[實用新型]一種射頻感應耦合等離子體中和器

有效

• 申請號: 201721863054.6
• 申請日: 2017-12-27
• 公開（公告）號: CN207993797U
• 公開（公告）日: 2018-10-19
• 發明（設計）人: 陳慶川;聶軍偉;黃琪;石連天
• 申請（專利權）人: 核工業西南物理研究院;成都同創材料表面科技有限公司
• 主分類號: H01J37/32
• 分類號: H01J37/32
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 高安娜

本實用新型屬于低溫等離子體技術領域，具體涉及一種射頻感應耦合等離子體中和器。本實用新型包括用于容納放電等離子體的等離子體放電腔、高壓絕緣氣路裝置、射頻耦合天線、用于收集離子和屏蔽射頻容性耦合的陰極、屏蔽外殼和用于從等離子體放電腔中抽取電子束的陽極，該射頻感應耦合等離子體中和器結構一方面可有效屏蔽射頻耦合天線和放電等離子體間的容性耦合，降低射頻容性耦合效應對等離子體放電腔內壁的濺射，減少放電等離子體中的雜質污染，同時也可有效減少射頻感應耦合等離子體中和器陶瓷絕緣件上的污染，提高射頻感應耦合等離子體中和器的壽命和穩定性，具有結構簡單、無電極污染、引出電子束潔凈、壽命長、工作穩定、束流強度及能量易控等優點。

技術領域

本實用新型屬于低溫等離子體技術領域，具體涉及一種射頻感應耦合等離子體中和器。

背景技術

中和器是產生電子束的裝置，它作為離子源、電推力器等系統的核心關鍵部件被廣泛應用于現代薄膜材料制備、材料表面改性、超大規模集成電路、高精密大型光學元件微細加工、空間電推進系統和航天器主動電位控制等領域。中和器按工作方式可以分為浸沒式熱陰極中和器、外置式熱陰極中和器和等離子體橋式中和器3類。浸沒式熱陰極中和器是將熱陰極置于離子束內部如圖1，當其加熱到2200～2300℃以上溫度時發射電子。在離子源工作期間，由于中和陰極溫度很高并受到離子束的強烈濺射作用，陰極損耗很快，壽命很短，需要頻繁更換，并且存在雜質污染問題。如果在反應氣體氣氛中使用陰極消耗更快，其應用范圍受到了很大的限制。外置式陰極中和器是將陰極置于離子束外，利用中和器和離子束之間強的耦合電壓將陰極發射的電子吸引到離子束中，從而中和離子束，主要由外置式熱陰極中和器和外置式場致發射陰極中和器兩種，如公開號CN1917131A公布了一種適用于離子束薄膜沉積和離子束材料表面改性領域的外置式陰極中和器如圖2。該熱陰極雖避免了離子束的直接濺射，但它受熱陰極材料熱蒸發限制，使用周期依然較短，并且強的耦合電壓影響離子束的性能，同時熱陰極對工作氣氛較為敏感，限制了其在一些控制污染要求較高領域的應用如高潔凈光學元件及半導體晶圓離子束加工領域等。外置式場致發射陰極中和器，它是在金屬或半導體等表面施加高強度的電場、通過隧道效應使電子進入真空中。與熱電子發射相比,場致發射的冷陰極具有功耗低、響應速度快等優點。它可獲得電流密度高達107A/cm2以上的發射電流,而且發射沒有時間上的延遲,缺點是當其暴露在10-8托以上的環境中時,離子濺射和表面腐蝕限制了場致發射陰極的壽命。等離子體橋中和器是利用空心陰極、射頻等放電方式產生放電等離子體，在偏置電壓的作用下放電產生的電子和部分離子向離子束輸運，放電產生的部分離子為電子進入離子束起搭“橋”作用，以降低耦合電壓，并允許中和器位置距離子束較遠。目前常用的等離子體橋中和器是空心陰極中和器,如公開號CN195626410A公開了一種適用于空間電推進系統使用的空心陰極中和器、公開號CN103770953A公開了一種采用空心陰極進行航天器結構電位主動控制的裝置和方法。空心陰極主要由陰極管、頂板、發射體、加熱器和觸持極等組成。其中，發射體中毒和加熱器失效是制約空心陰極性能的關鍵因素。這是由于當發射體暴露于大氣中，其表面會吸附氧氣及水蒸氣等雜質；當對發射體進行加熱后，雜質與發射體反應，從而使發射體失效，發射電子能力降低或失去發射能力，同時空心陰極加熱器的絕緣層涂覆-燒結工藝操作繁瑣，人為因素影響大，加熱絲再結晶現象嚴重，容易發生加熱絲脆斷現象。為了解決這些問題，公開號CN103762134A公開了一種空心陰極熱屏蔽組件結構，公開號CN105006412A公開了一種空心陰極加熱器的陶瓷組件結構，公開號 CN104780631A公開了一種空心陰極中和器加熱裝置等，經過多年的研究，雖然空心陰極壽命、性能等技術指標得到了大幅提升，但由于它工作時存在陰極溫度高，消耗陰極，并且隨著陰極消耗性能降低、對工作環境中的氧氣含量較為敏感，污染較大，制造成本高等缺點限制了它的應用。射頻等離子體中和器是近年來提出的一種新型中和器，根據放電方式不同，分為射頻容性耦合等離子體中和器和射頻感應耦合等離子體中和器。其中射頻容性耦合等離子體中和器是利用射頻電極之間的容性耦合放電產生等離子體，存在電極濺射、雜質污染等問題。射頻感應耦合等離子體中和器是通過電磁感應耦合效應維持等離子體放電，無電極污染、等離子體密度高，可以在反應氣體中長時間穩定工作，但存在放電起輝困難，放電腔濺射污染等問題。