[发明专利]一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置

说明书

本发明涉及离子加速器技术和低能多电荷态离子束的技术领域，特别是涉及一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置，该方法是在工作物质与固态电解质薄膜界面，通过氧化还原反应，碱土金属或稀土金属元素转化成二价或三价离子，然后通过固态电解质中的快速离子传输通道输送到阳极，又通过场致蒸发离开阳极进入真空，最后在外加电场作用下加速、引出，形成离子束。本装置主要包括可移动的发射器组件和真空系统，该发射器组件依次由高电导和热导的金属阴极、工作物质薄膜、固态电解质薄膜、多孔导电阳极和欧姆加热器组成。本发明产生的多电荷态离子束具有很小的空间发射和能量分布，提高了离子源的效率，节约了空间和成本。

技术领域

本发明涉及离子加速器技术和低能多电荷态离子束的技术领域，特别是涉及一种产生多电荷态离子束的方法和用于该方法的装置。

背景技术

多电荷态离子束的产生是离子源研制的热点问题，它可应用于离子注入机、离子束光刻、离子探针与离子束表面分析、量子计算机的研制。这种离子与固体表面的相互作用确保在材料中形成较少的辐射缺陷，有助于现代微纳电子器件中形成p-n浅结或超浅结。另外，与单电荷态离子相比，多电荷态离子具有较高的能量，可用于在表面层进行选择性的结构纳米化处理。

目前已有的多种类型的多电荷态离子源，主要由电子源、离子源、等离子体与激光等离子体发生器或电子回旋共振装置成产生，已经形成了相当成熟的技术。主要过程是，通过电子、离子束或激光与物质的相互作用产生不同密度与温度的等离子体，使固态或气态工作物质产生多级电离，形成所需的多电荷态离子束。这种方法的缺点是形成的离子束有很宽的电荷分布和能量发射，需要设计额外的质量分析器或能量分析器进行分离，这就使得设备变得复杂，增加了成本。另外，上述离子源产生的能量一般高于100keV，这对于离子束聚焦是必要的，但是在离子轰击表面时导致表面层辐射缺陷增加。

后来出现了采用聚焦的电子束使工作物质电离和蒸发，从而产生电荷态达到6+的多电荷态离子束。该离子源的缺点是在形成的离子束中存在具有不同电荷态离子，这些离子具有不同的纵向速度和横向速度，导致该离子束具有加的角发射和能量发射，形成具有弥散性的离子束。

鉴于离子源的上述问题，本发明设计一种基于离子导体电解质的离子源，用于产生过渡金属和稀土金属的多电荷离子束。

发明内容

本发明旨在提供一种产生碱土金属和稀土金属离子束的紧凑型固态离子源，使得产生的离子束比同类型的离子源的引出束具有更小的空间发射和能量发射，这是由于离子束产生的物理化学过程都是在超离子导体(具有快速离子传输的固体电解质)中发生的，而不用等离子体、电子碰撞离化器或质量分析器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种产生多电荷态离子束的方法，在场致发射的阴极和阳极之间依次设有工作物质薄膜和固态电解质薄膜，所述工作物质为碱土金属或稀土金属，对阴极加热并在阴极和阳极间施加电压，工作物质薄膜中的碱土金属或稀土金属通过氧化还原反应转化成二价或三价离子，二价或三价离子通过固态电解质中的快速传输通道移向阳极，再通过场致蒸发使得二价或三价离子从阳极发射至真空，在加速电压作用下二价或三价离子获得动能进入静电系统引出形成离子束。

而且，所述阴极、阳极、工作物质薄膜、固态电解质薄膜和静电系统位于真空度为10^-4Pa的真空腔内。

而且，阴极和阳极间施加电压达到100-500伏，阴极加热到150-200℃。

而且，所述阴极为铜圆柱体或银圆柱体。

而且，所述碱土金属至少包括Sr、Ba，所述稀土金属至少包括Ce、Eu。

而且，所述固态电解质薄膜厚度为1-1.5微米，所述固态电解质为Na-β”-Al₂O₃陶瓷电解质。

而且，所述静电系统至少包括静电单透镜和平板静电场。