[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

说明书

本发明公开了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，包括：等离子体生成区、扩张杯和离子流引出输运系统结构；其中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。本发明相对于传统扩张杯无电压施加的离子轴向引出系统，能够输运到靶的目标离子束流的占比更高，大大提高了等离子体源的目标离子的引出和到靶纯度，有效提升了离子源的应用范围和使用性能。

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，并且更具体地，涉及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。

背景技术

离子源在离子注入、离子推进、加速器、材料改性等众多领域应用广泛。离子源系统的主体一般可以分为离子的产生和引出两大部分。对于等离子体离子源，若源区等离子体密度极高(如在双等离子体源中n_e≈10¹⁴n/cm³量级)，一般采用扩张杯式引出系统，使得等离子体在扩张杯内实现密度降低且匀化后再由引出系统引出，通过采用高压静电加速器将其加速到靶，进行束靶互作用。等离子体生成区生成等离子体的过程中，一般物理和化学反应复杂，生成的等离子体成分繁杂，含有多价态的目标离子和杂质离子以及电子、中性粒子等多种组分。离子引出系统在离子流引出的工作过程中，目标离子被引出的同时，杂质离子也被引出。目标离子流的引出纯度是关系离子源品质的重要指标，同时也关系着束靶互作用效能的重要影响因素，因为：(1)若杂质离子占比含量高，会加重引出系统的负载效应，对引出构型及其外源系统体积、成本、性能指标不利；(2)引出加速后的高能杂质离子轰击靶，会造成靶的毁伤、工作不稳定性、寿命降低等系列效应。

因此，对于多组分高密度等离子体离子源而言，在目标离子束流的引出和加速输运打靶过程中，杂质离子占比大时，不但对靶上束靶互作用没有贡献，反而会大大降低其工作性能。所以，若能提高目标离子流的扩散、引出输运到靶的占比，将对离子源输出的离子品质以及其应用而言都至关重要。

发明内容

本发明提出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，以解决如何提高目标离子流的扩散以及引出输运到靶的占比的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了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，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。

优选地，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。

优选地，其中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。