离子刻蚀用的大面积射频离子束源

离子束技术已广泛应用于电子、材料、光学、医学和生物等多种领域，并取得了可观的技术效果与经济效益，尤其是在光学领域中采用此项技术可制造大刻划面积的全息离子刻蚀光栅，对提高高精度光谱分析仪器的性能具有十分重要的意义。随着技术的发展，对离子束源也提出了更高的要求，诸如：离子束流要求大，要有良好的均匀性，且要有好的离子束的光学品质等。本文介绍的离子束源是由电感耦合等离子体源及其引出系统构成。下面主要介绍电感耦合等离子体源及其引出系统，以及大面积均匀性离子束源的应用前景及其需要解决的关键问题。     

低能辐照离子源设计及性能

简要介绍了低能辐照离子源的设计及性能。采用热阴极磁约束ＰＩＧ放电,并用两极多孔加减速系统引出离子束。调试结果：离子束能量在２００－２０００ｅＶ范围内可调,最大引出束流１５０ｍＡ,灯丝工作寿命１６０ｈ。     

由等离子体引出强流离子束的光学数值模拟

本文叙述了中性束注入器中的强流离子源引出系统离子束光学性质的数值模拟方法,并给出了典型计算结果。计算结果表明:用这种方法能反映强流离子源引出系统最本质的束光学性质,可供选取和研究强流离子束光学系统之用。     

高能强流负离子束系统束光学特性的数值模拟

基于负离于-中性束注入器中强流负离子束引出与加速系统的特点所建立的数值模拟模型和计算程序,通过数值模拟研究了强流负离子束系统电磁场位形、几何参数、等离子体参数、束流密度和负离子剥离损失对负离子束光学特性的影响。对8电极800keV强流负离子束系统的初步优化结果表明对引出流密度为2lmA·cm-2的H-离子束,当负离子初始温度为0.2eV时,由系统出射的85％束散角可达到0.23°。     

真空中聚乙烯膜在纳秒脉冲电压下的沿面闪络特性

 在高功率离子束二极管中，当利用阳极膜沿面闪络产生的等离子体作为离子束引出源时，其特性对产生离子束的大小和品质有着很大的影响，因此要深入研究阳极膜的沿面闪络特性。主要介绍了所研制的一套适用于沿面闪络特性研究的实验装置和测量诊断系统。对离子束二极管中使用的三种厚度聚乙烯薄膜在脉冲电压下的沿面闪络特性进行了实验研究，并对沿面闪络过程中薄膜表面的发光现象作了初步的诊断。     

RF离子源引出特性的研究

 为了使RF离子源具有良好的引出特性,测试了吸极几何参数、振荡器板压和引出电压对离子源聚焦度的影响,对实验结果进行了分析。在其它参数不变的情况下,吸极的外径D与内径d之比存在最佳值,增加D/d,有利于过聚焦的离子束恢复聚焦状态。吸极的长度为L,石英套管比吸极长l。当l/D增大时,聚焦度上升,引出束流下降。L/d之比减小时,聚焦度增大。当L/d小于4时,聚焦度增加趋势变缓。综合考虑聚焦度、引出束流和气压,D/d,l/D,L/d适宜的选择范围分别为1.6～2.1,0.7～1.1,4～7。增加振荡器功率会使离子束呈弱聚焦,而增加引出电压会使离子束呈过聚焦。振荡器功率和引出电压都存在最佳值。     

RF离子源引出特性的研究

为了使RF离子源具有良好的引出特性,测试了吸极几何参数、振荡器板压和引出电压对离子源聚焦度的影响,对实验结果进行了分析。在其它参数不变的情况下,吸极的外径D与内径d之比存在最佳值,增加D/d,有利于过聚焦的离子束恢复聚焦状态。吸极的长度为L,石英套管比吸极长l。当l/D增大时,聚焦度上升,引出束流下降。L/d之比减小时,聚焦度增大。当L/d小于4时,聚焦度增加趋势变缓。综合考虑聚焦度、引出束流和气压,D/d,l/D,L/d适宜的选择范围分别为1.6～2.1,0.7～1.1,4～7。增加振荡器功率会使离子束呈弱聚焦,而增加引出电压会使离子束呈过聚焦。振荡器功率和引出电压都存在最佳值。     

负离子束引出、加速系统的数值计算方法

建立了为辅助设计强流负离子束引出、加速系统进行数值模拟研究的数学模型,简述了数值计算方法。对系统的电、磁场位形进行优化,并给出了300keV、5电极负离子束系统的初步优化结果。     

宽束冷阴极离子源分时中和技术的研究

离子束辅助镀膜沉积过程中,绝缘薄膜表面的电荷积累效应严重影响了薄膜质量。通过对宽束冷阴极离子源引出栅部分的改进,采用分时引出电子和离子方法,使正负电荷中和,以消除薄膜表面的放电现象,并对引出电子束的束流密度、能量、发射角等参数进行了测试。实验结果表明：在引出电压为600V时,电子的平均能量为100eV左右;引出电子束的发射角可以达到±40°,在±15°范围内的束流密度波动小于±5%。引出电子的束流密度较同参数下的离子束流密度小,通过调节脉冲电源的占空比,可达到很好的中和效果。     

射频离子源束流特性分析

介绍了为HL-2A装置设计的引出束功率为1MW的射频离子源研制情况。目前,在测试平台上,该离子源已经成功引出了束能量和束电流分别为35ke V和12.4A、束质子比为79%、脉宽为100ms的氢离子束,达到了其设计束功率的44%。用红外热成像的方法测量了离子束能量密度分布。结果表明,在距离引出系统地电极1.3m处,束密度分布遵循高斯分布。引出束的最佳导流系数为1.689×10–6A?V-3/2左右,随射频功率改变有较小的变化。根据这些实验结果,采取了相关改进措施来改善离子源的引出束性能。     

ECR离子源束流引出与传输的研究

针对ECR离子源的束流引出及传输研究，在中国科学院近代物理研究所的LECR3离子源实验平台上开展了大量的实验. 实验中研究了等离子体电极引出孔径、反射电极(抑制电极)偏压以及Glaser透镜等因素对束流引出与传输的影响. 研究的重点是试图通过系列实验与分析来研究如何能更有效地引出强流离子束流并减小其在传输空间的损失. 给出了实验的主要结果，结合这些数据对ECR离子源的束流引出与传输进行了较全面的分析，并综合这些实验结果与分析结果得出了该物理过程的一般物理图像.     

大面积负离子束源磁过滤器的设计及实验研究

中性束注入是磁约束核聚变能研究中重要的辅助加热手段。大面积负离子源是中性束注入系统的核心部件。在负离子源工作过程中,负离子的电子结合能非常小(约0.75e V),极易被高能电子破坏。为此需要设计过滤磁场降低电子温度,减少负离子的损失,同时也可以减少伴随引出的电子。根据大面积负离子束源的机械结构,分别设计了永磁体产生过滤磁场和利用等离子体电极(PG)电流产生磁场两种磁过滤器结构;通过有限元算法对产生的过滤磁场进行模拟分析和优化,完成了大面积负离子束源过滤磁场的研制。在负离子束源测试平台开展实验测试,引出区电子温度从5eV降至1eV。这个结果初步验证了大面积负离子束源的过滤磁场的性能,为大面积负离子束源的研制提供了支持。     

������ƵICP������Դ�������

为了更好地提高引出离子束的均匀性,对离子束刻蚀用矩形射频电感耦合等离子体(ICP)离子束源提出了三种线圈的设计方法,并对这三种线圈激发的电场进行了数值计算和比较。结果表明,直线段式不等距天线和并联多螺旋不等距天线线圈能够产生均匀性良好的电场,且其耦合效率高。     

兰州重离子加速器冷却储存环

 兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR,是一个多用途、多功能的双冷却储存环同步加速器系统,由主环CSRm和实验环CSRe构成,并以兰州重离子级联回旋加速器HIRFL作注入器。CSR利用高频变谐波的方法,将重离子束的能量从7～25 MeV/u同步加速到２00～1 000 MeV/u,同时利用重离子储存环中空心电子束冷却技术将束流品质提高１个数量级,并通过储存环的快引出及慢引出,提供多种类的重离子束以及放射性次级束(RIBs),以开展范围更广精度更高的物理实验。该装置于2007年投入运行,已取得了重要的运行结果,如实现了剥离注入与多圈注入、空心电子束对重离子束的冷却与累积、变谐波宽能区同步加速、等时性环型谱仪、RIBs的产生收集与ToF高分辨质量测量以及高能重离子束的变能慢引出等。     

射频离子源束流特性分析

介绍了为HL-2A 装置设计的引出束功率为1MW 的射频离子源研制情况。目前,在测试平台上,该离子源已经成功引出了束能量和束电流分别为35keV 和12.4A、束质子比为79%、脉宽为100ms 的氢离子束,达到了其设计束功率的44%。用红外热成像的方法测量了离子束能量密度分布。结果表明,在距离引出系统地电极 1.3m 处,束密度分布遵循高斯分布。引出束的最佳导流系数为1.689×10^–6A•V^-3/2 左右,随射频功率改变有较小的变化。根据这些实验结果,采取了相关改进措施来改善离子源的引出束性能。     

ECR源低能强流高电荷态离子束四维发射度测量仪的研制

为全面研究ECR（Electron Cyclotron Resonance）离子源引出的高电荷态离子束流品质,获取ECR离子源引出离子束流的横向四维相空间分布,提高向加速器的注入效率,中国科学院近代物理研究所研制了一台高精度Pepper Pot型发射度测量仪PEMiL（Pepper pot Emittance Meter in Lanzhou）。根据使用需求,利用KBr晶体喷涂技术取代传统的CsI闪烁体成像技术,解决了束流光斑重叠效应,获得了边界清晰的束流图像;并开发了相应的数据处理分析程序,以分析处理得到的束流横向四维相空间分布。利用PEMiL获得了75 keV,170 eμA的O5+束流横向四维发射度。分析结果表明:PEMiL测量分析后的束流发射度结果可靠性高,荧光屏电荷累积效应造成的发射度差异不超过25%,PEMiL可作为ECR离子源引出离子束流品质诊断的有效装置。     

微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求. 为此, 本文开展直径20 mm的微型ECR离子源结构优化实验研究. 根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点, 研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响, 结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时, 微波与等离子体实现无损耦合, 电子共振加热效果显著, 引出离子束流较大. 根据放电室电磁截止特性, 结合微波电场计算, 研究放电容积对离子源性能的影响, 实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭. 经优化后离子源性能测试表明, 在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9 μg/s下, 可引出离子束流5.4 mA, 气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.     

火花离子源引出束流特性

由于涉及高压和电离辐射等诸多的因素，长期以来，没有找到一种有效的手段对某特种电真空器件用火花离子源引出束流进行诊断。为此，用CR-39径迹探测器技术和直接照相法对火花离子源引出束流作用在靶部件上和加速间隙空间的分布进行了初步的诊断研究。其中为了避免高压和电离辐射的影响，将特种电真空器件中带电离辐射的部件取出，换上同样尺寸大小的CR-39探测器。经离子束轰击的CR-39探测器，在65℃的NaOH溶液（6mol／L）中蚀刻5h。冲洗晾干后，用显微镜观测CR-39探测器的表面径迹，以确定引出束流在靶面上的分布。在加引出电压的情况下，对引出的束流分布进行直接拍照，根据所得到照片在拍摄平面上的相对幅亮度分布，通过阿贝尔转换得到引出束流在加速空间的径向分布。     

HL-2A装置中性束离子源引出系统束流分析

在中性束离子源引出过程中,详细分析了引出束流的产生,这有利于得到更准确的引出功率和引出电极表面的热功率沉积情况。根据HL-2A装置中性束离子源引出电极的电连接方式和束流引出的物理过程,对离子源束流引出过程进行了分析,给出抑制极电流产生的主要来源。通过分析放电气压扫描实验中的结果发现：随着放电气压的增加,不同弧放电电流情况下抑制极电流均逐渐增加,且抑制极电流与引出电流的比值近似线性增加。针对引出离子束流经过引出电极的过程建立了物理模型。计算了抑制极电流与引出电流的比值与放电气压的依赖关系,计算结果与实验结果一致,验证了引出束流分析结果的合理性。     

会切磁场多极离子源中磁场对等离子体特性的影响

本文提出了会切磁场多极离子源中,磁场对等离子体参数以及可引出离子束流和放电室阳极收集的离子电流影响的实验研究结果,并对该结果进行了分析讨论。