[發明專利]一種產生多電荷態離子束的方法和用于該方法的裝置

在審

• 申請號: 201810859149.3
• 申請日: 2018-07-31
• 公開（公告）號: CN109041402A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 亞歷山大·托斯托古佐夫;瓦西里·帕尼諾維奇;謝爾蓋·別雷赫;左文彬;付德君
• 申請（專利權）人: 宜昌后皇真空科技有限公司
• 主分類號: H05H15/00
• 分類號: H05H15/00
• 代理公司: 武漢華旭知識產權事務所 42214
• 代理人: 周宗貴;劉榮

本發明涉及離子加速器技術和低能多電荷態離子束的技術領域，特別是涉及一種產生多電荷態離子束的方法和用于該方法的裝置，該方法是在工作物質與固態電解質薄膜界面，通過氧化還原反應，堿土金屬或稀土金屬元素轉化成二價或三價離子，然后通過固態電解質中的快速離子傳輸通道輸送到陽極，又通過場致蒸發離開陽極進入真空，最后在外加電場作用下加速、引出，形成離子束。本裝置主要包括可移動的發射器組件和真空系統，該發射器組件依次由高電導和熱導的金屬陰極、工作物質薄膜、固態電解質薄膜、多孔導電陽極和歐姆加熱器組成。本發明產生的多電荷態離子束具有很小的空間發射和能量分布，提高了離子源的效率，節約了空間和成本。

技術領域

本發明涉及離子加速器技術和低能多電荷態離子束的技術領域，特別是涉及一種產生多電荷態離子束的方法和用于該方法的裝置。

背景技術

多電荷態離子束的產生是離子源研制的熱點問題，它可應用于離子注入機、離子束光刻、離子探針與離子束表面分析、量子計算機的研制。這種離子與固體表面的相互作用確保在材料中形成較少的輻射缺陷，有助于現代微納電子器件中形成p-n淺結或超淺結。另外，與單電荷態離子相比，多電荷態離子具有較高的能量，可用于在表面層進行選擇性的結構納米化處理。

目前已有的多種類型的多電荷態離子源，主要由電子源、離子源、等離子體與激光等離子體發生器或電子回旋共振裝置成產生，已經形成了相當成熟的技術。主要過程是，通過電子、離子束或激光與物質的相互作用產生不同密度與溫度的等離子體，使固態或氣態工作物質產生多級電離，形成所需的多電荷態離子束。這種方法的缺點是形成的離子束有很寬的電荷分布和能量發射，需要設計額外的質量分析器或能量分析器進行分離，這就使得設備變得復雜，增加了成本。另外，上述離子源產生的能量一般高于100keV，這對于離子束聚焦是必要的，但是在離子轟擊表面時導致表面層輻射缺陷增加。

后來出現了采用聚焦的電子束使工作物質電離和蒸發，從而產生電荷態達到6+的多電荷態離子束。該離子源的缺點是在形成的離子束中存在具有不同電荷態離子，這些離子具有不同的縱向速度和橫向速度，導致該離子束具有加的角發射和能量發射，形成具有彌散性的離子束。

鑒于離子源的上述問題，本發明設計一種基于離子導體電解質的離子源，用于產生過渡金屬和稀土金屬的多電荷離子束。

發明內容

本發明旨在提供一種產生堿土金屬和稀土金屬離子束的緊湊型固態離子源，使得產生的離子束比同類型的離子源的引出束具有更小的空間發射和能量發射，這是由于離子束產生的物理化學過程都是在超離子導體(具有快速離子傳輸的固體電解質)中發生的，而不用等離子體、電子碰撞離化器或質量分析器。

為了實現上述目的，本發明提供了一種產生多電荷態離子束的方法，在場致發射的陰極和陽極之間依次設有工作物質薄膜和固態電解質薄膜，所述工作物質為堿土金屬或稀土金屬，對陰極加熱并在陰極和陽極間施加電壓，工作物質薄膜中的堿土金屬或稀土金屬通過氧化還原反應轉化成二價或三價離子，二價或三價離子通過固態電解質中的快速傳輸通道移向陽極，再通過場致蒸發使得二價或三價離子從陽極發射至真空，在加速電壓作用下二價或三價離子獲得動能進入靜電系統引出形成離子束。

而且，所述陰極、陽極、工作物質薄膜、固態電解質薄膜和靜電系統位于真空度為10^-4Pa的真空腔內。

而且，陰極和陽極間施加電壓達到100-500伏，陰極加熱到150-200℃。

而且，所述陰極為銅圓柱體或銀圓柱體。

而且，所述堿土金屬至少包括Sr、Ba，所述稀土金屬至少包括Ce、Eu。

而且，所述固態電解質薄膜厚度為1-1.5微米，所述固態電解質為Na-β”-Al₂O₃陶瓷電解質。

而且，所述靜電系統至少包括靜電單透鏡和平板靜電場。