CN1964594A - 一种直流放电原子束源 - Google Patents

Abstract

本发明属薄膜材料制备技术领域，具体为一种用于薄膜材料合成的直流放电原子束源。它由阴极、阳极、阴极基座、阳极法兰、阴极法兰、圆柱形石英玻璃筒和电磁铁组成。阴极法兰和阳极法兰固定于石英玻璃筒上下两端，阴极安插于阴极基座下端，阴极基座贯穿阴极法兰中轴，上下可调。阳极为中空，尖端为原子束引出孔，阳极设于阳极法兰的下沉洞孔中。阴极与阳极间距为0.5－1.5厘米可调。本原子束源放电稳定性好，可产生多种气体的原子束；原子束强度大，弧光放电可达10^18－21，辉光放电可达10^15－18。而且使用寿命长。可用于薄膜制备，材料表面的氮化、氧化处理，也可以用于原子分子物理研究。

Description

一种直流放电原子束源

技术领域

本发明属薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种用于薄膜材料合成的直流放电原子束源。

背景技术

自从美国加州大学E.L.Knuth及其合作者在1969年初用弧热喷射束源技术成功产生氦原子束以来，已有几个研究小组对这种能够产生高密度、低能量、高方向性中性原子束的束源进行了研制；其中美国爱荷华大学的K.R.Way等人用弧热束源在氩弧中分解氢气，产生原子态氢束；美国STEVENS技术研究所的E.C.Samano等人对Way等人的弧热束源进行了改进在用纯氢气产生氢原子束；只有美国德克萨斯大学Austin分校的R.B.Berstein的研究小组用弧热束源在氩弧中分解氮气，产生了原子态氮束。最近，爱尔兰都柏林大学的M.Rahman等人用一种平面束源技术产生的较高能量(2000电子伏)氩/氮混合束对材料表面进行氮化处理，但这种束源无论在结构还是原子束特征都与以上弧热喷射束源完全不同。以上弧热喷射原子束源的研制目的主要是为原子分子物理的研究提供有效的手段，为了保证起弧和放电的稳定只能够采用惰性气体或分解能较小的氢气，产生氮原子束必须在放电稳定的惰性气体中掺入较少比例(一般在20％左右)的氮气。另外，由于放电电流较大(80-150安培)和阳极材料采用熔点较低的铜，阴极和阳极的寿命都较短，特别是铜制阳极，每使用一次，就必须更换；由于放电过程中的烧蚀较严重，产生的原子束中含有较多的阴极和阳极材料的成分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种放电稳定性好、能使用多种不同气体的新型直流放电原子束源。

本发明提出的直流原子束源，其结构如图1所示，它由阴极1、中空极阳极2、阴极基座3、阳极法兰4、阴极法兰5、圆柱形石英玻璃筒6和电磁铁7组成。其中，阴极法兰5和阳极法兰4分别位于圆柱形石英玻璃筒6的上部与下部，上、下法兰之间由4根螺杆8固定，螺杆8与阴极法兰5和阳极法兰4之间有绝缘层，以确保上、下法兰之间绝缘，阴极法兰5上设有进气通道11，另外还接有气压表；阴极基座3的上部中心为圆柱形洞孔，便于流通冷却水，下端部半球形，且半球形顶点处(轴线上)设有阴极孔，供阴极1插入固定，阴极基座3沿阴极法兰5的中心轴线贯穿，一端伸入原子束源内部，且上下位置可调；阴极2的顶部为圆锥台形，后部为直径小于圆锥台的圆柱体，该圆柱体部分插入阴极基座3下端的阴极孔内固定；阳极法兰4也为阳极基座，其中心部位为中空圆柱形，底部设有一个下沉孔，中空阳极2为筒状，下端部为中空圆锥体，圆锥体顶端为原子束引出孔。阴极2嵌入阳极法兰4底部的下沉孔中。电磁铁7设置于阳极法兰4的中空圆柱体的外侧，电磁铁7和中空圆柱体之间设有冷却水通道12；阴极1的尖顶与阳极2上部表面的间距为0.5-1.5厘米，可调。

本发明中，阴极基座3和阳极法兰4可采用紫铜材料制作，阴极法兰5可采用不锈钢材料制作，阴极1可采用含有1.5-3％钍的钨制作，中空阳极2采用纯钼制成。

本发明中，伸向原子束源外面的阴极基座3接电源负极，阳极法兰4接地；电源采用并联双电源，其中一个电源为辉光放电阶段供电，另一个电源为弧光放电阶段供电。

本发明提出的用于薄膜材料合成(也可用于原子分子物理的研究)的高强度弧热喷射原子束源，改进了该型原子束源内外部结构和工作方式，采用了双直流电源供电，提高了各种气体环境下放电的稳定性，可使用的气体除了惰性气体和纯氢外包括纯氮、纯氧及不同配比的氮氢有机气体的混合气；并减少了阴极和阳极材料的烧蚀。

本发明的工作原理如下：

本发发明的原子束源可根据不同的要求工作在弧光和辉光两个放电区域，弧光放电的起弧方式采用辉光放电向弧光放电过渡，起弧过程如下：在20乇附近气压下，用电源一将放电电压加到200-300伏(不同气体会有差别)，辉光放电启辉；增加供电电压，此时放电电压在100-200伏间基本保持稳定，放电电流逐渐增加到500毫安；然后将电源二的供电电压加到200-300伏(不同气体、不同阴阳极间距会有差别)，逐渐增加气压，辉光放电区域逐渐集中到阴极锥尖下方，至80-150乇时(不同气体、不同阴阳极间距会有差别)，辉光放电转为弧光放电，此时放电电压迅速降低至50-55伏，放电电流迅速升高到7.5-10安；增加电源二的供电电压，放电电流可增加到15安。

在辉光放电启辉后，通过调节供电电压，可以根据需要将放电电流稳定在100-500毫安范围的任意值附近，气压可以在10-100乇范围内调节，再通过选用不同直径(0.5-2毫米)原子束引出孔，调节引出束中原子束强度。放电电流越大，原子束强度越高；气压越高，引出总束流越大，但总束流中原子/分子比越小；引出同等大小总束流，引出孔直径越大，气压越低，原子束强度越高；而总束流越大，真空室气压越高；可根据实验需要安排这些参数。在弧光放电起弧后，同样通过调节供电电压，可以根据需要将放电电流稳定在7.5-15安范围的任意值附近，气压可以在15-380乇范围内调节，再通过选用不同直径(0.5-1.5毫米)引出孔，调节引出束中原子束强度。放电电流越大，原子束强度越高；气压越高，引出总束流越大，但总束流中原子/分子比越小；引出同等大小总束流，引出孔直径越大，气压越低，原子束强度越高；而总束流越大，真空室气压越高；可根据实验需要安排这些参数。

本发明的优点主要如下：

(1)可产生纯氮、纯氧及不同配比的氮氢有机气体的混合原子束；

(2)原子束强度大，弧光放电可达10^18-21，辉光放电可达10^15-18；

(3)束能量0.5-2.5eV，较适合材料合成；

(4)起弧方式采用双电源供电辉光放电向弧光放电过渡，既简化了装置，又降低了电源成本；

(5)由于采用阳极下沉式结构和双电源供电，放电极为稳定；

(6)阴极和阳极阴极寿命长。在弧光放电工作模式下，阴极和阳极材料的烧蚀极少，阳极无需更换，阴极使用寿命由几小时延长到100小时以上；在辉光放电工作模式下，阴极和阳极都没有烧蚀，无须更换。

(7)采用透明石英筒身，可直接观察放电情况；

(8)还具有结构简单，操作方便。

本原子束源主要用途如下：

(1)用于脉冲激光溅射沉积和离子束溅射沉积合成氮化物薄膜的氮原子束辅助；

(2)用于化学气相薄膜沉积；

(3)用于材料表面氮化和氧化处理；

(4)用于原子分子物理的研究。

附图说明

图1为本发明原子束源结构。

图2为弧光放电电流与气压的关系，其中d-阴极至阳极间距。

图3为弧光放电原子平均动能与气压的关系。

图中标号：1-阴极，2-中空阳极，3-阴极基座，4-阳极法兰，5-阴极法兰，6-石英筒，7-电磁铁，8-固定螺杆，9-阳极孔，10-出射束，11-气体通道，12-冷却水通道。

具体实施方式

如图1所示，整个原子束源呈圆柱形，柱身是一个石英玻璃筒6，上部为阴极法兰5，下部为阳极法兰4，石英玻璃筒6和上、下部的阴、阳极法兰间采用0圈真空密封，上下阴阳极法兰由四根螺杆8紧固，每根螺杆都由一聚四氟乙烯套筒在上法兰将阴阳极法兰绝缘开；透明的石英玻璃便于观察放电情况和测量发射光谱；上部阴极法兰4由不锈钢制成，法兰中心处沿中心轴贯穿联接一根紫铜制中空圆柱形阴极基座3，阴极基座3上下可调，阴极基座3一端伸入原子束源内部，端头加工成半球形，半球形的顶点处有一深2厘米直径3毫米的孔(在中心轴线上)，阴极1由含2％钍的钨制成，顶部呈圆锥形，圆锥底部直径5mm，后部为较细圆柱形，圆柱直径为3mm，圆柱插入阴极基座34  半球形端头顶点的孔中，在阴极基座3侧面用两只沉孔螺丝固定，阴极1可更换；阴极基座3的另一端伸向原子束源外面，通冷却水。阴极基座上下4厘米范围内可调；下部阳极法兰也是阳极基座，由紫铜制成，阳极法兰中心为一个下沉孔，下沉深度20毫米，沉孔上孔直径30毫米，下孔贯穿，直径12毫米。阳极由纯钼制成，形状如筒状，钼筒外径12毫米，内径6毫米，嵌入阳极法兰中心孔，底部安装一个圆形阳极底片，底片由纯钼制成，厚3毫米，底片在钼筒内径区域加工成内圆锥形，底片中心(对应内圆锥的顶点)有一同轴小孔，小孔内径0.05-0.20厘米，长0.12厘米，此孔即为原子束引出孔。阴极尖顶至阳极筒上表面间距在0.5-1.5厘米范围可调。

伸向原子束源外面的阴极基座接电源负极，阳极法兰接地，电源采用并联双电源。电源一供电电压可加到600伏，电流可达到1安培，主要为辉光放电阶段供电；电源二供电电压可加到300伏，电流可达到20安培，主要为弧光放电阶段供电。

下面通过实施例进一步描述本发明，但不限于实施例的描述。

示例1弧光放电产生弧热氮原子束，原子束中原子/分子比达到33％，强度可达10²¹/弧度·秒。选用孔内径为0.05厘米的阳极底片，阴极尖顶至阳极筒上表面间距调到0.6厘米。工作前，先通冷却水，然后通入纯氮气；在20乇附近气压下，用电源一将放电电压加到240伏左右，辉光放电启辉；增加供电电压，此时放电电压在155伏上下基本保持稳定，放电电流逐渐增加到500毫安；然后将电源二的供电电压加到240伏，逐渐增加气压，辉光放电区域逐渐集中到阴极锥尖下方，至105乇附近时，辉光放电转为弧光放电，此时放电电压迅速降低至50-55伏，放电电流迅速升高到7.5-10安；增加供电电压，放电电流稳定在12-13安培。

示例2辉光放电产生高活性氮氢甲烷混合束，混合束中原子/分子比达到80％以上，强度可达10¹⁹/弧度·秒。选用孔内径为0.2厘米的阳极底片，阴极尖顶至阳极筒上表面间距调到1.0厘米。工作前，先通冷却水，然后通入氮氢甲烷混合气体；在20乇附近气压下，用电源一将放电电压加到240伏左右，辉光放电启辉；增加供电电压，此时放电电压在150伏上下基本保持稳定，放电电流逐渐增加到500毫安，保持稳定。

本发明原子束源性能指标如下：

辉光放电：

产生原子束：纯氮、纯氧、纯氢及不同配比的氮氢甲烷和其它混合气体

原子束强度：10^15-18/弧度·秒

原子束平均动能：150-200电子伏

起辉电压 200-300伏

辉光放电电压 150-200伏

辉光放电电流 0.1-0.5安

阴极寿命：无烧蚀痕迹，无需更换。

阳极寿命：无烧蚀痕迹，无需更换。

弧光放电：

产生原子束：纯氮、纯氢及不同配比的氮氢甲烷和其它混合气体

原子束强度：10^17-21/弧度·秒

原子束平均动能：0.5-2.5电子伏

弧光放电电压 50-55伏

弧光放电电流 7.5-10安

阴极寿命：烧蚀很小，可使用100小时以上。

阳极寿命：烧蚀极小，无需更换。

Claims (3)

1、一种直流原子束源，其特征在于由阴极(1)、中空极阳极(2)、阴极基座(3)、阳极法兰(4)、阴极法兰(5)、圆柱形石英玻璃筒(6)和电磁铁(7)组成，其中，阴极法兰(5)和阳极法兰(4)分别位于圆柱形石英玻璃筒(6)的上部与下部，上、下法兰之间由(4)根螺杆(8)固定，螺杆(8)与阴极法兰(5)和阳极法兰(4)之间有绝缘层，以确保上、下法兰之间绝缘，阴极法兰(5)上设有进气通道(11)，另外还接有气压表；阴极基座(3)的上部中心为圆柱形洞孔，便于流通冷却水，下端部半球形，且半球形顶点处设有阴极孔，供阴极(1)插入固定，阴极基座(3)沿阴极法兰(5)的中心轴线贯穿，一端伸入原子束源内部，且上下位置可调；阴极(2)的顶部为圆锥台形，后部为直径小于圆锥台的圆柱体，该圆柱体部分插入阴极基座(3)下端的阴极孔内固定；阳极法兰(4)也为阳极基座，其中心部位为中空圆柱形，底部设有一个下沉孔，中空阳极(2)为筒状，下端部为中空圆锥体，圆锥体顶端为原子束引出孔，阴极(2)嵌入阳极法兰(4)底部的下沉孔中；电磁铁(7)设置于阳极法兰(4)的中空圆柱体的外侧，电磁铁(7)和中空圆柱体之间设有冷却水通道(12)；阴极(1)的尖顶与中空阳极(2)上部表面的间距为0.5-1.5厘米，可调。

2、根据权利要求1所述的直流原子束源，其特征在于阴极基座3和阳极法兰(4)采用紫铜材料制作，阴极法兰(5)采用不锈钢材料制作，阴极(1)采用含有1.5-3％钍的钨制作，中空阳极(2)采用纯钼制成。

3、根据权利要求1所述的直流原子束源，其特征在于伸向原子束源外面的阴极基座(3)接电源负极，阳极法兰(4)接地；电源采用并联双电源，其中一个电源为辉光放电阶段供电，另一个电源为弧光放电阶段供电。

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