[发明专利]丝极放电离子源

说明书

本发明涉及脉冲离子源以及使用该离子源的设备例如等离子体发生器。

公开文献US 3,156,842涉及气体离子发生器，其包括：形状为旋转状的空心电极，沿着所述空心电极的轴放置并具有比所述空心电极的截面小很多的截面的呈杆形的电极，用于将处于较低压的气体供应到由空心电极限定的空间中的装置，以及用于使电子远离空心电极的端部的装置。

也可参考公开文献US 3,970,892、US 4,025,818、US 4,642,522、US4,694,222、US 4,910,435和FR 2 591 035。

如果电极呈细丝极的形式，已证明其难以产生具有高强度且均匀的电流的大尺寸离子源。事实上，放电是沿着丝极非均匀地形成的，而且发现其并不稳定。丝极可能局部变得白热。可能的情况是放电室壁的内表面形成较好的发射性能。可以设想使用沿着放电室的轴平行安装的多个长丝极。然而，随后放电沿着丝极不均匀地产生，并出现了与丝极的膨胀和振动有关的机械困难。如果使用垂直于放电室的轴安装的多个短丝极，则机械设备变得复杂，这尤其由于存在穿过气密且电绝缘的壁的多个通路所导致。可以设想单独为每个丝极供电。这样就需要多个电源，这使得装置中的电部件更加复杂。

此外，以稳定且均匀的方式形成填充低压室的放电依然很困难的。

本发明尤其旨在克服上述的现有技术的缺点。

发明具体的目的是提供一种均匀且稳定的大尺寸离子源。

一种丝极放电离子源，包括：电离室，其设置有内壁，并且配置为容纳待电离的气体；丝极，其布置在电离室中；以及电源，其向丝极供电。丝极布置为彼此基本上平行，并且穿过内壁而连接至电源。至少一个第一丝极穿过第一内壁而连接至电源，且至少一个第二丝极穿过与第一内壁相对的第二内壁而连接至电源。

实际上申请人发现以从电离室的相对侧向丝极供电的交错方式向丝极供应电流，能够基本上减少磁场对气体电离的副作用。多达几百安培的电流产生相当强的磁场，例如，在距离丝极一厘米的距离处为几千分之一特斯拉的量级，从而使自由电子的回转半径在0.03mm的量级上，并因此基本上小于平均自由程。对于这样的电子，则不太可能使气体电离。交错的供电能够使磁场在量级上减少10至100倍。

丝极可安装为偶数。丝极的数量可以是2、4、6、8或10。如果丝极的数量大于或等于4，则丝极的布置可以是使第一丝极相邻于多个第二丝极，且第二丝极相邻于多个第一丝极。术语“相邻”可理解为是最靠近的相邻。

在具有四个丝极的组件的情况下，从截面看去，这些丝极可布置为第一丝极沿着一条对角线而第二丝极沿着另一对角线的方形。四个丝极也可布置在平面层中，第一丝极和第二丝极彼此交替。在具有六个丝极的组件的情况下，这些丝极可以是第一丝极和第二丝极交替的六边形布置、矩形布置或平面层布置。在具有八个丝极的组件的情况下，这些丝极可以布置在两个具有四个丝极的组中，所述两组由大于隔开两个相邻丝极的间距的间距隔开，还可布置在具有恒定间距的矩形中、在八边形中，在平面层中等等。

电源可配置为提供小于每厘米丝极长度1安培的电流。这促进了放电的均匀性。

在一个实施例中，丝极平行于电离室的轴。丝极可平行于电离室的纵轴。因此穿过气密壁的电通道的数量低。

在一个实施例中，丝极平行于加速室的一个轴。

两个丝极之间的最小间隔可大于丝极直径的40倍，优选地为50倍。用这种方法，可获得每个丝极在操作中放电的一定独立性。振动、不正确的定位、或丝极缺乏笔直度，仅对相邻丝极附近的放电产生可忽略的破坏。丝极的半径可以相同。

电离室的最小内周长可大于以下几个数的乘积：常量、电离室中丝极的数量、丝极的直径以及代表存在于电离室中的气体的原子量的参数。电离室的最小内周长可大于电离室中丝极的数量、丝极的直径以及存在于电离室中的气体的原子量的平方根的乘积的100倍。用这种方式可提高放电的均匀性。

在一个实施例中，丝极包含钨例如钨合金。丝极可包含熔点高于2000K的金属。丝极优选地由经过处理以耐受高温的硬金属制成。

在一个实施例中，丝极具有在0.1至0.5mm之间的直径，优选地在0.15至0.3mm之间的直径。

在一个实施例中，电离室中待电离的气体的压强在0.5至100帕斯卡之间，优选地在1至20帕斯卡之间。

在一个实施例中，待电离的气体包含氦气。

在一个实施例中，待电离的气体包含氦气以及质量上占5％至25％的氖气，优选地氖气在质量上占5％至15％。这样提高了放电的空间均匀性。

在一个实施例中，丝极的数量由电源提供的总电流来确定。