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。     

离子辅助沉积中离子束流密度的作用

测量了End-Hall离子源在不同条件下的离子束流密度，在不同离子束流密度下进行了Ar离子辅助沉积ZrO2薄膜的实验，研究了离子束流密度对薄膜折射率、晶相的影响.根据动量传递模型分析了离子束流密度对薄膜折射率的作用;根据热尖峰理论证明了一定条件下离子束流密度不会影响薄膜晶体结构.     

国产氩离子枪的研发

氩离子枪主要由离子源、加速电极、聚焦透镜和控制电源构成,可以产生并发射氩离子束,用于样品的表面清洁处理、表面刻蚀或深度分析,是表面分析和纳米科技装置中的重要构成之一。文章介绍国产氩离子枪的设计原理和测试结果,氩离子的加速电压可达2 kV,在工作距离150 mm和氩气分压为2.0×10-3Pa的情况下,可产生4.5mA的氩离子束流,束斑的直径在10—20 mm之间可调。     

聚焦慢速高荷态重离子束微束斑X射线源

利用电子束离子源(EBIS)或者电子束离子陷阱(EBIT)产生的慢速高电荷态重离子束轰击金属靶面,离子束与靶面作用并复合辐射特征X射线;并将高荷态离子束采用离子光学系统会聚为微细束后再与靶面作用,能够辐射出微米甚至亚微米级、纳米级的微束斑X射线.本文介绍这一新型微束斑X射线源的结构、机理及其特性等.     

均匀磁场下碳离子束剂量平均LET及纳剂量学量的分布

随着磁共振成像(MRI)技术的发展,图像引导放射治疗在放射肿瘤学中的作用和重要性正在迅速增加,本研究分析了外加均匀磁场对碳离子束的剂量平均LET以及纳剂量学量的影响。通过基于GEANT4内核的GATE蒙特卡罗(Monte Carlo, MC)模拟平台,模拟计算了不同磁场环境下,不同能量碳离子束剂量平均LET和纳剂量学量的分布。结果发现,平行磁场对碳离子束的剂量平均LET和纳剂量学量均无显著影响,垂直磁场对碳离子束的剂量平均LET及纳剂量学量的影响主要集中在布拉格峰区域,其影响主要是碳离子束在磁场中受到洛伦兹力作用而发生横向偏转,进而使得碳离子束布拉格峰位置发生横向侧移导致的。这些结果为进一步研究磁场对碳离子束治疗性能的影响打下了坚实的基础。     

均匀磁场下碳离子笔形束的剂量变化分析及位置修正方法

分析外加均匀磁场对于碳离子笔形束剂量分布的影响,并考虑修正这种影响,为磁共振成像引导碳离子放射治疗的临床应用提供指导。本文利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量碳离子笔形束在不同强度磁场下的剂量分布情况,发现垂直于碳离子束入射方向的均匀磁场对于碳离子笔形束射程缩短的影响很小,磁场对碳离子束的主要影响是引起束流横向偏转,特别是碳离子束布拉格峰位置的横向侧移。横向侧移程度与碳离子束的能量和磁场强度相关,根据模拟结果,得到了一个计算碳离子束布拉格峰在磁场中相对横向偏转的方程,并提出一种校正外加磁场引起的碳离子束布拉格峰横移的角度修正方法。这些结果可用于指导磁共振图像引导碳离子放射治疗计划系统的研发。     

离子束生物工程应用研究进展

离子束生物工程是一门首先兴起于中国的交叉学科。虽然仅有１０余年的发展历程,但已在诱变育种、植物转基因、生命起源和进化以及环境辐射与人类健康等方面取得了一些重要的阶段性研究结果,开辟了具有重要理论和应用价值的研究方向,为遗传工程相关领域提供了新的研究手段。随着离子束生物工程学的进一步发展,它还将在细胞另工、非对称细胞融合等方面发挥重要作用。     

低能强流混合离子束空间电荷补偿度研究

空间电荷效应是影响束流传输和束流品质的一个重要因素，特别是对于低能量强流离子束来说。离子束与束流传输线中的剩余气体分子通过电离反应等产生大量二次电子，受离子束的空间电势约束，可以部分补偿空间电荷效应。为了深入研究强流束在低能段的传输，需要准确测量束流的空间电荷补偿度(SCCD)，尤其是混合束流的SCCD。利用一台三栅网式能量分析仪和一台基于128通道皮安表系统构成的束流剖面探测器，分别测量了不同流强和束流分布下的混合O离子束的二次离子能量分布和束流流强分布，从而计算得出SCCD。实验结果表明，在1.0×10^-5 Pa的真空度下，不同流强的混合O离子束的SCCD基本在70%左右；不同束流分布对空间电势分布影响较大，对离子束的SCCD也会有一定程度的影响。     

强脉冲离子束与新材料工艺

近几年强脉冲离子束胜材料表面改性和薄摹研究表明，强脉冲能量效应赋予离子束新的物理性质，非常有希望形成高效率、低成本的离子束工艺，为此对脉中功率密度为１０＾－６－－１０＾９Ｖ／ｃｍ＾２、脉冲宽度〉１μｓ的强脉冲子束辐照效应强脉冲离子源及其在材料研究中的应用前景进行了评述。     

强流离子束离子径向密度分布的模拟研究

对初始分布为K-V分布的离子束进行模拟研究.除观察到存在束晕现象外，还发现离子束在通 道内运行过程中，离子沿径向密度分布发生了变化. 通过延迟反馈控制，不仅可以消除束晕 ，而且只要控制参数适当，也可以使束中心部分呈均匀分布状态. 关键词： 强流离子束 束晕 填充因子 离子密度分布     

利用强流ISOL束研究20Na的奇异衰变模式(英文)

北京放射性离子束装置（Beijing Radioactive Ion-beam Facility,BRIF）是基于在线同位素分离器技术的国家大科学平台。在BRIF装置上利用100 MeV的质子束轰击较厚的反应靶产生放射性核素;反应产物经离子源电离和在线分离,在线同位素分离段可引出100~300 keV的放射性核束,质量分辨率达20 000。在基金委科学仪器基础研究专项的支持下,建成了多用途的衰变实验终端,包括束流传输管道、通用靶室、带电粒子和γ探测器、集成电子学和数据获取系统等。利用100 MeV的质子束轰击MgO厚靶产生了流强高达1×105 pps的20Na放射性核束。通过高效率地同时测量β,γ和α,第一次直接观测到20Na非常稀有的β-γ-α衰变模式。Beijing Radioactive Ion-beam Facility(BRIF) has been commissioned as the national Radioactive Ion Beam(RIB) facility based on the Isotope Separator On Line(ISOL) technique since 2016. At BRIF, the radioactive nuclides are produced by the proton beam of 100 MeV bombarding a thick-target, the reaction products diffusing out of the target are ionized by an ion source and delivered to the online mass separator. In addition to the post-accelerated radioactive ion beams, BRIF can provide low-energy ISOL beams of 100 to 300 keV with a mass resolution of 20 000. A general-purpose decay station has been built including the ISOL beam transport line, a conventional reaction chamber, charge-particle and γ detectors with integrated electronics and data acquisition system. An intense 20Na ISOL beam up to 1×105 pps was produced by using the 100 MeV proton beam bombarding a MgO thick target. With high-efficiency measurements of β, γ and α simultaneously, very rare β-γ-α decay mode in 20Na has been directly observed for the first time in the present work.     

兰州重离子加速器冷却储存环中电子冷却性能

为了在兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)上开展一维离子束序化的研究,在CSR主环上,对6.39 MeV/u的58Ni19+离子束进行了冷却累积实验。测量了离子束与电子束之间不同的水平、垂直夹角以及不同电子束剖面的情况下,束流累积及束流寿命变化情况;重点研究了离子束衰减过程中动量分散随离子数的变化规律,拟合计算得到了动量分散随离子数按照幂函数衰减的指数;在给定离子数的情况下,动量分散随夹角、电子束剖面的依赖关系,为下一步在CSR上获得纵向一维有序化离子束的研究做准备。在实验中观测到在较大的夹角情况下,离子束出现纵向振荡和中心频率移动。     

基于射频功率调节的负离子源束流反馈控制研究北大核心CSCD

基于射频负离子源的中性束注入系统是高功率长脉冲(稳态)运行中性束注入系统的最佳选择。负离子源是中性束注入系统的核心部件,需要实现稳定的负离子束引出和加速。在负离子源的运行过程中引出负离子电流会发生变化,尤其在长脉冲、高能量运行条件下会更加明显,因此无法满足稳定运行的要求。为了实现引出束流的稳定引出,开展了束流反馈控制研究,研发了一套基于射频功率调节的束流反馈控制系统,并将束流反馈控制系统应用在射频负离子源测试平台,开展了束流反馈控制测试。测试结果表明束流反馈控制系统能够实现对束流的实时反馈调节以获得束流的稳定引出,验证了基于射频功率调节的束流反馈控制的可行性,为高功率射频负离子源的研制提供支持。     

用于静电加速器的高频离子源及其引出特性

 根据离子束生物工程的需要,设计和研制了一台用于静电加速器的小型高频离子源。针对使用环境从理论上确定了离子源的结构和尺寸。通过实验调试取得了引出束流与引出电压、聚焦电压以及放电气压之间的变化特性曲线,测定了引出束流的束径包络,对束流的不稳定性进行了分析,在设计中采取了有效的措施抑制束流不稳定性。结果表明,离子源的最佳工作条件为引出电压1 600V~1 800V,放电气压在（4~8）×10^-4Pa范围,此时离子源可引出最大束流30μA。束流大小及其稳定性均达到预期要求。     

用偏压法拉第筒测量强流脉冲离子束

 分析了偏压法拉第筒测量强流脉冲离子束的原理和影响测量准确度的主要因素,研制了一种结构简单的偏压离子法拉第筒阵列,利用该装置测量了200kV小型强流脉冲离子束源的束流密度分布,束流中心密度最大值约为170A/cm²。     

Commissioning of electron cooling in CSRe

The 400 MeV/u 12C6+ion beam was successfully cooled by the intensive electron beam near 1 A in CSRe.The momentum cooling time was estimated near 15 s.The cooling force was measured in the cases of different electron beam profiles,and the different angles between the ion beam and electron beam.The lifetime of the ion beam in CSRe was over 80 h.The dispersion in the cooling section was confirmed as positive close to zero.The beam sizes before cooling and after cooling were measured by the moving screen.The beam diameter after cooling was about 1 mm.The bunch length was measured with the help of the signals from the beam position monitor.The diffusion was studied in the absence of the electron beam.     

强流ECR离子源引出系统研究

为了提高强流ECR 离子源的引出束流品质,分别设计了1# 和2# 引出系统,利用束流引出模拟软件PBGUNS 对1# 和2# 引出系统进行了质子束流引出与传输的模拟计算,结合实际测得的发射度数据分析引出系统,发现2# 引出系统比1# 引出系统引出束流品质高。对ECR 离子源引出系统的电势等位线分布等参数引起的球差进行了简单数学推导及MATLAB 绘图,并结合1# 和2# 引出系统束流相图模拟结果证明了球差会使引出束流品质有效发射度增长,通过适当加大电极孔径可改善束流聚焦情况,得到了束流光学聚焦较好的束流引出系统设计。To improve the quality of extracted ion beam from a high current ECR ion source, 1# and 2# extraction systems were designed and tested. The PBGUNS code was used to simulate the 1# and 2# extraction systems of proton ion beam. The emittance measurement results with the two different extraction systems were compared and analyzed with the simulation, the conclusion that more high quality beam extracted from 2# system than 1# system was got. The formula derivation of ECR ion source extraction system spherical aberration and MATLAB drawing was done by the analyzing on the distribution of extraction field equipotentials, effective emittance increasing caused by spherical berration was proved by 1# and 2# extraction systems beam phase space simulation result, beam focusing would be improved if electrode hole size increasing appropriately and a general concept on good optics focusing of ion beam extraction system was proposed finally.     

Formation of biaxial texture in metal films by selective ion beam etching

The formation of in-plane texture via ion bombardment of uniaxially textured metal films was investigated. In particular, selective grain Ar ion beam etching of uniaxially textured (0 0 1) Ni was used to achieve in-plane aligned Ni grains. Unlike conventional ion beam assisted deposition, the ion beam irradiates the uniaxially textured film surface with no impinging deposition flux. The initial uniaxial texture is established via surface energy minimization with no ion irradiation. Within this sequential texturing method, in-plane grain alignment is driven by selective etching and grain overgrowth. Biaxial texture was achieved for ion beam irradiation at elevated temperature.     

RIKEN 18GHzECR离子源上金属离子的产生

At RIKEN,three ECR ion sources(10GHz ECRIS,18GHz ECRIS and liquid He-free SC-ECRIS) are operated as external ion sources of heavy ion accelerators.In the last year,multi-charged uranium ion beam was produced from 18GHz ECRIS by using UF_6 and the ~(238)U ion was successfully accelerated by the accelerator complex which consists of the RFQ linear accelerator,RIKEN heavy ion linear accelerator(RILAC)and RIKEN ring cyclotron accelerator(RRC).The typical beam intensity of~(238)U~(14 ) was about 2pμA on faraday cup after analysing magnet.~(70)Zn beam was still supplied for the new super-heavy element search experiment with insertion method.Intense beam of~(70)Zn~(16 ) was produced for long term(～43 days)without vacuum break and remarkably low material consumption rate(～100μgr/h).We already supplied Zn beam longer than 200 days for this experiment.~(48)Ca ion was also produced by insertion method using~(48)CaO rod for the nuclear physics experiment.In this contribution,we will present ion source parameter and techniques for production of each of the metal ions.     

考虑到束-波相互作用的速调管离子噪声二维模拟

采用粒子模拟的方法并考虑电子束与电磁波的相互作用，首次直接得到了速调管输出信号的离子噪声图像，阐述了束电子、二次电子、离子、电磁场之间的相互作用的动力学过程. 指出离子噪声所表现出来的相位波动是由电子束速度的波动引起的，电子束速度的变化来源于管内离子数量的变化，离子的数量的变化又与电子束状态变化相互影响，这是离子噪声产生的根本原因. 二次电子对离子噪声产生过程的影响甚微，但是其行为却反映了离子噪声的形成机理. 离子噪声引发的输出信号幅度波动取决于电子束速度和半径的改变，与离子行为密切相关. 关键词： 离子噪声 速调管 粒子模拟 电子束