[發明專利]一種利用氣體團簇濺射靶材引出離子束流的方法及離子源

有效

• 申請號: 201910047089.X
• 申請日: 2019-01-18
• 公開（公告）號: CN109786204B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 曾曉梅;瓦西里·帕里諾維奇;謝爾蓋·別雷赫;亞歷山大·托斯托古佐夫;付德君
• 申請（專利權）人: 武漢江海行納米科技有限公司
• 主分類號: H01J37/34
• 分類號: H01J37/34;H01J37/08;C23C14/46
• 代理公司: 武漢華旭知識產權事務所 42214
• 代理人: 周宗貴;劉榮

本發明提供了一種利用氣體團簇濺射靶材引出離子束流的方法，首先利用氣體團簇離子源產生氣體重團簇；接著氣體重團簇轟擊納米靶材，濺射出靶物質，包括單體和小團簇；最后濺射出的單體、小團簇與電子碰撞被電離成離子，離子經過電場加速并進行磁質分離獲得離子束流。本發明同時提供了一種基于所述方法的氣體團簇濺射固體離子源，包括由依次連通的氣體團簇離子源管段、濺射室和靶材原子濺射管段組成的真空腔室，所述靶材原子濺射管段依次設有第一離化器、第一加速器、單透鏡和電磁鐵。本發明提供的一種利用氣體團簇濺射靶材引出離子束流的方法及離子源，成本低、安全可靠、無污染，能在不使用銫和鉭絲的情況下獲得離子束。

技術領域

本發明涉及一種利用氣體團簇濺射靶材引出離子束流的方法及離子源，屬于離子源技術領域。

背景技術

近年來，離子束在工業方面的應用愈加廣泛，主要有離子束刻蝕、半導體材料摻雜、離子束沉積、材料表面改性等。除工業領域外，離子束還廣泛應用于基礎應用研究、同位素分離、質譜學、聚變能、放射療法等各領域學科，此外，離子束也可作為探測束用于二次離子質譜、加速器質譜、盧瑟福背散射、離子激發X射線熒光譜、核反應分析以及彈性反沖探測分析等方面。由此可見，離子束在現代科技中發揮著十分重要的作用。因此，離子源作為產生和輸出離子束的設備，其重要性自然不言而喻。

目前，離子束通常是通過氣體放電、電子束對氣體原子或分子的碰撞；帶電粒子束使工作物質濺射以及表面電離，并被引出成束而產生。濺射型離子源主要有銫離子源，已廣泛存在于2×1.7MV串列加速器，即通過加熱液態銫，使得銫蒸汽在鉭絲中離化成Cs⁺，Cs⁺撞擊靶材，獲得靶材離子。但銫離子源存在兩個難以解決的問題。一是金屬銫價格昂貴，劇毒，在空氣中極易被氧化，所以需要一直密封在玻璃管中，且需要機械泵、分子泵維持真空；二是鉭絲價格昂貴，易斷裂，使用后不便清洗表面污染物，造成銫的離化率低，從而影響后續靶材的濺射率。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種利用氣體團簇濺射靶材引出離子束流的方法及離子源，成本低，安全可靠，無污染，能在不使用銫和鉭絲的情況下獲得離子束。

本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是：提供了一種利用氣體團簇濺射靶材引出離子束流的方法，包括以下步驟：

(1)利用氣體團簇離子源產生氣體重團簇，平均團簇尺寸為1000個原子/團簇；

(2)氣體重團簇轟擊納米靶材，在氣體重團簇的團簇效應和納米靶材的有限尺寸效應作用下靶物質被有效濺射出，形成單體和小團簇；所述小團簇為靶材原子結合所成的團簇，單個小團簇的原子數介于1到15之間；

(3)濺射出的單體和小團簇與電子碰撞被電離成離子，離子經過電場加速并進行磁質分離獲得離子束流。

步驟(1)所述利用氣體團簇離子源產生氣體重團簇具體采用以下過程：通過超聲噴嘴將高純源氣體絕熱冷卻并超聲膨脹后噴出，形成中性團簇，中性團簇經過鎢絲放電電離成氣體團簇正離子。

步驟(2)所述納米靶材采用以下過程制備：選取粒徑小于100nm的納米粉末，通過電動壓片機壓制成密度低于2.0g/cm³的納米靶材。

步驟(3)所述濺射出的單體和小團簇通過離化器電離成離子。

步驟(3)所述離子通過加速器實現加速。

步驟(3)所述離子經過電場加速后通過單透鏡實現聚焦。

步驟(3)所述離子經過電場加速后利用電磁鐵實現磁偏轉，獲得射向目標物的離子束流。

本發明同時提供了一種基于所述方法的氣體團簇濺射固體離子源，包括由依次連通的氣體團簇離子源管段、用于放置納米靶材的濺射室和靶材原子濺射管段組成的真空腔室，所述靶材原子濺射管段依次設有第一離化器、第一加速器、單透鏡和電磁鐵。