專利名稱：高通量中性原子束流的制備技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子束流，特別是高通量高純度的中性原子束流的制備技術(shù)。
目前對(duì)于離子束流的發(fā)生與控制技術(shù)較成熟，但對(duì)于中性原子束流，特別是高通量(大于1013原子/cm2.s)中性原子束流尚未有公開成熟技術(shù)(如Bruce A.Banbks，Sharon K.Rutledge，and Joyce A.Brady，The NASAalomic oxygen effects test program，N89-12582，p.61)。已有的中性原子束發(fā)生與控制技術(shù)，如(1)在一些實(shí)驗(yàn)室為研究原子與材料相互作用利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生原子束的技術(shù)，雖然可獲得較純的原子束，但其所產(chǎn)生的原子束流通量一般低于1011原子/cm2.s，動(dòng)能低于0.1ev。(2)向放電等離子體中充入分子氣體進(jìn)行離子與分子間的碰撞交換電子以產(chǎn)生中性原子束是目前較普遍采用的中性化技術(shù)，該技術(shù)適合于具有較低通量的離子束流(小于1012離子/cm2.s)和較高動(dòng)能的離子(大于100ev)。并且該技術(shù)難以獲得高純度的原子束。
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高通量、高純度的中性原子束流的制備技術(shù)。
本發(fā)明提供了一種高通量中性原子束流的制備技術(shù)，適用于能夠產(chǎn)生分子氣體的原子，首先將分子氣體放電形成等離子體，再由強(qiáng)磁場(chǎng)約束成高密度等離子體束，要求密度大于1012離子/cm3，其特征在于以一帶負(fù)偏壓的高原子序數(shù)金屬板作為中性化靶，金屬板的原子序數(shù)較要形成原子束的原子序數(shù)大30以上，所施加的負(fù)偏壓應(yīng)使等離子束的入射動(dòng)能在5-60ev范圍內(nèi)，由中性靶上反射出來的即所需中性原子束。氣體放電可以采用直流電場(chǎng)耦合，射頻耦合，微波耦合。約束磁場(chǎng)大于1000高斯。
當(dāng)?shù)入x子體中的粒子接近中性化靶金屬的表面時(shí)，由于負(fù)偏壓的作用，帶正電的粒子被加速，而電子e則被排斥，離子的能量大小由加速電壓決定，被加速的離子在進(jìn)一步接近金屬靶表面時(shí)，金屬中的一些電子會(huì)因俄歇躍遷或共振躍遷而離開金屬表面與離子中和形成中性原子，中和形成的原子進(jìn)一步與金屬靶表面的原子碰撞，如果靶原子的質(zhì)量遠(yuǎn)比入射原子大(約大于30以上)，則碰撞的結(jié)果是入射粒子被反射回來，形成一束中性原子束流。反射的物理機(jī)制John W.Cuthbertson等人有較為詳細(xì)的論述，見JohoW.Culhbertson，Robert W.Motley and Villiam D.Langer，Rev.Sci.Instrm.63(11)，Nov.1992。原子束流的通量f可由約束磁場(chǎng)強(qiáng)度B控制，一般f∝B2，其比例系數(shù)需由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。原子束流的動(dòng)能Einc與施加于中性化靶的負(fù)偏壓ΔV值成正比，其比例系數(shù)一般也需實(shí)驗(yàn)測(cè)定。一般入射離子束的動(dòng)能可在5-50ev范圍內(nèi)控制。
本發(fā)明可在實(shí)驗(yàn)室獲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范圍控制，束流動(dòng)能可在5-40ev范圍控制，原子束流種類可基本不受限制，純度可接近100％，這種原子束流的獲得可為研究原子束與材料相互作用和發(fā)展可能的原子束材料表面改性提供一種新技術(shù)。下面結(jié)合附圖通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
附

圖1.原子束流發(fā)生原理方框圖；附圖2.模擬生成原子束流的實(shí)物裝置原理圖。
實(shí)施例1原子氧束流發(fā)生與控制模擬生成原子氧束流的實(shí)驗(yàn)裝置原理見附圖二。它首先由微波耦合氧氣放電產(chǎn)生氧等離子體，再由一平均強(qiáng)度為2000高斯的螺線管線圈軸向磁場(chǎng)約束后與一施加負(fù)偏壓的金屬鉬板碰撞反射獲得原子氧束流。實(shí)驗(yàn)采用普通氧氣，氧氣工作壓力控制在2-3×10-3托，真空室背底真空抽至10-6托，中性化靶加負(fù)偏壓-30～-12V，約束磁場(chǎng)控制在2000G5左右，測(cè)定結(jié)果表明原子氧通量f與磁場(chǎng)強(qiáng)度B之間滿足f(atoms/cm2.s)＝2.5×109B2(Gs2)，原子氧動(dòng)能Einc與中性化靶負(fù)偏壓ΔV之間滿足EINC＝-0.3ΔV+5。原子氧最大通量可達(dá)1016氧原子/cm2.s，原子氧動(dòng)能可在5-40ev范圍內(nèi)控制與調(diào)節(jié)。對(duì)原子氧束流的質(zhì)譜測(cè)定表明束流中原子氧的純度達(dá)99％。
實(shí)施例2 原子氮束流發(fā)生與控制模擬生成原子氮的實(shí)驗(yàn)裝置原理與實(shí)施例1相同。氣體采用高純氮?dú)?，合理控制放電工作氣壓，可獲得氮原子束流。具體實(shí)驗(yàn)條件如下(a)背底真空抽至10-6托(b)通入氮?dú)?，將工作氣壓控制?-5×10-3托；(c)加負(fù)偏壓-30V；(d)約束磁場(chǎng)控制在1500Gs左右。所獲得氮原子束流通量為1015atoms/cm2.s，能量為5ev。
實(shí)施例3 原子氬束流發(fā)生與控制模擬生成原子氬的裝置原理與實(shí)施例1相同，氣體采用高純氬氣，先將設(shè)備真空抽至10-6托，然后通入氬氣，氣壓控制在10-2-10-3托，加負(fù)偏壓-30～-130V，約束磁場(chǎng)控制在2000Gs?？色@得能量在10～40ec，束流通量約為1016atoms/cm2.s的中性氬原子束流。
權(quán)利要求
1.一種高通量中性原子束流的制備技術(shù)，適用于能夠產(chǎn)生分子氣體的原子，首先將分子氣體放電形成等離子體，再由強(qiáng)磁場(chǎng)約束成高密度等離子體束，要求密度大于1012離子/cm3，其特征在于以一帶負(fù)偏壓的高原子序數(shù)金屬板作為中性化靶，金屬板的原子序較要形成原子束的原子序數(shù)大30以上，所施加的負(fù)偏壓應(yīng)使等離子體束的入射動(dòng)能在5-60ev范圍內(nèi)，由中性靶上反射出來的即所需中性原子束。
2.按權(quán)利要求1所述的高通量中性原子束流的制備技術(shù)，其特征在于氣體放電可以采用直流電場(chǎng)耦合，射頻耦合，微波耦合。
3.按權(quán)利要求2所述高通量中性原子束流的制備技術(shù)，其特征在于約束磁場(chǎng)大于1000高斯。
全文摘要
一種高通量中性原子束流的制備技術(shù),適用于能夠產(chǎn)生分子氣體的原子,首先將分子氣體放電形成等離子體,再由強(qiáng)磁場(chǎng)約束成高密度等離子體束,要求密度大于10
文檔編號(hào)H05H3/02GK1190323SQ97105079
公開日1998年8月12日 申請(qǐng)日期1997年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月4日
發(fā)明者沈嘉年, 周龍江, 何硯發(fā), 李鐵藩, 李美栓 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬腐蝕與防護(hù)研究所