温度也最高。因此，为了使调制器100的效率最佳，力求使调制器尽可能靠近这个中心区3，但需要考虑调制器100的结构能够承受的温度。

[46]图5表示一符合本发明的调制器结构的例子，该调制器用于放在一包括六个极的磁位形的等离子室中。该结构包括三个有效部分7，其中每个部分的形状为柱形杆，用于径向位于等离子室1的一横向平面中。杆的一端指向等离子室的中心区3，但另一端固定在一用于包围等离子体的环形体6构成的调制器100的另一部分上。

[47]根据另一实施例(未示出)，调制器100的有效部分7在机械保持末端处固定在一中间部分上，该中间部分本身固定在一在上一实施例中使用的环形体6上。例如中间部分可以由一支撑杆构成，而所述有效部分7——其可具有一杆、盘、甚至是一球形的形状——安装在这个支撑杆的端部。

[48]环形体6应有足够的厚度，以便保证有效部分的保持有足够的刚性，但是厚度不应太大，以避免干扰等离子体。例如，对一直径为l00mm的等离子室，一2mm至5mm的厚度一般是适当的。

[49]本领域技术人员根据在非常热的电子撞击在这些有效部分7上时所需的二次电子(électrons secondaires)的产率，选择尺寸或大或小的有效部分7(例如图5中的杆的直径)；这样产生的二次电子一般是冷电子。如果发现例如存在数量非常大的热电子，则增加有效部分7的尺寸。

[50]需要注意的是，运行时，有效部分7更靠近等离子体的中心区3的端部在接触时被侵蚀，因此它的形状受到影响。例如，如果一构成有效部分7的杆的端部开始是平的，并且等离子体a在这个端部处具有一凹入形状，杆的端部随着运行也具有凹入形状。

[51]构成调制器100的不同部分可以用不同的材料制成。

[52]显然，环形体6应由在运行过程中没有破裂危险的材料制成；另外，这些材料最好不释放气体。例如环形体6可以由金属或陶瓷(例如氧化铝或氧化锆)制成。

[53]如果使用中间部分，例如支撑杆，这些杆将承受与环形体6相同的材料应力。

[54]最后，有效部分7最好能够承受等离子体中存在的高温(而调制器100的其它用于机械支撑有效部分7的部分，一方面远离等离子体的热的部分，另一方面在一定程度上受到这些有效部分7的保护，因此在这方面要求的预防措施比较少)。有效部分7最好由一种耐火材料制成，如钨、钽、或钼，但是也可以由陶瓷(如氧化铝、氧化锆或氧化钍)制成，甚至还可以完全是金属的。

[55]根据为调制器选择的材料，非常热的电子碰撞时产生的二次电子的数量和能量是不同的。因此本领域技术人员在必要时经过现场试验后选择适合其需要的材料。

[56]图6是六极径向封闭的等离子室1的透视图，该等离子室装有一定数量的图5所示类型的调制器100。正如在图6中看到的，杆7在区域8、8’、8”中，不希望的电子在该区域8、8’、8”中流动。

Claims (11)

1.RCE等离子室(1)，其包括一封闭区域，该封闭区域在由两个磁场叠加产生的磁位形中，所述两个磁场一个为轴向，另一个为径向，其中电子路径的位形取决于所述磁位形，

该等离子室的特征在于，其包括至少一调制器(100)，它的位置和形状根据所述磁位形选定，以便所述调制器(100)形成对能量大于一预定能量的电子的阻挡。

2.如权利要求1所述的RCE等离子室，其特征在于，所述调制器(100)的位置和数量根据所希望阻挡的电子的能量和数量选定。

3.如权利要求1或权利要求2所述的RCE等离子室，其特征在于，构成这些调制器(100)的材料根据它们在承受与高能电子碰撞时产生二次电子的能力选定。

4.如上述权利要求中任一项所述的RCE等离子室，其特征在于，所述径向磁场由2n个极构成；并且所述调制器(100)包括n个有效部分(7)，其中每个部分分别位于由电子路径形成的n个分支的其中一分支中。

5.如上述权利要求中任一项所述的RCE等离子室，其特征在于，所述调制器(100)包括至少一有效部分(7)和一包围等离子体的环形体(6)。

6.如权利要求5所述的RCE等离子室，其特征在于，所述有效部分(7)具有一柱形杆的形状，该柱形杆径向位于所述等离子室(1)的一横向平面中，所述柱形杆的一端指向所述等离子室(1)的中心区(3)，但另一端固定在所述环形体(6)上。

7.如权利要求5所述的RCE等离子室，其特征在于，所述有效部分(7)安装在一支撑杆的端部，所述支撑杆本身固定在所述环形体(6)上。

8.如权利要求1至7中任一项所述的RCE等离子室，其特征在于，至少一调制器(100)包括金属部分。

9.如权利要求1至7中任一项所述的RCE等离子室，其特征在于，至少一调制器(100)包括陶瓷部分。

10.RCE离子源，其包括如权利要求1至9中任一项所述的RCE等离子室。

11.RCE等离子机，其包括如权利要求1至9中任一项所述的RCE等离子室。

Images