高通量中性原子束流的制备技术制造技术

一种高通量中性原子束流的制备技术，适用于能够产生分子气体的原子，首先将分子气体放电形成等离子体，再由强磁场约束成高密度等离子体束，要求密度大于１０↑［１２］离子／ｃｍ↑［３］，其特征在于：以一带负偏压的高原子序数金属板作为中性化靶，金属板的原子序较要形成原子束的原子序数大３０以上，所施加的负偏压应使等离子体束的入射动能在５－６０ｅｖ范围内，由中性靶上反射出来的即所需中性原子束。本发明专利技术获得高通量、高纯度的中性原子束流。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及原子束流，特别是高通量高纯度的中性原子束流的制备技术。目前对于离子束流的发生与控制技术较成熟，但对于中性原子束流，特别是高通量(大于1013原子/cm2.s)中性原子束流尚未有公开成熟技术(如Bruce A.Banbks，Sharon K.Rutledge，and Joyce A.Brady，The NASAalomic oxygen effects test program，N89-12582，p.61)。已有的中性原子束发生与控制技术，如(1)在一些实验室为研究原子与材料相互作用利用化学反应产生原子束的技术，虽然可获得较纯的原子束，但其所产生的原子束流通量一般低于1011原子/cm2.s，动能低于0.1ev。(2)向放电等离子体中充入分子气体进行离子与分子间的碰撞交换电子以产生中性原子束是目前较普遍采用的中性化技术，该技术适合于具有较低通量的离子束流(小于1012离子/cm2.s)和较高动能的离子(大于100ev)。并且该技术难以获得高纯度的原子束。本专利技术的目的在于提供一种具有高通量、高纯度的中性原子束流的制备技术。本专利技术提供了一种高通量中性原子束流的制备技术，适用于能够产生分子气体的原子，首先将分子气体放电形成等离子体，再由强磁场约束成高密度等离子体束，要求密度大于1012离子/cm3，其特征在于以一带负偏压的高原子序数金属板作为中性化靶，金属板的原子序数较要形成原子束的原子序数大30以上，所施加的负偏压应使等离子束的入射动能在5-60ev范围内，由中性靶上反射出来的即所需中性原子束。气体放电可以采用直流电场耦合，射频耦合，微波耦合。约束磁场大于1000高斯。当等离子体中的粒子接近中性化靶金属的表面时，由于负偏压的作用，带正电的粒子被加速，而电子e则被排斥，离子的能量大小由加速电压决定，被加速的离子在进一步接近金属靶表面时，金属中的一些电子会因俄歇跃迁或共振跃迁而离开金属表面与离子中和形成中性原子，中和形成的原子进一步与金属靶表面的原子碰撞，如果靶原子的质量远比入射原子大(约大于30以上)，则碰撞的结果是入射粒子被反射回来，形成一束中性原子束流。反射的物理机制John W.Cuthbertson等人有较为详细的论述，见JohoW.Culhbertson，Robert W.Motley and Villiam D.Langer，Rev.Sci.Instrm.63(11)，Nov.1992。原子束流的通量f可由约束磁场强度B控制，一般f∝B2，其比例系数需由实验测定。原子束流的动能Einc与施加于中性化靶的负偏压ΔV值成正比，其比例系数一般也需实验测定。一般入射离子束的动能可在5-50ev范围内控制。本专利技术可在实验室获得可控的高通量中性原子束流，束流通量可在1013-1016原子/cm2.s范围控制，束流动能可在5-40ev范围控制，原子束流种类可基本不受限制，纯度可接近100％，这种原子束流的获得可为研究原子束与材料相互作用和发展可能的原子束材料表面改性提供一种新技术。下面结合附图通过实施例详述本专利技术。附附图说明图1.原子束流发生原理方框图；附图2.模拟生成原子束流的实物装置原理图。实施例1原子氧束流发生与控制模拟生成原子氧束流的实验装置原理见附图二。它首先由微波耦合氧气放电产生氧等离子体，再由一平均强度为2000高斯的螺线管线圈轴向磁场约束后与一施加负偏压的金属钼板碰撞反射获得原子氧束流。实验采用普通氧气，氧气工作压力控制在2-3×10-3托，真空室背底真空抽至10-6托，中性化靶加负偏压-30～-12V，约束磁场控制在2000G5左右，测定结果表明原子氧通量f与磁场强度B之间满足f(atoms/cm2.s)＝2.5×109B2(Gs2)，原子氧动能Einc与中性化靶负偏压ΔV之间满足EINC＝-0.3ΔV+5。原子氧最大通量可达1016氧原子/cm2.s，原子氧动能可在5-40ev范围内控制与调节。对原子氧束流的质谱测定表明束流中原子氧的纯度达99％。实施例2 原子氮束流发生与控制模拟生成原子氮的实验装置原理与实施例1相同。气体采用高纯氮气，合理控制放电工作气压，可获得氮原子束流。具体实验条件如下(a)背底真空抽至10-6托(b)通入氮气，将工作气压控制在2-5×10-3托；(c)加负偏压-30V；(d)约束磁场控制在1500Gs左右。所获得氮原子束流通量为1015atoms/cm2.s，能量为5ev。实施例3 原子氩束流发生与控制模拟生成原子氩的装置原理与实施例1相同，气体采用高纯氩气，先将设备真空抽至10-6托，然后通入氩气，气压控制在10-2-10-3托，加负偏压-30～-130V，约束磁场控制在2000Gs。可获得能量在10～40ec，束流通量约为1016atoms/cm2.s的中性氩原子束流。权利要求1.一种高通量中性原子束流的制备技术，适用于能够产生分子气体的原子，首先将分子气体放电形成等离子体，再由强磁场约束成高密度等离子体束，要求密度大于1012离子/cm3，其特征在于以一带负偏压的高原子序数金属板作为中性化靶，金属板的原子序较要形成原子束的原子序数大30以上，所施加的负偏压应使等离子体束的入射动能在5-60ev范围内，由中性靶上反射出来的即所需中性原子束。2.按权利要求1所述的高通量中性原子束流的制备技术，其特征在于气体放电可以采用直流电场耦合，射频耦合，微波耦合。3.按权利要求2所述高通量中性原子束流的制备技术，其特征在于约束磁场大于1000高斯。全文摘要一种高通量中性原子束流的制备技术,适用于能够产生分子气体的原子,首先将分子气体放电形成等离子体,再由强磁场约束成高密度等离子体束,要求密度大于10文档编号H05H3/02GK1190323SQ97105079公开日1998年8月12日 申请日期1997年2月4日 优先权日1997年2月4日专利技术者沈嘉年, 周龙江, 何砚发, 李铁藩, 李美栓 申请人:中国科学院金属腐蚀与防护研究所 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高通量中性原子束流的制备技术，适用于能够产生分子气体的原子，首先将分子气体放电形成等离子体，再由强磁场约束成高密度等离子体束，要求密度大于１０↑［１２］离子／ｃｍ↑［３］，其特征在于：以一带负偏压的高原子序数金属板作为中性化靶，金属板的原子序较要形成原子束的原子序数大３０以上，所施加的负偏压应使等离子体束的入射动能在５－６０ｅｖ范围内，由中性靶上反射出来的即所需中性原子束。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈嘉年，周龙江，何砚发，李铁藩，李美栓，
申请(专利权)人：中国科学院金属腐蚀与防护研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]