[发明专利]一种高密度等离子体离子源的扩张杯式扩散和离子引出系统构型

权利要求书

1.一种高密度等离子体离子源的扩张杯式扩散和离子引出系统构型，其特征在于，包括：等离子体生成区、扩张杯和离子流引出输运系统结构；所述扩张杯连接等离子体生成区，利用扩张杯壁面排布的电极施加侧向电压场，使得等离子体生成区的等离子体在向扩张杯喷射扩散过程中实现目标离子和杂质离子的角向空间分离；并在目标离子的高占比区域开设引出口，连接所述离子流引出输运系统结构，以引出高纯度目标离子后加速输运到靶，进行束靶互作用；

其中，所述扩张杯为空心柱状构型，所述扩张杯内的电极排布方式和电压施加方式包括：邻近等离子体生成区的扩张杯壁面采用绝缘介质，扩张杯其它壁面都采用金属电极材料，在金属电极上施加电压U₀-U_k；或邻近等离子体生成区的扩张杯壁面采用绝缘介质，只有侧向远离中心轴线的壁面采用金属电极材料，而其它壁面采用绝缘介质，在金属电极上施加电压U₀-U_k；其中，U₀是与扩张杯邻近的等离子体生成区电极电位，U_k为扩张杯电极相对于等离子体源区电极的电压差，U_k＞0。

2.根据权利要求1所述的系统构型，其特征在于，在所述扩张杯的侧向电压作用下，根据离子的质荷比实现目标离子和杂质离子的角向空间分离；其中，对于质荷比小的离子，随横向距离的增大其占比越大；对于质荷比大的离子，在中心轴线占比最大，随横向距离的增大其占比越小。

3.根据权利要求1所述的系统构型，其特征在于，在目标离子的高占比区从扩张杯壁面开设1个引出口，用于引出高纯度的目标离子，束流引出方向与中心轴线夹角为θ；其中，若目标离子的质荷比小于杂质离子的质荷比，则确定目标离子为轻离子，θ的取值范围为0°＜θ＜180°；若目标离子的质荷比大于杂质离子的质荷比，则确定目标离子为重离子，选取θ＝0°。

4.根据权利要求1所述的系统构型，其特征在于，所述引出口采用多孔构型，其材质和施加电压与其某一相邻的扩张杯壁面相同。

5.根据权利要求1所述的系统构型，其特征在于，所述离子流引出输运系统结构的倾斜度与束流引出方向角θ一致；对于质荷比小于杂质离子质荷比的目标离子，所述离子流引出输运系统结构采用环状引出口开口、环状加速输运系统和环形靶/引出电极构型；对于质荷比大于杂质离子质荷比的目标离子，所述离子流引出输运系统结构采用轴线型构型；其中，靶/引出电极的电压为U₀-U_k-U_b，U_b为靶/引出电极相对于扩张杯电极的电压差，U_b＞0，U₀是与扩张杯邻近的等离子体生成区电极电位，U_k为扩张杯电极相对于等离子体源区电极的电压差，U_k＞0。