TW200941535A - Ion source with filament electric discharge - Google Patents

Description

'200941535 '六、發明說明： 【發明所屬之技術領威】 本發明是有關於/種脈衝離子源及採用該離子源的裝 置，例如電漿產生器的領域。 【先前技術】 專利文獻US 3,156, 842涉及一種氣體離化器，其包括一 .空心電極，呈旋轉形；一杆形電極’沿著空心電極之轴向定 ❿ 位而且其橫截面比空心電極橫截面小很多；一裝置，可提供 - 氣體至與空心電極分離壓力很低的空間中；以及一裝置，可 使電子離開空心電極的末端。 人們也可以參考專利文獻US 3, 970, 892 ’ US 4, 025, 818 ’ US 4, 642, 522，US 4, 694, 222，US 4, 910, 435 和 FR 2 591 035。 在電極呈現於燈絲的末端的情況下，彳艮難達成大尺寸、強 ❹ 且均勻的離子源。實際上，該放電係沿著燈絲形成不均勻地 並且係顯得不穩定。燈絲可能局部變得是熾熱的。放電室内 壁的内表面能夠顯見到其發射特性的變化。人們可考慮使用 多個沿放電室之軸向平行並聯的長燈絲。不過，那種情況 下，放電是沿著燈絲非均勻地發生的並且人們也遭遇與燈絲 膨脹及振動有關的一些機械方面的困難。如果使用垂直於放 電室之軸向所安裝的多個短燈絲，機械裝置就變得更複雜 了，尤其是因為存在了大量的氣密性及電絕緣的通道。人們 098100596 3 200941535 源，這將 可考慮給於每個燈絲分開供電 _ ^ 會需要多個供雷雷 使得設備的電氣妨明顯地複雜化了 此外，重置以形成岣勻又 。 難。 【發明内容】 〜的低壓放電所充滿的室係困 些缺 本發明的特別目的是克服上面提到的現有技術的 種大尺寸、均勻而又穩 特別是’本發明的目的在於提供— 定的離子源 燈絲放電之離子源包括一離子室，配備有内壁並建_ 用以容納離子化的氣體；該等燈絲，安裝在離子室中；和一 燈絲供電電源。該等燈絲係實t上彼此平行配置並且通過内 壁而連接到電源。至少第-燈絲通過第—内以連接電源且 至少第二燈絲通過與第-_相對㈣二㈣而連接電源。 本申請人實際上已經瞭解到，藉由離子室之相對侧所供電 的交叉式燈絲的燈絲電流供電可以大大地減弱氣體離子化 所產生磁場的負作用。達到幾百安培的電流產生相#高的磁 場，例如在燈絲一釐米的距離的約為千分之幾特斯拉（τ)的 等級，使得自由電子的迴轉半徑為G. G3顏的等級並因此低 於平均開放範圍。對於這樣-電子而言，則其不可能為離子 化氣體。交叉供電可以降低磁場約10_100的係數。 燈絲可以偶數安裝。燈絲的數目可以等於2,4, 6 8或1〇。 098100596 4 200941535 -在燈絲的數目大於或等於4的情況下，可提供可利用的燈 絲，使得一第一燈絲相鄰於複數個第二燈絲，並且一第二燈 絲相鄰於複數個第一燈絲。“相鄰”一詞可理解為表示最接 近的相鄰。 ' 在安裝四個燈絲的情況下，這些燈絲可具有以按照第一對 - 角線的燈絲及按照另一個對角線的燈絲之橫剖面正方形。四 • 個燈絲也可以佈局成一平面’第一燈絲和第二燈絲是交替 ❹ 的。在安裝六個燈絲的情況下’這些燈絲可為以交替第一燈 絲和第二燈絲的六邊形配置、矩形配置或者帶狀平面配置。 - 在安裝八個燈絲的情況下，這些燈絲可以藉由一大於在兩個 相鄰燈絲間的空間之空間所分開的兩組四個燈絲中配置成 固定間隔的長方形、八邊形、帶狀平面等等。 電源可組態成提供小於每釐米燈絲長度之1安培的電 流。促使了不均勻放電β © 在一實施方式中，燈絲平行於離子室的軸向。這些燈絲可 以平行於離子至的縱轴。穿越電氣氣密壁的數目是报少的q 在一實施方式中，燈絲平行於加速室的軸向。 兩個燈絲間的最小距離可以大於40(最好是50)倍的燈絲 直徑。因此得到在操作中每個燈絲的放電之確定獨立性。二 燈絲的振動、定位偏差或直線排列偏差會產生圍繞燈絲附近 的可忽略之放電燈絲的擾動。該等燈絲的直徑可以是相等 的0 098100596 5 200941535 離子室的最小内周長可大於一常數、離子室中燈絲的數 目、燈絲的直徑及離子室中所存在的氣體之原子量所表示之 參數的乘積。離子室的最小内周長可大於100倍的離子室中 燈絲的數目、燈絲的直徑及離子室中氣體之原子量之平方根 的乘積。因此而改進了放電的均勻性。 在一實施方式中，燈絲包含鎢（例如鎢合金）。這些燈絲可 以包含有一種熔點高於2000K的金屬。這些燈絲最好是用以 高溫的硬金屬調節物。 在一實施方式中，燈絲的直徑在0. 1-0. 5mm之間，最好在 0. 15-0. 3mm 之間。 在一實施方式中，在離子室中離子化的氣體壓力為 0. 5-100Pa(帕斯卡），最好是1-20帕斯卡。 在一實施方式中，離子化的氣體包含氦。 在一實施方式中，離子化的氣體包含氦和質量5%-25°/〇的 氖，最好在5-15%之間。改善了放電的空間均勻性。 在一實施方式中，燈絲的數量是由供電電源所提供的總電 流所決定的。 在一實施方式中，離子室橫截面周長是由燈絲的直徑、燈 絲的數目及離子室中所存在的氣體性質所決定的。 燈絲的供電電源可以是單一的。 在閱讀了對幾種作為非限制性實施例並用附圖加以描述 的實施方式詳細說明後，可更佳地理解本發明。 098100596 6 '200941535 · <： i實施方式】 正如圖1所示，離子源1包括：兩個連接室2; -配置在 該等連接至2之間的離子室3和一離子提取系統該離子 提㈣統4與利_子源1的躺有關。離子提取系統4 可包括允許以賦予高迷注入電子的加速室或放電室，例如 電子搶。已在相對端所配置之兩個離子室之離子室3通常 .呈現為加長的形狀。離子提取系統4可以相對於離子室3 ❹ 橫向安裝。 連接至2、離子室3和離子提取系統4形成一氣密性的殼 -體。該殼體可充滿稀有氣體，特別是氦、氖和/或氬。殼體 中的氣體壓力可以在〇·5帕斯卡與1〇〇帕斯卡之間，較佳的 疋壓力為1帕斯卡與2〇帕斯卡之間。 離子至3包括一密封的下部壁5，和兩個與連接室2所共 用的端壁6和7。在端壁6和7中設置有通孔8。離子室3 ❹包括一與離子提取系統4所共用的上部壁9。離子提取縫隙 10設置在壁9中，因此可以使離子室3與離子提取系統4 相通。在圖1上看不到的離子室3的前壁和後壁係為氣密的。 連接室2包括氣密的下部壁和上部壁係位於離子室4的下 部壁5及上部壁9的延伸處。連接室2的端部係藉由端壁 11和12所封閉。形成氣密殼體的該等壁可以不銹鋼或黃銅 製成，而且由於相對於離子室3内部的離子化之低内部壓力 及物理與化學特性’所以更普遍地任何金屬材料具有所要求 098100596 7 200941535 的機械強度。如有必要’可在賊體㈣上覆蓋其他金屬或 金屬合金層，例如鋁或鎳層。 離子室3包括複數個彼此平行的燈絲13 佳地為偶數。燈㈣係依據離子室3的主要尺較 換句話燈絲13係平行於離子室3的主軸。燈絲13係安 裝離下部壁5及上部壁9有-距離。在兩個相鄰燈絲13之 間的距離係小於燈絲13與下部壁5或上部壁9之間的距 離。燈絲13係通過離子室3之端壁6和7中所設置的通孔 8。因此這些通孔8形成為燈絲13的通道。在通孔8中，一 燈絲13保持與形成該等端壁6，7的材料之一距離小於1〇 倍的燈絲直徑。 離子室3可呈圓柱形或環形。在此情況下，燈絲13可以 藉由絕緣體以數個有規律分佈的支點來支撐。燈絲可以是多 棱角形的。 連接室2包括燈絲13的支承架。更具體地說，一燈絲13 在一端部是由一固定絕緣體14所支撐的，例如是以陶瓷為 基部的絕緣體係固定在連接室2之端壁11，12的内表面上。 基於此目的，在與燈絲13相對的一端，該燈絲丨3藉由一密 封絕緣體15所支撐，此絕緣體藉由所設置的通孔而穿過端 壁12 ’ 11。絕緣體15可同時確保一交叉電氣、燈絲13的 機械支撐以及氣密性的作用。交又電氣可以使燈絲13電性 連接到離子室3及連接室2的外部^此外，有一彈簧16可 098100596 8 .200941535 插=到燈絲13與絕緣體（最好是固定的絕緣體14)之間。誃 彈貫16安裝在連接室2中。此彈簧16可保證燈絲13 ^ 械張力。 的機 兩個相鄰的燈絲13藉由密封性絕緣體15來支撐，其中一 個安裝在端壁11上而另一個安裝在端壁12上。換句話說 •燈絲13是交叉供電的。在圖1上所示的實施方式中採用 配置為帶狀平面的四個燈絲13，從下面開始編號為行1 ❿灯3的燈絲係連接到穿過端壁11的絕緣體15。蝙號為行及 及灯4的燈絲13係由安裝在端壁12中的密封絕緣體a來 支撐。行1及行3的燈絲13藉由電纜17連成一體。行 及订4的燈絲13藉由電纜18連成一體。供電電源19可勺2 括一例如單—輸出2〇的輸出功率。該電源19的輪出2〇 ^ 經由電欖21連接到魏17並且經由電鏡22連接到電= 18 口此確保燈絲13的供電。此供電電源的配置是為I ❹供每個燈絲13中每釐米燈絲長度小於或等於—安培電济= 度的電流。例如呈現為電流環路狀的電流感測器23及24 可刀別安裝在電緵21及22上，以便測量該等電纜21及& 中所通過的和由燈絲13所消耗的電流。電流感測器a 24的輪出端連接到電源19的控制單元以便進行調整。及 燈絲的直徑可在〇 · 1 - 〇 · 5 nun之間。本申請人已瞭解至,, • ·3则1之間的直徑特別令人感興趣，例如0.2nun的 徑。兩個燈絲間的最小距離通常係大於40倍（最好是5〇倍） 098100596 9 200941535 燈絲的直徑。因此， ' 絲間的最小距離β ]對於〇. 2丽的燈絲的直徑而言，兩個燈 的，要適合於耐二燈絲13是用硬金屬或合金製成 人們可選# 是要耐5GG—20眶之間的高溫。

熔點鬲於 1900K，甚 jl 2000K 可包㈣温金屬，例如铸合金。屬合金。燈絲 離子至3的内周長大於或等於一常數、 13的數量、燈絲13的亩广 至3中燈絲 關的-未备沾、、似及與離子室3令氣體原子量有 關的參數的乘積。作為實例，對於 燈絲的氦離子源而士，田 直虹為0.02cm ^_113ein而&該内周長應大於⑽χ〇.〇2_χ I 3CID’_藉由3.—,5cm正方形截面積的離 混合氣體的纽下，原子量的麵參數可缺料=、、 氣體原子量加權平均值的平方根。 在圖1上所不的實施方式中，配至成帶狀平面的燈絲13 的數量是四個。作為一種變型例， … ^ ^ 燈絲13可女排成多個帶 狀平面，每一帶狀平面可包括四個燈絲。該等帶狀平面彼此 是平行的’並且可以配置相對於另—帶狀平面的—帶狀平面 的距離等於分關的帶狀平面中_燈絲的轉、或 比其猶微大-點的距離。在圖2的實施方式中，四個燈絲 13係配置成從橫截面觀看是正方形。燈絲的連接和 交叉的，在某方面來說，藉由安裝在端壁η中之密封性= 緣體15之被供電的燈絲係位於-對角線上而另外的燈絲13 098100596 10 .200941535 '則位於正方形的另一個對角線上。離子室3呈正方形截面。 在圖3上所示的實施方式中，燈絲的佈局與圖2的佈局類 似。離子室3呈圓形截面。在那種情況下，離子源1是通常 ' 的管狀或環形狀。 在圖4上所示的實施方式中，離子室3的形狀與圖3實施 • 方式的形狀相似。燈絲13的數量是兩個，其中一個連接到 • 由端壁11所支撐的密封性絕緣體15而另一個則連接到利用 ❹ 端壁12所支撐的密封性絕緣體15。燈絲13的供電係來自 於離子室3相對的端部。 - 在圖5上所示的實施方式中，離子室3是矩形剖面。離子 室3可具有平行四邊形的普通形狀。離子源1包括六個配置 成一個帶狀平面的燈絲。由端壁11供電的燈絲13與藉由端 壁12供電的燈絲13是交替的。在有六個燈絲並且又是普通 的管狀離子源的情況下，可以設計成六邊形之燈絲佈局。改 © 變一種形式，六個燈絲也可配置成兩個各有三個燈絲的帶 狀，每個帶狀都是平面的。 在圖6上所示的實施方式中，離子室3的總體形狀與圖5 所示的相似。離子源1包括八個燈絲13，它們被配置成兩 . 組，每組有彼此隔離開的四個燈絲，各組燈絲佈局成如圖3 所示的正方形。燈絲13還可以配置成一種有八個燈絲的帶 狀平面、兩組各有四個燈絲的帶狀平面或者成為八邊形。 在操作中，起動供電電源19並輸出持續時間（寬度）為 098100596 11 200941535 1-10微秒之間的脈衝，並且其峰值電流例如在1-1 OkV電壓 下為100-1000A(安培）之間。放電發生在可形成電極的燈絲 13與可形成另一電極的離子室3内壁之間。在氣體中的放 電產生離子例如He+。離子能通過縫隙10並且油離子提取系 統4進行處理。 人們擁有一種穩定操作的離子源，可產生均勻的離子流又 特別適合於大尺寸的要求、高離子流量的設備。 【圖式簡單說明】 圖1是一離子源的縱剖面的示意圖；以及 圖2至6是該等離子源的橫剖面的示意圖。 【主要元件符號說明】 1 離子源 2 加速室 3 離子室 4 離子提取系統 5 下部壁 6 端壁 7 端壁 8 通孔 9 上部壁 10 縫隙 11 端壁 098100596 12 .200941535 12 端壁 13 燈絲 14 絕緣體 • 15 絕緣體 16 彈簀 17 電緵 18 電纜 φ 19 供電電源 20 輸出 21 電纜 22 電纜 23 電流感測器 24 電流感測器

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Claims (1)

1. 200941535 七、申請專利範圍： 1. 一種燈絲放電的離子源（1)，其包括：一離子室（3)，配 備有下部壁，並且建構成可容納離子化的氣體；該等燈絲 (13)，安裝在離子室（3)中；和一燈絲供電電源（19)，其特 徵在於：燈絲（13)係實質上彼此平行並且通過内壁連接到電 源（19)，至少第一燈絲通過第一内壁而連接到電源，至少第 二燈絲通過與第一内壁相對的第二内壁而連接到電源。 2. 如申請專利範圍第1項之離子源，其中，第一燈絲鄰近 至少一第二燈絲。 3. 如申請專利範圍第1或2項之離子源，其中，供電電源 (19)的配置是提供每釐米燈絲長度小於1安培的電流。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之離子源，其中， 燈絲（13)係平行於離子室之軸向和/或加速室之軸向。 5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之離子源，其中， 在兩個燈絲之間最小的距離係大於40倍燈絲之直徑，最好 是50倍燈絲的直徑。 6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之離子源，其中， 離子室（3)的最小内周長係大於一乘積，其為一常數、離子 室（3)中燈絲（13)的數量、燈絲（13)的直徑，以及離子室（3) 中氣體原子量的表示參數的乘積。 7. 如申請專利範圍第6項之離子源，其中，離子室（3)的 最小内周長係大於100倍的離子室（3)中燈絲（13)的數量、 098100596 14 200941535 ‘燈絲（13)的直徑及離+ γ 積。 離子—原子量之平方根的乘 8. 如申請專利範_1至7項中任-項之 燈絲⑽包含-炼點高於2()峨的金屬。’其中’ 9. 如申請專利範圍第⑴項中 燈糊跑徑為。小。.5_之間，較佳地 之間。 · U. 3mm ❹1G.如”專利範圍第丨至9項中任—項之離子源，其中， -在離子室⑶内要離子化的氣體壓力& G 5_⑽帕斯卡之 間’較佳地在1-2〇帕斯卡之間。 11·如申請專利範圍第1至10項中任—項之離子源，其 中，離子化的氣體含有氦和5-25%的氖，較佳地是在5〜15% 之間的氛。

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