计及溅射损失的平行板静电场法离子引出和收集

采用粒子模拟-Monte Carlo碰撞(particle in cell_Monte Carlo collision)方法研究了 原子蒸气激光同位素分离工程中一维平行板静电场法离子引出和收集过程，记录引出离子的 能量分布和角度分布，计算离子在收集板上造成的溅射损失.模拟结果表明，增加引出电压 可以缩短引出时间，降低碰撞损失，但是增加了溅射损失，使得收集率降低；增加电子温度 可以缩短引出时间，提高收集率；增加初始等离子体密度将使引出时间增加，收集率降低；而目标同位素丰度较高的情况下，离子引出过程的碰撞损失 关键词： 原子蒸气激光同位素分离 离子引出 溅射     

离子引出的二维PIC-MCC模拟

为探索用于原子蒸气激光同位素分离(AVLIS)的简单有效的离子引出方法,用二维particle-i n-cell with Monte Carlo collision(PIC-MCC)模拟比较了多种方法:平行板电场法,Π型电 极法,改进M型电极法,radio frequency(RF)共振法.模拟发现,磁场为零时的RF共振法不论从 离子引出时间还是从碰撞损失率看都是几种方法中最好的;其次是改进M型电极法.Π型电极 法的模拟结果与2维电子平衡流体模型的结果相差悬殊.RF共振法在有无磁场的不同条件下, 有着相 关键词： 离子引出 原子蒸气激光同位素分离 PIC-MCC     

离子引出收集的沉积与溅射研究

研究离子引发收集过程中的沉积和溅射特性,给出了离子沉积和溅射的数理模型,其中重点分析了结合能、捕获概率和溅射系数这几个参数的物理意义和计算公式,给出了收集板总收集量和损失量.并且用计算机模拟了收集板的收集,给出不同的离子入射能量下入射离子元素沉积厚度和不同元素靶对各入射离子溅射特性的影响.得出以下的结论:随着离子沉积在收集板表面涂层厚度的增加溅射率也增加;离子的引出电压不是越高越好;轻质量离子的总收集率比较小;入射离子沉积和溅射特性和收集板靶原子质量有关,质量轻的金属材料作收集板,有利于提高离子的收集率. 关键词： 溅射 捕获概率 溅射概率     

利用溅射原子角分布规律改进平行板静电场法

用Trim程序计算溅射原子的角分布规律,发现溅射原子出射角服从过余弦分布,利用这一规律,改进了收集方法,使得离子收集效率大大提高. 关键词： AVLIS 离子引出 溅射     

平行板静电场法离子引出的对称收集

离子引出的研究在AVLIS工程中有重要的意义，离子引出量和引出时间直接关系到整个系统 的离子收集效率. 在静电场中，由于等离子体屏蔽效应的存在，等离子体电位要高于正、负 极板的电位，而且在靠近正、负极板的两侧均存在鞘层. 理论模拟表明在正极板一边也可以 引出离子. 选取铯（Cs）作为实验对象，研究静电场对Cs等离子体的离子引出，使用安装在 两个极板上的法拉第筒收集离子引出信号. 实验结果表明，正极板确实可以引出离子，随着 外加电压的升高，从正极板一边引出离子的比率降低. 关键词： AVLIS 离子引出 等离子体     

考虑共振电荷转移的离子引出过程理论研究

离子引出是激光法分离同位素技术中的关键环节之一,对产品丰度和产率有重要的影响,而离子引出中离子和原子间的共振电荷转移过程则会对产品丰度造成污染,因此在研究离子引出过程时应考虑共振电荷转移的影响.本文利用粒子模拟(PIC)法以及基于PIC法和杂化PIC法的混合算法研究了考虑共振电荷转移的电场法离子引出过程,通过对一维平行板法的引出方式进行数值计算,获得了离子引出过程中共振电荷转移的基本性质和关键影响因素—共振电荷转移截面、引出时间、背景原子密度和蒸气宽度,并据此得到了离子发生共振电荷转移比例的经验公式;二维工况下的平行板法、交替偏压法、P型电场法和M型电场法四种引出方式的计算结果则表明,在其他条件相同的情况下, M型电场法具有最小的离子引出时间和共振电荷转移损失比例.本文的研究结论对于指导激光法分离同位素技术中离子引出装置设计和实验工艺设计具有比较重要的参考意义.     

不同磁路下微型ECR中和器电子引出的模拟研究

电子回旋共振(ECR)中和器是微型ECR离子推力器的重要组成部分,其引出的电子用于中和ECR离子源的离子束流,避免了航天器表面电荷堆积,并且电子引出性能对推力器的整体性能起着重要作用.为了分析影响微型ECR中和器电子引出的因素,本文建立了二维轴对称PIC/MCC计算模型,通过数值模拟研究不同磁路结构对中和器的电子引出,及不同腔体长度对壁面电流损失的影响.计算结果表明, ECR区位置和引出孔附近磁场构型对中和器的电子引出性能至关重要.当ECR区位于天线上游,电子在迁移扩散中易损失,并且电子跨过引出孔前电势阱所需的能量更高.如果更多磁力线平行通过引出孔,中和器引出相同电子电流所需电压较小.当ECR区被天线切割或位于下游时,电子更易沿磁力线迁移到引出孔附近,从而降低了收集板电压.研究了同一磁路结构下不同腔体长度对电子引出的影响,发现增加腔体长度,使得更多平行轴线的磁力线通过引出孔从而避免电子损失在引出板表面,增加了引出电子电流.研究结果有助于设计合理的中和器磁路和腔体尺寸.     

离子振荡对低压脉冲负电性放电条件的影响

为了研究该离子振荡及其对低气压负电性放电自持条件的影响，建立了一个整体模型描述低气压正负离子等离子体中离子振荡与少量电子的相互作用. 在模型中引入参数r描述电子流体与电极碰撞后的动量保存(或损失)的程度. 发现体系存在一个临界值r=r_c,它导致了两种不同性质的电子损失机理. 另一临界值r=4r_c决定了两种不同的电子密度随时间增长的阈值. 这使得该阈值随r非单调变化, 进而导致RF负电性脉冲放电主动放电阶段初期的自持放电条件参数空间中可以存在间隙. PIC-MCC 关键词： 负电性放电 脉冲放电 离子振荡     

高电荷态离子207Pb36+与金属Nb表面作用产生的二次离子产额

本文报道了利用兰州重离子加速器国家实验室ECR源引出的高电荷态离子207Pb36+入射到金属Nb表面产生二次离子溅射的实验测量结果.实验发现,二次离子产额Y随入射初动能Ek的增加有先增加后减小的关系,二次离子产额有一个峰值.理论分析认为,这一过程是势能沉积作用与线性级联碰撞过程协同作用的结果.     

高电荷态离子^207Pb^36＋与金属Nb表面作用产生的二次离子产额

本文报道了利用兰州重离子加速器国家实验室ECR源引出的高电荷态离子^207Pb^36＋入射到金属Nb表面产生二次离子溅射的实验测量结果，实验发现。二次离子产额Y随入射初动能B的增加有先增加后减小的关系，二次离子产额有一个峰值。理论分析认为，这一过程是势能沉积作用与线性级联碰撞过程协同作用的结果。     

Monte Carlo model for the argon ions and fast argon atoms in aradio-frequency discharge

A three-dimensional Monte Carlo model has been developed for the argon ions and fast argon atoms in the RF sheath of a capacitively coupled RF glow discharge in argon. Our interest in the argon ions and fast argon atoms in the RF sheath arises from the fact that the glow discharge under study is used as sputtering source for analytical chemistry. This source operates at typical working conditions of a few torr pressure and about 10 W incoming power. The argon ion and atom Monte Carlo model has been coupled to a hybrid Monte Carlo-fluid model for electrons and argon ions developed before to obtain fully self-consistent results. Typical results of this model include, among others, the densities, fluxes, collision rates, mean energies, and energy distributions of the argon ions and atoms. Moreover, we have investigated how many RF cycles have to be followed before periodic steady state is reached, and the effects of all previous RF cycles are correctly accounted for. This is found to be the case for about 20-25 RF cycles     

Spatial variations in the stoichiometry of sputtered YBaCuO thin films: theory and experiment

A Monte Carlo simulation of the sputtering process is applied to the problem of the thickness and stoichiometry variations in the sputtering of YBaCuO superconducting targets. The theory predicts no strong spatial variations in stoichiometry due to the different scattering behaviour of the various constituents of the superconductor. The theory is compared with a systematic experimental study using both RF and DC sputtering in either argon or oxygen gases. The ratios Ba: Y and Cu: Y were determined as a function of radial distance by inductively coupled plasma analysis (ICP). In argon, both DC and RF sputtering gave a thickness distribution in reasonable agreement with theory. In oxygen, RF sputtering gave a thickness distribution very different to theory and gave no net deposition in an annular central region. Stoichiometry variations are interpreted in terms of etching processes. The role of oxygen ions in etching is discussed and a case made for the importance of oxygen positive ions in RF sputtering in oxygen.     

磁场调控型离子源的设计与实验

磁场调控型离子源在离子源等离子体扩散空间中引入轴向强脉冲磁场,磁场起两方面的作用,一是形成潘宁放电效应,使原子、气体分子碰撞电离效率增加;二是在脉冲强磁场的作用下,强轴向磁场将质量较轻的离子约束在轴线上,对质量较重的金属离子约束能力较弱,导致其在等离子体膨胀引出通道中碰壁损失,能够提升引出轻离子的比例。开展了磁场调控的离子源放电结构、强脉冲螺线管磁场以及引出束流光学结构的设计;测量分析了引出离子流强和离子打靶束斑形貌。研究结果表明,强轴向磁场通过等离子体对混合离子成分的筛选作用,可有效提高引出离子流强中的轻离子成分比例。     

磁控溅射Al膜的AFM性能分析及其制备工艺研究

用原子力显微镜(AFM)对直流溅射和射频溅射制备铝膜的表面粗糙度及颗粒大小进行了分析比较.实验结果表明:溅射功率和溅射时间对铝膜表面粗糙度有影响,通过延长溅射时间或提高溅射功率可使膜的平均颗粒直径增大.     

Characterization of a RF/dc-magnetron discharge for the sputter deposition of transparent and highly conductive ITO films

A RF-superimposed dc-magnetron sputter process for coating color filter materials with transparent and conducting ITO films was investigated. In this process, the sputtering cathode is excited simultaneously by dc- and RF-power (at 13.56 MHz). This work summarises the measured properties of the gas discharge. Some basic data of the deposited ITO films are given, also. The dependence of the RF portion of the total sputtering power on the discharge voltage has been monitored for different values of total power and process pressure. The ion energy distribution function of the positively charged ions approaching the substrate surface has been measured using a retarding field plasma analyser probe. It was shown that the mean energy of the ions increases with increasing RF portion of the total power. The electron temperature in the body region of the gas discharge has been derived from measurements of the optical emission of the excited species. Received: 3 November 1998 / Accepted: 8 March 1999 / Published online: 14 July 1999     

粒子束对玻姆鞘层判据的影响

在一维平板鞘层中应用双流体模型在有无碰撞两种情况下分别研究了定向离子束和定向电子束的存在对玻姆鞘层判据的影响.研究所涉及的碰撞主要有电荷交换碰撞、电离碰撞和总能量损失碰撞.工作气体是氩气，气压是常压.通过采用四阶龙格-库塔法，得到了数值解.结果表明定向离子束能减小漂移离子进入鞘层的最小速度，电荷交换碰撞也能减小这一速度；定向电子束使这一速度增加，与定向电子束相关的电离碰撞却使这一速度大幅度降低. 关键词： 双流体模型 玻姆鞘层判据 碰撞     

Theoretical investigation of 2+2 resonance enhanced multi-photon ionization probability

The analytic formula of the ionization probability in the process of 2+2 resonance enhanced multi-photon ionization (REMPI) is derived from the dynamic rate equation about the interaction of photon and material. Based on the formula, the influence of laser intensity, laser pulse duration and collision relaxation rate on the ionization probability is investigated theoretically. It is shown that the ionization probability increases with the laser intensity and laser pulse duration. The ionization probability will get to one until two steps saturation with the increase of laser intensity. After that, the ionization probability will oscillates narrowly around the saturation value if the laser intensity increases further. The results also show that the ionization probability will decrease in linear manner nearly with the increase of collision relaxation rate. But the variation is small. So the influence of the collision relaxation rate (or even sample pressure) on the ionization probability can be ignored. In the practical use of REMPI, higher sample pressure will reduce the intensity of the detection signal is due to the collision complex of the positive and negative ions. This will reduce the collection efficiency of the ions, and influence the magnitude of the ion signal further.     

表面产生负氢离子引出MCC算法设计

本文深入研究负氢离子输运及引出物理机理,理论分析了交换电荷反应及库仑碰撞过程,并设计了相应数值计算模块.在此基础上,采用有限差分法计算负氢离子所受洛伦兹力,运用蒙特卡罗碰撞方法处理负氢离子与其他粒子间的碰撞,成功研制了表面产生负氢离子输运及引出的全三维MCC算法,结合国外热门离子源JAEA 10A离子源进行模拟验证,结果显示:随着过滤磁场增大,引出离子数越大,离子源空间生存离子总数越小;当过滤磁场较小时,气压越大引出离子数越多,当过滤磁场较大时,气压越小引出离子数越多.