TWI604499B - 用於聚焦帶狀離子束之方法，用於同時產生分立離子束之質量分析對的方法，設備，及總成 - Google Patents

用於聚焦帶狀離子束之方法，用於同時產生分立離子束之質量分析對的方法，設備，及總成 Download PDF

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Description

用於聚焦帶狀離子束之方法，用於同時產生分立離子束之質量分析對的方法，設備，及總成 優先權主張
本發明為2011年3月17日首先申請之美國臨時專利申請案序號61/465,303。特此明確宣稱首先申請之優先權日期及合法權益。
本發明關於磁透鏡，其為藉由質量選擇期望離子以及聚焦之目的而施加於離子注入設備及系統中之帶狀離子束。在該等系統中，帶狀離子束及透鏡將理想地具有平面對稱，具寬度尺寸之不變截面，越過大於窄束尺寸許多倍之距離。
相關事實和歷史的思考
使用磁透鏡進行聚焦係習知且久負盛名；且 使用偏移磁四極透鏡以分離剛性差異之粒子(例如，級聯范氏加速器中之不同電荷狀態)在此領域眾所周知。
期望為離子注入諸如平板顯示器及太陽能電池之大基板之目的而藉由質量選擇來純化大帶狀離子束。可以一尺寸延伸及延長至任意尺寸之磁性裝置的期望特徵為產生之磁場應不具有此長度延伸之尺寸的部分。否則，隨著裝置以此長度尺寸延伸，產生所需場之所需安培匝數增加，存在通量洩漏從裝置流動之傾向，且裝置之尺寸及重量不便地長大。該些事件之任一者或二者的發生是不期望的；然而，該些不利因子持續重複出現且必須常規性補償-因為事實上目前習知使用該等尺寸延伸之磁場進行質量分離。
另一方面，平放於離子行進軌跡移動之平面中的磁場並未在該平面中直接引導任何有用的偏轉或分散。該等離子行進路徑之聚焦通常將發生於呈現場梯度時；且一重要範例為偶極磁鐵之傾斜入口及出口磁極間之聚焦的知名狀況，其中聚焦產生於邊緣場中[如Enge於若干發表中所說明，包括Septier及其主編之「帶電粒子之聚焦」，第2冊第4.2章203頁，A.P.(1967)；及A.P.Banford之帶電粒子束之運輸(Spon,1966)]。
相關習知技藝之事實建議
1.藉由類比玻璃透鏡之色差「如Sir Isaac Newton於「Opticks.，第四版，倫敦，1730」中所說 明」，離子及電子透鏡中之色差識別且被界定為透鏡之聚焦或偏轉強度隨著已知為「磁性剛度」之離子屬性的功能之變化，且其被界定為動量相對於電荷之比例。磁場中之離子偏轉與磁性剛度成反比。
為協助適當理解習知技藝建議，習知技藝圖1a顯示習知磁四極透鏡；及習知技藝圖1b顯示三重該等透鏡，經此離子束通過偏離中心。有關不同顏色光束經由交替聚焦及散焦透鏡通過偏離中心之狀況，差異磁剛度之離子束以不同方向離開透鏡。在此狀況下，期望束未偏轉但事實上經歷若干有用的聚焦。Eastham、Joy及Tait於1973年揭露使用此裝置[「核子儀器及方法」第117冊，495-500頁，1974]以分離相同動量之離子，但具有差異電荷。因而，將偏移四極磁透鏡用於從包含其他離子種類之束選擇特定質量之離子(質量選擇)，顯然為此技術之延伸，
此外，Aitken於2002年揭露具色差之聚焦裝置應用於分離帶狀離子束[詳Aitken，離子注入技術第14屆國際會議，448-451頁，IEEE，2002年]。注意指向習知技藝圖2a，其描繪設備首先以一方向、接著以另一方向剪切行進帶狀離子束(Aitken，2002)。藉由習知技藝圖2b顯示之側視圖描繪伴隨此類剪切效應之強聚焦，亦描繪於中平面上使用束闌以攔截多餘離子種類。注意亦指向習知技藝圖2c，其顯示具有不同磁性剛度之離子束的行進路徑，藉以展現潛在有用的質量分離屬性。
2.此外，已知微波離子源通常利用圓柱對稱螺線磁場。因而，例如在「Eaton Nova NV200」氧離子植入器中(1987年市售)，額外螺線管用以聚焦圓柱形離子束。在1990年，槽形孔徑用於IBIS科技公司之離子源的較新版本，並以市售「IBIS 1000」離子植入器出現。接著評估及正確地判定藉由螺線管修改為平面對稱造成之離子束的剪切量。
此效應係藉由Busch定理說明，其論述傳至通過二連續平面之帶電粒子束的角動量之量與通過參考平面之束之截面的磁通量中之改變成比例。然而，若行進粒子束未圓柱對稱，則此角動量表現為剪切效應。假定考量之離子束係以約50keV以上之能量使用，發現IBIS 1000離子植入器中之剪切顯著但可容許，但以較低能量其將具有不利影響。
基於行進帶狀離子束，以及基於具有平面對稱之對應磁性組件(相對於具有圓柱對稱者)--剪切、產生之偏斜軌跡、及離子通過軸向場之通路的組合有意義地修改聚焦屬性。從離子通過邊緣場之通路(其引發偏斜)及離子與螺線場之後續互動的組合產生聚焦。因而，在適當設定及維持之作業狀況下，有用的聚焦有時可顯示為行進帶狀離子束之後果剪切。
此處亦請注意的是使用相對螺線場(電子透鏡中避免影像旋轉的常見方法)可能用以減少行進帶狀離子束之剪切。在1990-1991技術方面，此可能的能力似乎 不值得增加帶狀離子束應用之複雜化。但基於過去20年的發展，使用帶狀離子束及較低能量已屬常見(若非真正的產業標準)；且在基本1990-1991系統概念上的多樣化改進已具有許多實際應用及顯著發展。
今天的真正技術需求及展望
在今天的技術中，大部分興趣已指向發展於刻意準備之帶狀離子束中從多餘或污染物離子種類分離期望離子種類之方法；同時，隨著該些帶狀束中之期望軸向尺寸及電流增加，將利用該等離子注入系統之新應用(諸如摻雜平板顯示器及製造大面積太陽能電池)。用於純化帶狀離子束之分析器裝置的範例已包括習知分析磁鐵，其於其主要尺寸之平面中彎曲行進離子束[詳例如美國專利No.5,350,925]；及修改之磁鐵，其於其較小尺寸之平面中彎曲行進離子束[詳例如美國專利No.7,112,789]。
A.分析大帶狀離子束之若干最近發展包括：佐籐窗框磁鐵總成，其包含正交配置於窗形軛內之二對線圈[美國專利公開案No.2008/0078956；美國專利No.7,528,390]；及美國專利No.7,326,941及No.7,902,527及其後續申請案中所說明之White & Chen帶狀離子束系統，均利用美國專利No.7,112,789中所說明之磁鐵形式。
如美國專利No.7,528,390中所說明，佐籐設備使用結合二對線圈之窗框磁鐵，每一者可分離激發以控 制二正交方向之偏轉。若此裝備被放大以允許通路實質上大於帶狀束，所需安培匝數量將與束主要橫向尺寸成正比成長-此違背本發明表達之目標。因而，佐籐設備無法或未滿足需求。
類似地，藉由美國專利No.7,326,941及No.7,902,527中White & Chen所說明之設備，且其利用美國專利No.7,112,789中所說明之磁鐵形式，將遭受相同缺點：任何束尺寸增加需要成比例地增加安培匝。此確實增加電力需求，且裝備重量將以更快速率成長，因為增加之鋼截面需要包含該更大裝置產生之益發增加的偏離磁場。
主要磁場組件與離子束之主要橫向尺寸對齊之所有該等裝置必定展現安培匝與束尺寸成比例增加及偏離磁場增加之雙缺點。
Chen & White設備內使用之其他磁性裝置(根據用於聚焦及控制離子束之均勻性及方向之美國專利No.7,105,839；No.7,078,713；及No.8,035,087)可為更大尺寸離子束而放大，因為其磁場未與束之主要橫向方向對齊-但其無法分離不同質量之束，或以帶狀離子束之橫向方向提供可縮放一維聚焦能力而未沿主要尺寸提供壓倒性多餘散焦效果。此並非其期望用途，且超過其結構及功能能力。
B.在此技術領域之其他作業已使用替代模型用於聚焦及控制行進離子束之均勻性及方向。僅描繪及代表若干其他嘗試以達成此目標：Aitken方法[離子注入技 術第14屆國際會議，448-451頁，IEEE，2002年]呈現用於根據六極磁鐵製造該等裝置之一概念模型；及Benveniste等人概念模型(美國專利公開案No.2010/0116983)，其引發平行套在一起之多個螺線管線圈之封閉框的結構設計及需求。以下呈現該些替代模型之每一者的總覽。
(i)Aitken方法已於以上有意義的詳細說明並分別藉由習知技藝圖2a、2b、及2c描繪。如Enge及Banford所說明(以上提及)，Aitken利用上升及下降橫向磁場中可用聚焦，同時最大可能量地剪切帶狀離子束而未將該束送回(詳圖2a)；並產生極突兀的內部聚焦，其本身降低該束品質。而且，應注意的是Aitken圖誇大束窄尺寸，且Aitken原始圖僅指出以全角擴展約1度接受束之能力。
在這個事實基礎上，且特別是因為Aitken裝置係在完全轉向該束周圍的邊緣上作業，若考量更實際之束角度，三階像差將嚴重地降低束傳輸品質-真正的實際束角度典型地為沿束窄尺寸之4度的全角度。因而，雖然Aitken方法可沿橫向方向延伸至任意度數而未增加安培匝需求，然而模型系統係以需要極小束尺寸及束角度擴展的方式作業；在建構上實質上更複雜及巨大；並需要多個線圈及電力供應。
(ii)Benveniste等人方法及模型系統傳送離子束通過螺線管線圈對；並採用鋼軛以將磁通量集中於束 內。值得注意的是螺線管線圈本身並非圓形；而是，螺線管線圈拉長以匹配帶狀束之形狀。
螺線管線圈已久用於聚焦電子束，且眾所周知的是在陰極射線管及電子顯微鏡中。此外，眾所周知的是使用相對螺線管對以達成聚焦而未旋轉束-事實上，此配對在達成高解析度是關鍵的。但螺線管線圈應用於高縱橫比帶狀離子束是最近的事；且如文中稍早在IBIS離子植入器之上下文中所說明，束之旋轉蛻變為剪切效應。因此不變的是，根據Busch定理螺線場必須引發角動量至束；因此，Benveniste等人方法及模型系統使用相對螺線管對以將未旋轉狀態恢復為行進離子束。
Benveniste等人發明處理以上文中識別之若干束之需要，但所揭露之方法及模型系統在許多主要特徵實質上不同，而且無法處理某需求或真正需要。該些差異及不足之處中最顯著者如下：
(a)Benveniste等人方法需要傳送離子束通過保持串聯之對齊螺線管線圈對中每一螺線管線圈之孔徑的空間體積。具體地，Benveniste等人表示「...每一螺線管線圈具有跑道組態界定離子束行進空間...」。
(b)因為在Benveniste等人裝置中每一螺線管線圈對必須個別完全環繞離子束，且真空室必須包含及容納行進離子束，未連帶拆卸真空系統本身則不可能拆卸Benveniste等人裝置。
(c)Benveniste等人系統無法輕易地與其他 裝置組合，諸如用於控制離子束之均勻性的設備，因為成對螺線管線圈組態排除導入其他多極繞組施加正交場至離子束行進之相同體積。
(d)Benveniste等人系統不包括且不允許使用永久磁鐵產生磁場。
結果，在今天的技術中，高度期望發現有效機制用於從行進帶狀離子束分離各種多餘離子種類，其中沿該束主要尺寸之行進通路的尺寸可延伸至任意程度；且不需施加與主要尺寸對齊之磁場。為此可增加：容易拆卸及服務；組合均勻性調諧(如所提及White及Chen專利中所說明)與聚焦及質量選擇功能之能力；及使用永久磁鐵以減少電力需求之能力。
本發明具有多個方面。
第一方面為一種設備，用於聚焦將橫向通過該設備相鄰處之行進帶電粒子束，該束方向實質上為直角(Cartesian)座標系統中之z方向，該設備包含：由鐵磁材料形成之實質上E形方塊基座，其暴露面呈現複數個分立及空間相離的平行隆脊及複數個插入及空間相離的平行凹渠，其中，該E形磁性方塊(α)尺寸上以x軸方向延伸大於將以接近距離通過之該行進帶電粒子束之該x軸尺寸的距離，且(β)該空間相離的平行隆脊及該插入及空間相離的 平行凹渠平放垂直於該帶電粒子束之該行進方向；以及磁場產生機制，其橫向配合入該E形方塊基座之結構並以x-z平面配置，藉由該機制產生之該磁場以y方向從該E形方塊基座之該暴露面垂直延伸。
第二方面提供一種總成，用於聚焦將橫向通過該總成之行進帶電粒子束，該總成包含：相對配置及對齊之預先形成之聚焦物件的匹配對，空間設定相互相離固定間隙距離，且其中，該行進帶電粒子束將以該z方向橫向通過該相對配置物件之匹配對間之該固定間隙距離的空間體積，其中，該匹配對之每一該物件包含由鐵磁材料形成之實質上E形方塊基座，且其中，暴露方塊面呈現至少三分立及空間相離的平行隆脊及至少二插入及空間相離的平行凹渠，且其中，該E形方塊基座(α)尺寸上以x軸方向延伸大於將通過接近其上z-x平面之該行進帶電粒子束之x軸尺寸的距離，且(β)該三空間相離的平行隆脊及該二插入及空間相離的平行凹渠平放垂直於該帶電粒子束之該行進方向；以及磁場產生機制，其橫向配合入該E形方塊基座之結構並以x-z平面配置，藉由該機制產生之該磁場以y方向從該E形方塊基座之該暴露面垂直延伸；以及機制，用於指引行進帶電粒子束橫向通過存在於該相 對配置物件對中每一E形方塊基座之該暴露面之間之該固定間隙距離。
1‧‧‧E形方塊基座
2、32a、32b、32c...‧‧‧長圓線圈
3‧‧‧平坦鐵磁板
5‧‧‧帶狀離子束
6a、6b‧‧‧線性側段
7a、7b‧‧‧彎曲端段
8‧‧‧障壁
10‧‧‧E方塊線圈組合
12、14‧‧‧凹渠
13、15、17‧‧‧隆脊
22‧‧‧微調線圈
32‧‧‧補充線圈
當結合附圖時，本發明可更加容易了解及更佳理解，其中：習知技藝圖1a顯示習知磁四極透鏡；習知技藝圖1b顯示三重該等透鏡，經此包含多個種類之離子束通過偏離中心；習知技藝圖2a描繪Aitken 2002設備，其首先以一方向及接著以另一方向剪切行進帶狀離子束；習知技藝圖2b描繪強聚焦之側視圖，其伴隨習知技藝圖2a中所示之剪切效應；習知技藝圖2c顯示具有不同磁性剛度之離子束的行進路徑；圖3顯示識別為包含本發明之設備版本1的物件；圖4a顯示識別為包含E方塊線圈組合、邊界板、束闌及解析孔徑之設備版本2的束質量分析器總成；圖4b顯示圖4a之相同設備，具增加之線圈對以允許準確調整x-偏轉至零；圖5顯示識別為包含一對朝向E方塊線圈物件、束闌、及解析孔徑之設備版本3的束質量分析器總成；圖6a顯示設備版本4之截面中的磁通量線；圖6b顯示版本5之截面中的磁通量線，其使用永久 磁鐵且無線圈；圖7a為通過設備版本4實施例之束之截面的透視圖；圖7b一堆接近離子軌跡之直接沿z軸的正投影視圖，並顯示場中偏轉之投影；圖8顯示沿z軸之磁場之z-部分的線圖；圖9a顯示作為聚焦裝置之設備版本3實施例的截面；圖9b顯示作為質量選擇裝置之設備版本4實施例；圖10為3動量之軌跡的數值模型，顯示質量、解析度；以及圖11顯示設備版本6實施例中，環繞每一E方塊線圈單元纏繞正交之複數線圈。
本發明為可達成二不同及高度期望之功能的設備及多單元總成：(i)帶電粒子束之聚焦；及(ii)從行進離子束中之多餘離子種類質量分離期望離子種類。該設備為簡單組織及易於製造之物件；為相對重量輕及較不昂貴製造；及較習知可用裝置易於安裝、對齊、服務、及操作。此外，其易於組合本發明之聚焦及質量分離能力與額外磁性功能，諸如藉由增加正交線圈之束均勻性的控制。
注意指向下列事實，在若干特定商業應用 中，需要離子植入器之作業系統以從不期望P++及P2 +離子以及從某其他離子污染物分離最多50keV P+；且其通常亦需從不期望B++、F+、及F++離子分離B+。最後作業需求通常為任何離子注入系統最迫切者。結果該等獨特質量分析器裝置之有效率耦合至高電流平面離子源將具有大基板之離子注入的大好處及主要優點，諸如平板顯示器及太陽能電池-尤其是可於相同空間內提供控制束均勻性之額外功能。
設備及其作業環境
藉由考量傳統離子注入系統，其中帶狀離子束係於真空室(或其他真空環境)中沿z軸方向行進，可最佳瞭解存在於本發明之每一實施例及替代格式中的無法預期特徵及獨特差異。
在該些習知作業環境中，帶狀離子束之主要橫向尺寸係沿x軸方向，且其最小尺寸係沿y軸方向。此外，行進帶狀帶電粒子束包含至少一期望種類離子，加速至期望能量，以及各式多餘離子雜質。
亦在此習知作業系統中，理想地呈現至少一結構設備或多單元總成以聚焦行進離子束，及/或從帶電粒子束中之多餘離子種類分離期望離子種類。為達成該些期望目標之任一者或二者，藉由圖3描繪包含本發明之必要E方塊線圈設備的一典型實施例。
E方塊線圈組合單元
如圖3中所見，製造之完整結構物件(僅需習知電源)為包含實質上E形方塊基座1及長圓形封閉線圈2之E方塊線圈組合10。每一該些結構組件係於以下標示細節中說明。
然而，最初此處咸信有助於識別藉由整體E方塊線圈組合呈現之更不尋常作業屬性及獨特特徵。
(α)作業單元並非螺線管線圈裝置-即其並未環繞所期望產生並施加磁場之體積。在E方塊線圈組合之任何實施例或格式中不存在螺線管線圈。
(β)整體E方塊線圈組合呈現暴露面，其產生有限寬度之正交延伸及可調整磁場；有限寬度之正交延伸磁場為空間交變磁性之一連串鄰近磁場的集體結果；且藉由改變線圈中之電流將可改變交變磁性之正交延伸鄰近磁場的強度。
(δ)歷經聚焦或離子分離之行進帶電粒子束於任何時間未通過任何線圈結構，或可於E方塊線圈組合之任何實施例或格式中呈現之任何多線圈配置。相反地，帶電粒子束之行進路徑總是橫向於E方塊線圈組合之暴露面並平放接壤與暴露面(及因而E方塊組合的整個外部表面)相鄰及平行但清楚分離之z-x平面對。
E方塊基座
具體地，E方塊基座1： (i)為具有暴露方塊面作為其向前方面及平坦外部表面作為其向後方面之預判定之尺寸的分立物件；(ii)為鐵磁材料製造-即鐵或任何其他磁鐵或金屬合金混合；(iii)具有段形式及暴露方塊面，其正面外觀實質上相似於字母「E」，其中二凹入空間通道12、14平行平放並藉由三不同及空間分離之棒形構件或隆脊13、15及17，其亦相互平行平放，界定其體積及通道尺寸；以及(iv)為預先形成之建構，其以x軸方向延伸跨越大於行進帶電粒子束之x-尺寸範圍的線性距離，該行進帶電粒子束一般係如薄片以z-方向通過E方塊基座之暴露面(及外部表面)。
長圓形封閉線圈
亦如藉由圖3所示，長圓線圈2為連續長度導電材料製成之單一實質上跑道形繞絲；且看似封閉循環狀實體，其包含二平行直線長度段，每一直線長度段大於帶電粒子束之x軸尺寸範圍，以及二彎曲端，每一彎曲通過180度。
如文中所採用，「長圓」乙字正確地識別及適當地說明封閉線圈2的期望形狀；且如文中所使用之「長圓」用詞被界定為封閉的幾何組態，其固定圓周具有平行直線側[諸如圖3中之各自線性側段6a及6b]，及實質上半圓端[諸如圖3中之各自彎曲端段7a及7b]。因而 典型格式為藉由正切於其端點之平行線連接之二半圓形成的固定組態。此組態之重要特徵為長圓形結構之圓周明確地具有平行側段；然而，並無嚴格需求端段因此為真正半圓。因而，例如長圓組態之二線圈端可各由二圓形象限及短直線段形成，或為任何其他拓樸類似建構，其彎曲通過180度且結構上結合二直平行側段以形成封閉循環狀圓周。
再者，將認同及瞭解的是封閉線圈之特定形狀預期及期望於準確組態略作改變以便符合個別製造標準及/或個別使用環境。然而，主要目標為排除磁場強度或形狀之任何顯著變化，在離子束之範圍作為x-座標之函數。
注意亦特定指向適當定位長圓形封閉線圈2-其總是及不變地橫向及平放於在預定y-座標之E方塊基座的x-z平面中-且其配置因而獨特。適當定位之封閉線圈2橫向配合入相鄰於及環繞中鋒隆脊15，且其餘完全在藉由E方塊基座1中之平行凹渠12、14對提供之空間體積內。該等封閉線圈2的橫向配合入及配置，剩餘部分環繞E方塊基座之z-x平面中的中鋒隆脊15，同時佔據凹渠12、14之空間體積；且封閉線圈係分別藉由二最外層棒形構件或隆脊13及17支撐而橫向定平行於z-x平面位。
而且，在藉由圖3顯示之特定實施例中，橫向配置之封閉線圈2完全佔據藉由E方塊基座中之平行凹 渠12、14對提供之整個可用通道空間及體積。然而，此完全佔據並非總是為真；在某格式狀況下，如藉由圖4b中所示之替代實施例所描繪，一個以上長圓形封閉線圈可同時佔據藉由E方塊基座中之平行凹渠12、14對提供之可用通道空間及體積。
正交延伸磁場
藉由任何習知及可控制機制提供可變電流並經由長圓形線圈2傳送至E方塊線圈組合10，藉此產生正交延伸磁場，其不僅環繞線圈之傳導材料亦藉由三不同及空間分離之隆脊13、15及17的鐵磁組成物成形；並集中於一般接近封閉線圈2之直線段之二暴露表面的空間。E方塊基座1中鐵磁結構的不同部分成為「北」及「南」磁極，取決於電流方向。
因而，在一電流方向，中鋒隆脊15之暴露面成為磁化為南極(S)，同時設於隆脊13及17之最外層各成為磁化為北極(N)。以此方式，E方塊線圈組合之暴露面整個看來呈現「N-S-N」系列分立磁極。然而，基於以其他方向流動之電流，該些極被翻轉，且E方塊線圈組合之暴露面整個看來呈現翻轉系列「S-N-S」磁極。
假定適當電流之電能量流動，三相鄰定位及通電磁化極之每一者獨立地產生有限寬度之正交延伸磁場；有限寬度之複數相鄰延伸磁場統合形成交變磁性之鄰近磁場；且交替極性之正交延伸鄰近磁場的強度將可藉由 改變電流而予改變以於E方塊線圈組合之暴露面上產生應需可調整及可控制磁場。
可選替代結構格式
將進一步理解的是，有關可選替代及取代如圖3中所示之封閉線圈2的使用，可將永久磁鐵或複數永久磁鐵導入E方塊基座結構--典型地藉由取代部分形成建構之鐵磁金屬或合金材料。
在該等替代格式中，最簡單之程序之一為以永久磁鐵材料形成之類似形狀的隆脊取代E方塊基座之中間隆脊或集中配置之棒形構件，其將平放且其磁化方向沿E方塊結構設計之y軸。因而，正如圖3中所示之真正封閉線圈格式，此永久磁鐵(或複數永久磁鐵)成為橫向整合於E方塊基座結構中；並類似地橫向平放位於關於二最外層配置之棒形構件(分別為隆脊13及17[圖3中])之z-x平面中。
亦將認同的是當使用該等永久磁鐵替代時，其產生相等之N-S-N或S-N-S極磁化，存在廣泛及各類不同橫向配置及可能方位。
安培定律表示H.dl=nI，其中於環繞攜帶電流「I」之n個導體的任何封閉路徑上採取磁場「H」之積分。考量映射磁場之磁性探針，探針沿以z軸移動之束離子的行進路徑通過本發明之場，接著通過離子的整個路徑，探針完成裝置之磁場外部的循環路徑，並返回起點。 若沿束之路徑的磁場整合，使用此概念方法，最期望整合之場的值為零，因為此將表示存在通過裝置之離子束的零淨剪切。Busch定理使傳至離子束之規範角動量有關軸向磁場中之改變。因而，藉由確保通過裝置之作業區的軸向磁場整合為零，亦可確保束之零淨剪切。因此，若不允許電流環繞該束，裝置則將零淨剪切及零淨角動量傳至離子束。
因此可以認為於該些替代結構格式中使用永久磁鐵是可能的，因為期望沿藉由E方塊基座界定之z軸的整合之磁場的值為零，此允許符合ʃH.dl=0之需求。通常，相較於來自螺線管之磁場，使用永久磁鐵不可能產生相等磁場--因為基於螺線管，沿該軸採取之H.dl=nI一貫為非零值。然而，在本發明中形成鮮明對比，沿束之行進軸的整合之場之值總是為零。亦請注意的是，在任何狀況下，存在沿z軸之局部場；但基於本發明，該些局部場對稱並於沿z軸完整發送中整合為零。
結果，不尋常的存在及於該些替代結構格式中使用永久磁鐵-以及配置及使用長圓形封閉線圈，其橫向配合入並平放於E方塊基座之z-x平面中-組成不同形式磁場產生機制，其橫向配置並成為跨越分析器設備之水平平面配置之整體結構的整合部分。
本發明之各式替代實施例
本發明可準備為不同總成之範圍並以各種不 同實施例建構。如以下所說明，該些實施例之範圍及種類僅分別藉由設備版本1-6代表。
設備版本1
如以上詳細說明並藉由圖3描繪之包含E方塊基座1及封閉長圓形線圈2的E方塊線圈組合10事實上為本發明之設備版本1。最值得注意的是，本實施例組成本發明之最基本單元及最簡單操作質量分析器單元。因此，質量分析器設備之所有其他版本及實施例利用及建構設備版本1之必要特徵及特定建構。
再者，有關本發明之設備版本1的適當期望使用，關鍵是要認同及理解如以上所說明之E方塊線圈組合建構10總是小心及刻意置於z-x平面中，z-x平面平行及相鄰於將通過之帶狀離子束5的行進路徑。因而，E方塊線圈組合10於任何時間將不完整環繞--因而同樣地無法完全環繞--行進帶狀離子束。
因此，當電流(已知大小)通過E方塊線圈組合建構10時，限制及控制離子束之行進路徑，使得束之離子橫向通過磁場區接著從E方塊線圈組合建構10之磁化極延伸。E方塊線圈組合之直線線圈段平放於預定y-座標之z-x平面中，且其行進路徑之整個距離的束之z軸通暢。此作業配置清楚地藉由圖3中出現之行進箭頭表示。
因而，基於沿特定方向通過封閉長圓形線圈 (具有一極性)之電流，行進離子束將以接近裝置之+x-方向偏轉通過小角度，並以通過裝置中心之-x方向偏轉；且將再次以離開質量分析器設備之+x方向偏轉。
x方向之淨偏轉小，並可經配置而加總為零。然而，亦發現存在遠離線圈之y方向之淨偏轉-特定束軌跡距線圈之距離愈大，此偏轉變得愈弱。以下討論此偏轉之原因。
y方向之偏轉小於x-方向之偏轉。此y方向偏轉之大小與線圈中電流的平方成比例。其總是朝向遠離線圈，且結果不同於x-偏轉，並未隨著束通過裝置而加總為零而是仍然存在。
對該些原因而言，束僅於y方向聚焦，且均未於x方向聚焦。可配置的是x方向亦無淨偏轉；以下提供細節。
由於係藉由磁場造成，偏轉量與離子之電荷成比例，並與束中離子之質量及能量的平方根成反比。但聚焦效應與偏轉及離子上之力的積成比例，因此與質量成反比。
根據基本原理及結構，若配置闌相鄰於期望束路徑，便可有意義地從期望或所需離子種類分離一或多種多餘離子種類(污染物)。然而，在該些使用環境中特別重要的是封鎖離子路徑通過距封閉線圈及鐵磁E方塊基座過大距離，其中場變弱且y-偏轉及聚焦因而減少。
設備版本2
藉由圖4a顯示作業總成之第二實施例，其利用以上所說明之基本設備組合平坦的鐵磁板3。鐵磁板3平放並類似地界定座標y=0之z-x平面。
在本實施例中，從設於y=y1之座標之E方塊線圈組合的暴露面與平坦鐵磁板3之暴露面的分離存在預判定之尺寸的固定間隙距離；且行進帶電粒子束橫向通過固定間隙距離之長度及通過其中呈現的延伸磁場。
延伸之磁場(藉由E方塊線圈組合產生)有效地以相對於其內部暴露表面或面的正確角度而終止於鐵磁板3。在平面y=0中，實質上沿x-方向或z-方向並無磁場部分。然而，在非零y座標，該些部分將出現。
如上述，行進離子束將以接近裝置之+x-方向偏轉通過小角度；並以通過裝置中心之-x方向偏轉；且將再次以離開質量分析器設備之+x方向偏轉(反之亦然)。所以引發以上所提及從沿x方向之離子運動的部分Vx產生之y-偏轉。
此外，在存在與y-座標成比例之z方向磁場部分Bz的改變磁場之區中，Bz係因為磁場基於z-座標改變而產生。藉由離子電荷乘以Bz及Vx之積提供沿(負)y方向之力，產生y-偏轉。
在藉由鐵磁板3及E方塊基座1之暴露面接壤的固定間隙中，0<y<y1，離子之y-偏轉與其和鐵磁板之距離成比例。圖4a顯示束闌4及包含障壁8之孔徑的配 置，如此配置以僅傳輸某離子種類。
此外，如圖4b中所示，設備版本2結構上允許可選包含小截面尺寸之一或多個額外長圓形封閉線圈22，其將橫向配置(在z-x平面中)圍繞E方塊基座之二最外層棒形構件或隆脊13及17之每一者。如其中所見，額外長圓形封閉線圈22之每一者係橫向配置於藉由具長圓形封閉線圈2之延伸側的E方塊基座中平行凹渠12、14對所提供之可用通道空間及體積內，並共用該通道空間及體積。因而，在多個封閉線圈配置中，橫向配置之中央封閉線圈2及橫向配置並設於額外封閉線圈22之最外層之每一者同時佔據E方塊基座1中平行凹渠12、14之可用通道空間及體積。
將理解的是橫向配置並設於額外封閉線圈22之最外層對係可選地呈現為結構機制，藉以製造(及/或維持)沿x方向之零值淨偏轉(藉由調整封閉線圈22中之電流強度及方向)，其為入口及出口處之正偏轉加上來自中央極之負偏轉的淨加總。認同的是淨偏轉可具有非零值，除非設備之中央區中之磁場使用該等額外長圓形封閉線圈22或經由允許淨x-偏轉準確地補償例如環繞項目1及2之單一薄大型矩形線圈的其他等效配置而良好平衡。
設備版本3
第三替代總成包含二分立及相同建構之E方塊線圈組合，如藉由圖5所示，其係平行放置在一起且成 對串聯相互相對平放，使得行進離子束路徑橫向通過其間。二個別線圈2各固定於此總成中之其本身E方塊基座中，以相同電流沿相同方向激發使得磁場從一E方塊基座之磁化極延伸至另一E方塊基座之相對極。
感興趣的是設備版本3之總成將作動不論相對極具有相同或相對極性；但為說明之目的，假定相對極將具有相對極性-其需要二線圈中之電流以相同方向環繞y軸流動。然而，對於電流相對之狀況而言，聚焦效應之衍生將不同。
此設備版本3建構可用於接近一線圈/方塊結構之單一行進束；或藉由二個別且幾乎平行之行進帶狀束，一束通過相鄰及接近線圈-方塊結構之每一者。二E方塊-線圈組合-儘管在物理接合或直接接觸中從未如此--相互磁吸引跨越間隙距離，經此行進束通過。
亦請特別注意的是：若設備版本3建構用於聚焦(如圖9a中所示)，那麼便不需使用束闌。另一方面，若建構將用於質量選擇[如圖9b中所示，但不顧線圈中電流流動方向之時刻-詳以下說明]，必要的是於若干時點封鎖經過中心之路徑，如藉由圖5中束闌3及/或4所示。允許通過接近中平面之離子將經歷幾乎無y-指引偏轉，且對該等離子而言，因而將不可能從污染物分離。
亦將認同的是藉由以上所說明之設備版本2提供的磁場形狀實質上與設備版本3之一半總成中存在之磁場形狀相同，如藉由對稱可見。磁場線可垂直於鐵磁板 之表面而進入或離開自由空間(除非其接近飽和)；因而，該板提供等同於設備版本3之對稱平面的邊界。再者，額外的封閉線圈22亦可有用的增加至設備版本3。
設備版本4
本發明之第四實施例極相似於以上所說明之設備版本3-除了一線圈中之電流翻轉以外，因而二分立線圈中之個別電流為相對電荷/極性。因此，在此設備版本4中，最顯著特徵為二分立E方塊線圈組合為相對磁化及相互排斥。
在此特徵之證據中，圖6描繪此幾何中之場線；且外部場於此幾何中最小化。此組態在性能及易於分析方面較佳；以及對於導體之直線長度而言，如此配置而在截面中係集中在矩形的頂點。對比於圖9a中所示之不同電流流動，電流之方向交替，如圖9b中所示，如圍繞矩形移動。
在本配置中，y-聚焦之起源亦存在差異。分別在設備版本2及3中，在對稱平面，磁場之z-部分為零，但橫向離子運動之Vx部分實質上不變，跨越特定z-座標的整個束厚度。
然而，在設備版本4中，情況改變：Vx運動現在隨y-座標改變，且在特定z-座標之磁場之z-部分實質上均勻跨越束寬度(但也不是完全如此)。然而，效應在y運動上非常類似。
最重要及獨特地，在任何該些結構總成及替代配置中，離子束均未通過線圈。習知地發生建構及事件--離子束之通路經過線圈-並非本發明之任何實施例之部分且從未發生。因此，並無本發明之實施例、格式、或配置被建構或採用作為螺線裝置。
設備版本5
設備之第五實施例可選地從建構省略線圈並以永久磁鐵取代E方塊基座中之部分鋼或其他鐵磁材料。然而，結構機制中之該等改變，藉由裝置選擇之磁剛度可不再快速調整。行進束之調整現在必須藉由改變跨越窄幅之組件間隔而予實施。
此替代版本基於以上所說明用於設備版本4之場方位而效果最好。設備版本3亦可，但無額外的封閉線圈22則難以控制淨y偏轉；且增加該等線圈而否定永久磁鐵之優勢。而且，對大尺寸束而言，供電線圈之電的成本可極顯著-所以若存在需要單一束種類之應用，永久磁鐵版本可顯著地更加有利。
設備版本6
第六實施例為總成，如圖11中所示，如其包括複數補充長圓線圈32a、b、c...，纏繞正交於線圈2並配置於每一鐵磁E形方塊基座1之外部表面。補充線圈32可藉由通過電流而予個別或成對激發(依據x-座標而 群聚)。相對補充線圈組通常將以相對方向激發。該些補充線圈可分別以任何設備版本1-5增加至每一E形方塊基座；但為求清晰，對於增加及呈現該等補充線圈至設備版本4之說明有限。
補充線圈對於先前說明之功能不具效果，因為其平放於正交平面；但藉由改變補充線圈中之電流，而將調變離子束之電流均勻性的能力疊加於先前說明之該些功能。此特定功能與美國專利No.7,078,713中所說明者相同，其說明以提及之方式併入本文。因而存在重量、空間、及功能之大經濟性-因為本發明之本實施例可提供聚焦、質量選擇、及控制單一裝置中之均勻性的組合。
各式替代實施例之綜述比較
以下提供綜述比較及實質性審查，整個看來其提供關於本發明之業者多點相關及材料資訊。此處呈現所說明細節之質及量以便認同及理解本發明之真正優點。
1.有關本發明，係以下列方式產生y-偏轉能力及y-聚焦屬性：因為在非接近封閉長圓形線圈之彎曲端的所有點，磁場平放平行於y-z平面；且該些磁場不可能傳達任何y-指引偏轉至帶電粒子，接著於y-z平面中行進。然而，即使輸入帶狀離子束可僅包含平行於y-z平面行進之帶電粒子，隨著該些粒子開始橫過磁場，磁場之y-部分以(正或負)x方向偏轉該些帶電粒子。
亦請注意的是，具磁場之z-指引部分之區中離子運動之x-指引部分將產生y-指引偏轉。
因而，在以上所說明之本發明的設備版本1、2或3中，x-偏轉量幾乎與離子之y-座標無關；反之在設備版本4中(其中一封閉線圈中之電流翻轉，且二分立封閉線圈中之個別電流之電荷/極性相對)，x-偏轉量取決於離子之y-座標，並於中央對稱平面上降至零。
圖7a顯示過境構成設備版本4之設備之該些離子的透視圖。圖7b呈現沿z軸注視橫向通過構成本發明之設備版本4之質量分析器設備的離子束，並顯示離子採用彎曲路徑作為y-指引偏轉之結果。
在所有該些替代實施例中，磁場之z-部分的量取決於y-座標。這是因為根據Maxwell捲曲方程式：及在y=0處Bz=0
由此Taylor展開產生(高次項)
2.在以上所說明之本發明的五個不同及替代實施例中，對一般用途而言，設備版本4最佳。此偏愛之理由清楚：
(i)在個別設備版本1、2、及3中，x方向之淨偏轉(取決於電流方向)為入口及出口處之正偏轉的總和，加上來自中央極之負偏轉。此可為非零值，除非中央區中之磁場藉由呈現於入口及出口處者(沿相對方向) 良好平衡，且如圖4b中所示，將可能需要使用額外封閉線圈(或額外封閉線圈對)。
然而，在設備版本4之實施例中，淨所有x-偏轉為無效，因為在y=0處By=0，提供零x-偏轉；且在軸外位置，所有對稱意即在上半裝置中獲得之x-偏轉於下半中翻轉。此裝置亦提供偏離通量之較佳控制。
(ii)具相對方向電流之相對線圈的作業效應(如圖9b)相較於具相同方向電流之相對線圈作業(如圖9a)為：‧排除束之所有淨x-操縱；‧大量減少通量洩漏至外部；‧略微改進聚焦品質；以及‧用於特定y-聚焦量之約40%以上電流需求。
總而言之，具相對線圈電流之設備版本4實施例最佳。
(iii)設備版本5之永久磁鐵模擬，其中一E方塊基座面之N極--相對E方塊基座上之N極及一E方塊基座面上之S極--相對E方塊基座上之S極，為最適用於單一質量-能量組合。
3.在本發明之設備版本4及5中，主要步驟為產生離子束內對稱磁場之二分立區。在一區中，磁場與離子束行進對齊；在第二區中，磁場被翻轉。
而且，形成尖端其中二磁場區符合且相互相對。此尖端以橫向方向沿帶狀離子束之主要尺寸延伸。在 此尖端附近，磁場為四極形式。為滿足Maxwell方程式，通量線從束側面進出。
此外，因為平面對稱，通量線不需亦未從束之主要橫向方向的側面離開。場係藉由束之任一側面外部之機制純淨地產生；不需線圈環繞束，亦不需任何磁性裝置包含束。
此外，因為磁場沿束路徑整合為零值，可藉由使用無任何電流之永久磁鐵提供磁場；或可如以上所說明使用線圈。該等電流可變線圈允許藉由改變電流大小及方向而進行調整；雖然永久磁鐵僅允許用於聚焦狀況之略微調整，藉由改變組件之機械定位，或藉由可動分流機制提供若干磁通量之分流(其通常已知並藉由業者於技術領域中常規使用)。
4.此處考量設備版本4之優點是進一步有幫助的(比較替代實施例)。如以上所說明，其結構導體如平放在矩形形總成頂點之x-y截面中所見；且藉由類比於習知Panofsky四極透鏡，於總成中央產生之磁場形同四極，使得Bz=kz及By=-ky、Bx=0。然而，對稱之檢查亦透漏在平面z=+/- z0/2中存在局部對稱，且在該些平面任一側之Bz大小減少；因而在該些平面。
結果，四極場行為僅為局部；且磁場整個看來可分析為有關其中Bz具有圖8中所示之形式之中xz平面之Maxwell方程式的開展。
在設備版本3或4之任一者，y-偏轉量概與 距裝置中心之距離成線性；或與距設備版本2中之平坦鐵磁板之距離成線性。
亦請注意的是在設備版本1中，變化遠非線性。線性變化產生良好聚焦幾無像差；然而，在所有狀況下，像差極顯著。
5.設備版本4尤其亦可被採用作為聚焦裝置。可使用成對及相對配置之設備版本4的E方塊線圈組合-無任何束闌或孔徑-以提供沿x方向聚焦但未造成y方向聚焦之透鏡。參照圖9a用於描繪此能力及效應之代表。
此特定可選能力之一可能應用將匹配從離子源偏離進入另一作用裝置(例如，減速結構)之帶狀束，其傾向於傳達不期望聚焦或造成離子束之散焦。在該等可選使用狀況下，應用版本4實施例將允許x-偏離之調整及控制，同時不影響y-偏離。
另一可選使用將為從減速結構(其偏離強力地取決於電流及能量)進入處理站之束的運輸，在處理站中未破壞x方向之束的y方向聚焦能力與設備版本6之均勻性控制組合，將極有效。
6.本發明整個看來可被採用於質量分離及選擇。通常，質量分離需要質量相依配置(「分散」為通常用於商業產業之術語)，與良好控制之聚焦組合。定義孔徑環繞期望束中之聚焦配置；亦將回憶的是磁性偏轉為質量相依。
因此在該些質量分離應用中，離子束係藉由 配置離子源之出口槽及相應提取接近(但較佳地略微偏離)x-z平面之電極而予產生；且離子束被指引以約5及10度間之小角度遠離中平面，以便通過接近於E-核心基座，如圖9b中所示。
配置束闌3以封鎖任何離子軌跡通過過度接近x-z平面。額外束闌4(可能為第一闌之延伸)配置於E-核心總成之下游。亦可提供包含障壁8之孔徑接近額外束闌，以便提供二槽型通路用於束離子，x-z平面之每一側各一。圖4a及9b分別顯示該些結構特徵之每一者。
基於包含加速至選擇之能量之期望種類的離子束(或束對)，現在調整E-核心總成中之電流直至期望離子種類聚焦通過孔徑，如圖10中所描繪。現在將發現該些離子種類之質量差異超過某部分，由此封鎖期望離子且未傳輸。典型地+/- 20%或更少之質量差異足以進行拒絕。
再者，在此設備中，分散與距中平面(設備版本3、4及5)或平坦邊界板(設備版本2)之任一者的距離成比例。然而，分散略微困難界定設備版本1，因為其未線性降至零。通過分散過小之區的路徑必須被封鎖；接著基於置於適當位置之解析孔徑，且線圈電流經調整以使期望束種類通過此槽，期望束可從污染物分離。
解析電力不高，表示為M/△M FWHM；且圖10顯示範例其中解析電力>5。解析電力及可傳輸之y方向之束的寬度(其係藉由實際狀況從離子源之偏離判定) 之間存在互惠關係。
7.本發明之設備版本3、4或5可用以純化及合併從一離子源或同步從離子源對之鄰近提取縫產生的二分立帶狀離子束。需求為：沿x方向之任意範圍的二帶狀離子束，起源於相互一或二cm內-各具約4度之全偏離，且無顯著束電流之二束之間具8至12度區。
二分歧離子束可藉由成對/雙E方塊線圈組合接受，並重新聚焦在目標上，同時束闌同步地以不同質量或能量封鎖多餘種類，如圖10中所示。典型電漿提取電極系統產生具少數度之總角度擴展之離子束，鮮少於4度；且在圖描繪中已假定4度。
可以二平行縫提供離子源，由此提取雙離子束相互分歧介於約10及20度，在x-z平面附近對稱。因而，每一束通過接近二面對E-核心總成之一者。提取電極之細節未顯示(其用途係良好建構及習知已知)。
請注意的是藉由Westner及Dudnikov[Rev Sci Inst，73冊，2頁，2002]所說明之離子源本質上產生二平行帶狀束，因此可直接如圖10中所示使用。
可有效率地使用下列步驟產生期望種類之質量分析之離子束：步驟1：提供具有二平行提取縫之離子源，由此提取帶狀離子束對，其幾乎平行但相互分歧小角度，形成該對之離子束之每一者包含期望純淨離子種類及多餘污染物離子種類； 步驟2：傳送該對離子束通過具有色差之聚焦裝置，其中，一束通過該聚焦裝置之對稱平面的每一側；步驟3：調整該聚焦裝置之聚焦強度以指引該二帶狀束同時通過對稱配置於該聚焦裝置下游之該對稱平面上之單一孔徑；步驟4：提供至少一束封鎖闌以攔截行進過度接近該聚焦裝置之該對稱平面的多餘離子，及至少一束封鎖闌以攔截偏離而過度遠離該聚焦裝置之該對稱平面的任何離子；以及步驟5：致使該對離子束中之期望純淨離子種類與多餘污染物離子種類分離，其中，該分離係根據具有選自包含質量、電荷、能量、及磁性剛度差異之群組的至少一特性不同物理屬性之期望離子而予實施。
在實施本分離技術中，以上分別說明為設備版本3、4、或5之設備可提供聚焦於單一尺寸並可延伸以包含如期望般大之帶狀束及展現強色差之期望屬性。
本發明不限制形式，其不侷限於附加申請項之預期範圍：
1‧‧‧E形方塊基座
2‧‧‧長圓線圈
5‧‧‧帶狀離子束
6a、6b‧‧‧線性側截面
7a、7b‧‧‧彎曲端截面
10‧‧‧E方塊線圈組合

Claims (17)

  1. 一種設備，用於聚焦在其尺寸維度上被控制並將橫向通過該設備相鄰處之行進帶電粒子束，該粒子束之行進方向實質上為沿直角(Cartesian)座標系統中之z軸，該設備包含：實質上E形方塊基座，其(α)由鐵磁材料形成，(β)為具有暴露方塊面作為其向前方面及平坦外部表面作為其向後方面之預定之尺寸的預先形成之實體，(γ)具有暴露方塊面呈現至少三分立及空間相離的平行隆脊及至少二插入及空間相離的平行凹渠，其個別地沿x軸方向配置並平放垂直於該帶電粒子束之該z軸行進方向，(δ)在尺寸上以x軸方向被延伸大於將以接近距離通過之該行進帶電粒子束之該x軸維度尺寸的線性距離，(ζ)與以在y軸方向上的預定距離在該暴露塊體表面上橫向地在z軸方向上行進的帶電粒子束互動，其中該束的該橫向行進路徑是藉由相鄰並平行於該E形方塊基座的一對z-y平面和與該E形方塊基座的該向前方面垂直的一對z-x平面所界定；和至少一個磁場產生裝置，其(i)與該E形方塊基座的該隆脊結構中的至少一個橫向地配合以及整合，(ii)以預定的y軸坐標位置而橫向地配置在該E形 方塊基座的x-z平面中，(iii)呈現複數個直線長度段，每一該直線長度段位於平行以及在尺寸範圍上大於沿在該E形方塊基座的該暴露方塊面上的該z軸行進的該帶電粒子束的該寬度尺寸，(iv)能夠因應其位於沿x軸方向並在該直線長度段上之磁化寬度延伸的需要而產生預定強度的磁場，其其中沿著該z軸方向上的任何束行進路徑，該所產生的磁場整合為零，以及該所產生的磁場沿該y軸正交地延伸，以及該正交延伸的磁場在尺寸上足以用於預選質量的帶電粒子隨後在束內行進以跨越該E形方塊基座的該暴露方塊面而在z軸方向上無阻礙地通過該磁場，以及(v)未被配置為該束所通過的螺線管線圈。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該磁場產生裝置包含長圓形封閉線圈，從至少一導電材料纏繞，並呈現二平行直線長度大於該行進帶電粒子束之該x軸尺寸範圍，及二彎曲端各彎曲通過180度，該封閉線圈係橫向配合入且剩餘部分在藉由該E形方塊基座之該面上該二平行凹渠提供之空間體積內；以及用於傳達電流至該封閉線圈之連接，藉此該E形方塊基座之該暴露面上該三空間相離的平行隆脊形成交變磁性之分立磁極。
  3. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該磁場產生 裝置包含至少一永久磁鐵橫向配合入並與該E形方塊基座之該面上該三空間相離的平行隆脊電結合，藉此配置於該E形方塊基座之該面上之該空間相離隆脊形成交變磁性之分立磁極。
  4. 如申請專利範圍第1項之設備，進一步包含：平坦鐵磁板，其平行配置並設定與該E形方塊基座之該暴露方塊面固定間隙距離，使該行進帶電粒子束將橫向通過該E形方塊基座之該鐵磁板及該暴露方塊面之間之該固定間隙距離的該空間體積。
  5. 如申請專利範圍第1項之設備，進一步包含：複數個正交纏繞補充線圈，環繞該E形方塊基座之外部表面，其中，該補充線圈之每一者為繞絲；以及應需電流來源，與該複數個正交纏繞補充線圈通訊。
  6. 一種總成，用於聚焦在其尺寸維度上被控制並將橫向通過該總成相鄰處之行進帶電粒子束，該粒子束之行進方向實質上為沿直角座標系統中之z軸，該總成包含：相對配置及對齊之預先形成之物件的對，空間設定相互相離固定間隙距離，且其中，該行進帶電粒子束將以該z軸方向橫向通過該相對配置物件之對間之該固定間隙距離的空間體積，其中，該相對配置及對齊的對之每一該物件包含實質上E形方塊基座，其(α)由鐵磁材料形成， (β)為具有暴露方塊面作為其向前方面及平坦外部表面作為其向後方面之預定之尺寸的預先形成之實體，(γ)具有暴露方塊面呈現至少三分立及空間相離的平行隆脊及至少二插入及空間相離的平行凹渠，其個別地沿x軸方向配置並平放垂直於該帶電粒子束之該z軸行進方向，(δ)在尺寸上以x軸方向被延伸大於將以接近距離通過之該行進帶電粒子束之該x軸維度尺寸的線性距離，(ζ)與以在y軸方向上的預定距離在該暴露塊體表面上橫向地在z軸方向上行進的帶電粒子束互動，其中該束的該橫向行進路徑是藉由相鄰並平行於該E形方塊基座的一對z-y平面和與該E形方塊基座的該向前方面垂直的一對z-x平面所界定；和至少一個磁場產生裝置，其(i)與該E形方塊基座的該隆脊結構中的至少一個橫向地配合以及整合，(ii)以預定的y軸坐標位置而橫向地配置在該E形方塊基座的x-z平面中，(iii)呈現複數個直線長度段，每一該直線長度段位於平行以及在尺寸範圍上大於沿在該E形方塊基座的該暴露方塊面上的該z軸行進的該帶電粒子束的該寬度尺寸，(iv)能夠因應其位於沿x軸方向並在該直線長度段上之磁化寬度延伸的需要而產生預定強度的磁場，其其中沿著該z軸方向上的任何束行進路徑，該所產生 的磁場整合為零，以及該所產生的磁場沿該y軸正交地延伸，以及該正交延伸的磁場在尺寸上足以用於預選質量的帶電粒子隨後在束內行進以跨越該E形方塊基座的該暴露方塊面而在z軸方向上無阻礙地通過該磁場，以及(v)未被配置為該束所通過的螺線管線圈；以及固定間隙距離，存在於該相對配置及對齊的物件對中每一E形方塊基座之該暴露面方塊之間之固定間隙距離，其中該固定間隙距離導致該正交延伸的磁場藉由該對齊的物件對所產生的有限寬度的空間相鄰定位，並且在尺寸上足以用於預選質量的帶電粒子隨後在束內行進，並無阻礙地在該相對配置及對齊的物件對中每一E形方塊基座的該暴露方塊面之間通過並跨越在該相對配置及對齊的物件對中每一E形方塊基座的該暴露方塊面。
  7. 如申請專利範圍第6項之總成，其中，該磁場產生裝置為選自以下群組之一者，該群組包含：(i)至少一永久磁鐵橫向配合入並與該E形方塊基座之該面上該三空間相離的平行隆脊結合，藉此配置於該E形方塊基座之該面上之該空間相離隆脊形成交變磁性之分立磁極，及(ii)長圓形封閉線圈，從至少一導電材料纏繞，並呈現二平行直線長度大於該行進帶電粒子束之該x軸尺寸範圍，及二彎曲端各彎曲通過180度，該封閉線圈係橫向配合入且剩餘部分完全在藉由該E形方塊基座之該面上該 二平行凹渠提供之空間體積內，以及用於傳達電流至該長圓形封閉線圈之連接，藉此該E形方塊基座之該暴露面上該空間相離的平行隆脊形成交變磁性之分立磁極。
  8. 如申請專利範圍第6項之總成，其中，該相對配置及對齊之預先形成之物件的對相互磁排斥。
  9. 如申請專利範圍第6項之總成，進一步包含：至少一束闌，集中設於該對相對配置物件之間存在之該固定間隙距離之該空間體積內。
  10. 如申請專利範圍第9項之總成，額外包含：預先形成之包含孔徑障壁，位於該對相對配置及對齊之預先形成的物件之中平面下游並集中於其上。
  11. 如申請專利範圍第6項之總成，進一步包含：複數正交纏繞補充線圈，環繞每一該E形方塊基座之該外部表面，其中，該補充線圈之每一者為繞絲；以及應需電流來源，與該複數正交纏繞補充線圈通訊。
  12. 一種總成，用於聚焦及分離某窄幅磁性剛度之期望離子，並拒絕其他多餘離子接著呈現於在其尺寸維度上被控制之至少一行進帶電粒子束，該粒子束之行進方向實質上為直角座標系統中之z軸方向，該總成包含：真空室，圍繞已知空間體積之行進通道，經此帶電粒子束將通過；相對配置及對齊之預先形成之物件的對，位於該真空室之該空間體積內，該物件之相對配置及對齊的對空間設 定相互相離固定間隙距離，且其中，該行進帶電粒子束將以z軸方向橫向通過該相對配置及對齊的物件之對間之該固定間隙距離的該空間體積，且其中，該對之每一該物件包含實質上E形方塊基座，其(α)由鐵磁材料形成，(β)為具有暴露方塊面作為其向前方面及平坦外部表面作為其向後方面之預定之尺寸的預先形成之實體，(γ)具有暴露方塊面呈現至少三分立及空間相離的平行隆脊及至少二插入及空間相離的平行凹渠，其個別地沿x軸方向配置並平放垂直於該帶電粒子束之該z軸行進方向，(δ)在尺寸上以x軸方向被延伸大於將以接近距離通過之該行進帶電粒子束之該x軸維度尺寸的線性距離，(ζ)與以在y軸方向上的預定距離在該暴露塊體表面上橫向地在z軸方向上行進的帶電粒子束互動，其中該束的該橫向行進路徑是藉由相鄰並平行於該E形方塊基座的一對z-y平面和與該E形方塊基座的該向前方面垂直的一對z-x平面所界定；和至少一個磁場產生裝置，其(i)與該E形方塊基座的該隆脊結構中的至少一個橫向地配合以及整合，(ii)以預定的y軸坐標位置而橫向地配置在該E形方塊基座的x-z平面中， (iii)呈現複數個直線長度段，每一該直線長度段位於平行以及在尺寸範圍上大於沿在該E形方塊基座的該暴露方塊面上的該z軸行進的該帶電粒子束的該寬度尺寸，(iv)能夠因應其位於沿x軸方向並在該直線長度段上之磁化寬度延伸的需要而產生預定強度的磁場，其其中沿著該z軸方向上的任何束行進路徑，該所產生的磁場整合為零，以及該所產生的磁場沿該y軸正交地延伸，以及該正交延伸的磁場在尺寸上足以用於預選質量的帶電粒子隨後在束內行進以跨越該E形方塊基座的該暴露方塊面而在z軸方向上無阻礙地通過該磁場，以及(v)未被配置為該束所通過的螺線管線圈；以及固定間隙距離，存在於該相對配置及對齊的物件對中每一E形方塊基座之該暴露面方塊之間，其中該固定間隙距離導致該正交延伸的磁場藉由該對齊的物件對所產生的有限寬度的空間相鄰定位，並且在尺寸上足以用於預選質量的帶電粒子隨後在束內行進，並無阻礙地在該相對配置及對齊的物件對中每一E形方塊基座的該暴露方塊面之間通過並跨越在該相對配置及對齊的物件對中每一E形方塊基座的該暴露方塊面；至少一束闌，集中設於該對相對配置聚焦物件之間存在之該固定間隙距離之該空間體積內，使得於該間隙距離內形成至少一偏離中心通道；以及預先形成之包含孔徑障壁，位於該對相對配置及對齊 之預先形成的聚焦物件之中平面下游並集中於其上。
  13. 如申請專利範圍第12項之總成，其中，分立帶狀離子束對同時行進一起通過該真空室，該對分立離子束之每一者包含期望離子種類及多餘離子種類。
  14. 一種聚焦在其尺寸維度上被控制之行進帶狀離子束之方法，該方法包含以下步驟：獲得相對配置及對齊之預先形成之物件的對，該物件之相對配置及對齊的對空間設定相互相離固定間隙距離，且其中該行進帶電粒子束將以z軸方向橫向通過該相對配置的物件之對間之該固定間隙距離的該空間體積，其中，該相對配置及對齊的對之每一該物件包含實質上E形方塊基座，其(α)由鐵磁材料形成，(β)為具有暴露方塊面作為其向前方面及平坦外部表面作為其向後方面之預定之尺寸的預先形成之實體，(γ)具有暴露方塊面呈現至少三分立及空間相離的平行隆脊及至少二插入及空間相離的平行凹渠，其個別地沿x軸方向配置並平放垂直於該帶電粒子束之該z軸行進方向，(δ)在尺寸上以x軸方向被延伸大於將以接近距離通過之該行進帶電粒子束之該x軸維度尺寸的線性距離，(ζ)與以在y軸方向上的預定距離在該暴露塊體表面上橫向地在z軸方向上行進的帶電粒子束互動，其中該束的該橫向行進路徑是藉由相鄰並平行於該E形方塊基座 的一對z-y平面和與該E形方塊基座的該向前方面垂直的一對z-x平面所界定；和至少一個磁場產生裝置，其(i)與該E形方塊基座的該隆脊結構中的至少一個橫向地配合以及整合，(ii)以預定的y軸坐標位置而橫向地配置在該E形方塊基座的x-z平面中，(iii)呈現複數個直線長度段，每一該直線長度段位於平行以及在尺寸範圍上大於沿在該E形方塊基座的該暴露方塊面上的該z軸行進的該帶電粒子束的該寬度尺寸，(iv)能夠因應其位於沿x軸方向並在該直線長度段上之磁化寬度延伸的需要而產生預定強度的磁場，其其中沿著該z軸方向上的任何束行進路徑，該所產生的磁場整合為零，以及該所產生的磁場沿該y軸正交地延伸，以及該正交延伸的磁場在尺寸上足以用於預選質量的帶電粒子隨後在束內行進以跨越該E形方塊基座的該暴露方塊面而在z軸方向上無阻礙地通過該磁場，以及(v)未被配置為該束所通過的螺線管線圈；以及固定間隙距離，存在於該相對配置及對齊的物件對中每一E形方塊基座之該暴露面方塊之間，其中該固定間隙距離導致該正交延伸的磁場藉由該對齊的物件對所產生的有限寬度的空間相鄰定位，並且在尺寸上足以用於預選質量的帶電粒子隨後在束內行進，並無阻礙地在該相對配置 及對齊的物件對中每一E形方塊基座的該暴露方塊面之間通過並跨越在該相對配置及對齊的物件對中每一E形方塊基座的該暴露方塊面；經由相對配置及對齊之預先形成之物件的該對而產生多區對稱磁場，該對空間設定相互相離固定間隙距離，該對相對配置及對齊之物件產生對稱磁場，跨越該固定間隙距離而垂直延伸，其中，該產生之磁場中第一區之定向為該離子束中離子行進之方向，及該產生之磁場中第二區之定向為相對於該磁場中該第一區的方向；以及致使該行進帶狀離子束橫向通過該相對配置之物件之匹配對之間之該固定間隙距離之該空間體積內存在的該產生之多區對稱磁場。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，進一步包含以下步驟：藉由封鎖離子直接通過該產生之多區對稱磁場之該第一區及該第二區，質量分析該行進帶狀離子束，以及經由至少二限制通道安排該行進束之運動路線，其中，該限制通道並非線性對齊，僅指引藉由該對稱磁場之該第一區及該第二區之效果而於預定角度範圍內偏轉之該些離子進入該限制通道之一者。
  16. 如申請專利範圍第14項之方法，進一步包含翻轉該對稱磁場之該第一區及該第二區之極性的步驟。
  17. 一種用於同時產生分立離子束之質量分析對的方法，其中，每一離子束包含期望離子種類及多餘離子種類，該方法包含以下步驟：提供具有二平行提取縫之離子源，由此提取分立離子束對，其軌跡幾乎平行，但相互分歧小角度，該對提取之離子束之每一者包含期望離子種類及至少一多餘離子種類；獲得聚焦設備，該聚焦設備包含相對配置及對齊之預先形成之物件的對，該物件之相對配置及對齊的對空間設定相互相離固定間隙距離，其中該行進帶電粒子束將以z軸方向橫向通過該相對配置的物件之對間之該固定間隙距離的該空間體積，其中，該相對配置及對齊的對之每一該物件包含實質上E形方塊基座，其(α)由鐵磁材料形成，(β)為具有暴露方塊面作為其向前方面及平坦外部表面作為其向後方面之預定之尺寸的預先形成之實體，(γ)具有暴露方塊面呈現至少三分立及空間相離的平行隆脊及至少二插入及空間相離的平行凹渠，其個別地沿x軸方向配置並平放垂直於該帶電粒子束之該z軸行進方向，(δ)在尺寸上以x軸方向被延伸大於將以接近距離通過之該行進帶電粒子束之該x軸維度尺寸的線性距離，(ζ)與以在y軸方向上的預定距離在該暴露塊體表 面上橫向地在z軸方向上行進的帶電粒子束互動，其中該束的該橫向行進路徑是藉由相鄰並平行於該E形方塊基座的一對z-y平面和與該E形方塊基座的該向前方面垂直的一對z-x平面所界定；和至少一個磁場產生裝置，其(i)與該E形方塊基座的該隆脊結構中的至少一個橫向地配合以及整合，(ii)以預定的y軸坐標位置而橫向地配置在該E形方塊基座的x-z平面中，(iii)呈現複數個直線長度段，每一該直線長度段位於平行以及在尺寸範圍上大於沿在該E形方塊基座的該暴露方塊面上的該z軸行進的該帶電粒子束的該寬度尺寸，(iv)能夠因應其位於沿x軸方向並在該直線長度段上之磁化寬度延伸的需要而產生預定強度的磁場，其其中沿著該z軸方向上的任何束行進路徑，該所產生的磁場整合為零，以及該所產生的磁場沿該y軸正交地延伸，以及該正交延伸的磁場在尺寸上足以用於預選質量的帶電粒子隨後在束內行進以跨越該E形方塊基座的該暴露方塊面而在z軸方向上無阻礙地通過該磁場，以及(v)未被配置為該束所通過的螺線管線圈；以及固定間隙距離，存在於該相對配置及對齊的物件對中每一E形方塊基座之該暴露面方塊之間，其中該固定間隙距離導致該正交延伸的磁場藉由該對齊的物件對所產生的 有限寬度的空間相鄰定位，並且在尺寸上足以用於預選質量的帶電粒子隨後在束內行進，並無阻礙地在該相對配置及對齊的物件對中每一E形方塊基座的該暴露方塊面之間通過並跨越在該相對配置及對齊的物件對中每一E形方塊基座的該暴露方塊面；使該對提取之離子束通過聚焦設備，其中，該離子束之一者通過該聚焦設備之對稱平面的每一側；調整該聚焦設備之聚焦強度以指引該離子束之二軌跡同時通過配置於該聚焦設備下游之該對稱平面上之單一包含孔徑障壁；提供至少一束封鎖闌以攔截偏離而過度接近該聚焦設備之該對稱平面的該些離子；提供至少一束封鎖闌以攔截偏離而過度遠離該聚焦設備之該對稱平面的任何離子；以及致使該對行進離子束中之期望離子種類與多餘離子種類分離，其中，該離子種類分離係根據選自由離子質量差異、離子電荷差異、束能量差異、及磁性剛度差異所組成之群組的至少一物理屬性而予實施。
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