CN104091741B - 多功能离子枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能离子枪，包括电离室、第一透镜、第二透镜、第一偏转板、第二偏转板、狭缝、四通法兰、过渡法兰和锥形圆筒，所述电离室、第一透镜和第一偏转板位于四通法兰的管道内，且第一透镜位于电离室和第一偏转板之间，所述第一偏转板安装在过渡法兰的近端，电离室安装在过渡法兰的远端，第二透镜、第二偏转板和狭缝位于锥形圆筒内，第二偏转板位于第二透镜和狭缝之间，且第二透镜安装在过渡法兰的近端，狭缝安装在过渡法兰的远端，所述四通法兰和锥形圆筒通过过渡法兰连接。以达到结构紧凑、功能多样、性能稳定且增强离子束传输距离的目的。

Description

多功能离子枪

技术领域

本发明涉及表面科学应用技术、超高真空技术以及离子束技术领域，具体地，涉及一种多功能离子枪。

背景技术

在表面科学领域，样品表面的清洁度对实验有至关重要的影响。目前，氩离子溅射是一种标准的原位清洁表面的方法。

在基础研究中，例如，低能离子散射技术（lowenergyion-scatteringspectroscopy），需要用低能离子束作为探针来研究表面成分。在飞行时间质谱的应用中，需要脉冲化的离子束。在细微加工领域，往往也需要利用低能强流离子束对样品溅射，实施逐层剥离。

以上各种实验研究，对离子束均提出了苛刻的技术要求，然而现有的离子枪不能够同时满足诸多实验要求。现有的离子枪一般由离子源、聚焦***、真空腔体等构成，主要分为热阴极型（专利公开号为CN103474318A的专利文献）和冷阴极型离子枪（专利公开号为CN1956119A的专利文献）。其中热阴极型离子枪主要采用加速栅网来加速电子，电离工作气体。存在离子源结构复杂，拆卸不易，维护困难等缺陷。而冷阴极型离子源主要采用潘宁放电原理，结构相对简单，但对高压电源要求较高，产生的离子束流不稳定。一般来说，现有的离子枪的离子能量范围较窄，离子传输距离一般小于100mm，束流准直性差，束斑大小不可调，从而限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种多功能离子枪，以实现结构紧凑、功能多样、性能稳定且增强离子束传输距离的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多功能离子枪，包括电离室、第一透镜、第二透镜、第一偏转板、第二偏转板、狭缝、四通法兰、过渡法兰和锥形圆筒，所述电离室、第一透镜和第一偏转板位于四通法兰的管道内，且第一透镜位于电离室和第一偏转板之间，所述第一偏转板安装在过渡法兰的近端，电离室安装在过渡法兰的远端，第二透镜、第二偏转板和狭缝位于锥形圆筒内，第二偏转板位于第二透镜和狭缝之间，且第二透镜安装在过渡法兰的近端，狭缝安装在过渡法兰的远端，所述四通法兰和锥形圆筒通过过渡法兰连接。

优选的，所述电离室安装在四通法兰的第一法兰内。

优选的，所述电离室由阴极灯丝和阳极圆筒组成，且阴极灯丝与负电压连接，阳极圆筒与正电压连接，所述阴极灯丝的电极周围安装保护罩。

优选的，所述第一法兰的上端和底端对称的安装两块磁铁，通过调整磁铁间的磁场强度可改变束流大小。

优选的，所述电离室、第一透镜、第一偏转板、第二透镜、第二偏转板和狭缝之间的距离均可调节。

优选的，所述四通法兰的第二法兰可外接分子泵，可达到差分抽气目的。

优选的，当样品到离子枪距离小于100mm时，所述第二透镜、第二偏转板以及锥型圆筒可拆除。

优选的，所述电离室的进气管道上设置可调漏阀，该可调漏阀的一个分支管道与机械泵连通。

优选的，所述狭缝的形状、大小和安装位置均可调节。

优选的，所述可调漏阀的一个分支管道与氩气罐连通，也可以是另几个分支管道分别与氩气罐和其他气罐连通。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，通过设置第一透镜和第二透镜两组透镜。且将两组透镜都接正高压，安装位置可调。把离子束传输距离至少延长300mm以上。并为每一组透镜配有偏转***。确保离子束能够顺利穿过各个部件，弥补机械加工不一致性缺点，确保束流的准直性。从而达到了结构紧凑、性能稳定且增强离子束传输距离的目的。

而第二透镜、第二偏转板以及锥型圆筒可以拆除，适合样品到离子枪距离小于100mm条件下使用。

四通法兰的第二法兰外接分子泵抽气，通过差分抽气来维持靶室超高真空。如果对靶室真空要求不高，第二法兰可用盲板法兰密封即可。

狭缝的形状和大小可改变，其安装位置也可根据具体情况调整。偏转板与狭缝配合，外接脉冲发生器，可实现脉冲化束流输出。

可调漏阀的一个分支管道与机械泵连通，可以保证工作气体纯度。

可调漏阀的另一些分支管道与气罐连通，方便引入单种气体或者引入多种混合气体，从而满足不同实验要求。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的多功能离子枪结构示意图；

图2为本发明实施例所述的多功能离子枪中束流强度-能量曲线示意图；

图3为本发明实施例所述的多功能离子枪中束流强度-Ar气分压曲线示意图；

图4为本发明实施例所述的多功能离子枪中束流强度-电子能量曲线示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-保护罩；2-第一法兰；3、4-磁铁；5-可调漏阀；6-电离室；7-第一透镜；8-第三法兰；9-第二法兰；10-四通法兰；11、12、13-阀门；14-第一偏转板；15-过渡法兰；16-第二透镜；17-氩气罐；18-气体罐；19-机械泵；20-第二偏转板；21-狭缝；22-锥形圆筒。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种多功能离子枪，包括电离室6、第一透镜7、第二透镜16、第一偏转板14、第二偏转板20、狭缝21、四通法兰10、过渡法兰15和锥形圆筒22，电离室6、第一透镜7和第一偏转板14位于四通法兰10的管道内，且第一透镜7位于电离室6和第一偏转板14之间，第一偏转板14安装在过渡法兰15的近端，电离室6安装在过渡法兰15的远端，第二透镜16、第二偏转板20和狭缝21位于锥形圆筒22内，第二偏转板20位于第二透镜16和狭缝21之间，且第二透镜16安装在过渡法兰15的近端，狭缝21安装在过渡法兰15的远端，四通法兰10和锥形圆筒22通过过渡法兰15连接。

优选的，电离室6安装在四通法兰10的第一法兰2内。

优选的，电离室6由阴极灯丝和阳极圆筒组成，且阴极灯丝与负电压连接，阳极圆筒与正电压连接，阴极灯丝的电极周围安装保护罩1。

优选的，第一法兰2的上端和底端对称的安装两块磁铁3、4，通过调整磁铁间的磁场强度可改变束流大小。

优选的，电离室6、第一透镜7、第一偏转板14、第二透镜16、第二偏转板20和狭缝21之间的距离均可调节。

优选的，四通法兰10的第二法兰9可外接分子泵，通过差分抽气来维持靶室超高真空。如果对靶室真空要求不高，第二法兰9可用盲板法兰密封即可。

优选的，当样品到离子枪距离小于100mm时，第二透镜16、第二偏转板20以及锥型圆筒22可拆除。

优选的，电离室6的进气管道上设置可调漏阀5，该可调漏阀5的一个分支管道与机械泵19连通。

优选的，狭缝21的形状、大小和安装位置均可调节。偏转板与狭缝配合，外接脉冲电源，可实现脉冲化束流输出。

优选的，可调漏阀5的另一个分支管道与氩气罐17连通。另外可调漏阀5还设置第三分支管道，该第三分支管道可根据离子的不同连接不同的气体罐18。

四通法兰10的第三法兰8设置引线接口。

电离室6由阴极灯丝和阳极圆筒组成。阴极灯丝具有强电子发射能力，接负电压，通过改变其电压，可以调节其发射电子流的动能，直接去轰击工作气体使其电离产生正离子。阳极圆筒接正电压，通过调节此电压，可以决定引出离子能量。目前最高电压为5kV。在第一法兰2上对称地安装两块磁铁，调节磁铁间的磁场强度可以改变束流大小。工作气体由钢瓶减压输出，经过不锈钢细管，再经过可调漏阀进入电离室6。通过改变第一法兰2的不锈钢细管通不同工作气体，可产生不同种类的离子束。此电离室的气体密封性较好，气体利用率高，结合磁场，所以正离子的产生效率高。在进气管道的一个分支上通过阀门连通机械泵19，通过反复抽气可以确保管道内工作气体的纯净度，也可以将未用完的工作气体抽走。电离室6结构十分简单，容易进行单独拆卸、清洗以及更换灯丝。电离室6功耗低，采用风冷装置。

四通法兰10上的第一法兰2、第二法兰9和第三法兰8均采用CF50法兰，过渡法兰15采用CF100法兰。

该离子枪能产生氩、氦、氖、氙和质子等多种离子束。它具有两套独立的聚焦偏转***以及大小位置可调的狭缝，使束流的传输距离更远，束流准直度提高。且通过引线接口配上脉冲电源***可以实现脉冲化束流输出。它具有能量调节范围宽、操作简单、拆卸更换容易等优点。采用出气率低的材料，与超高真空兼容。且采用真空法兰结构，容易与真空靶室对接。

图3和图4中的纵坐标为常用对数坐标。图2、3和4中实验参数不同。图3和图4分别是在固定一些参数情况下获得的实验曲线。

本发明技术方案中的离子枪所用零部件为不锈钢材质，耐150度烘烤，所用材料出气率低，适合10^-8Pa超高真空***使用。

组装离子枪后，将离子枪与靶室对接，然后抽真空，并对离子枪及靶室进行烘烤。烘烤完，及时对离子枪进行除气。当真空达到要求后，离子枪工作的具体操作步骤为：

1、开冷却装置。

2、开离子枪的电源***。

3、加灯丝电流，预热一段时间。

4、对进气管道抽真空清洁，保证进入靶室的氩气纯净，打开可调漏阀，通入氩气，调节漏阀，使靶室真空稳定在1.5×10^-4Pa左右。

5、继续缓慢加灯丝电流至工作电流，加引出高压到预定值（最大5kV），然后加电子发射电压，使电子发射电流维持在20mA左右。

6、调透镜、偏转板电压，使束流强度达最大值。

综上所述，本发明具有以下特点：

（1）束流稳定且束流强度可调，能达到微安量级。

（2）束流的能量范围宽，一般为0.2keV-5keV。

（3）束流集中，发散角小。

（4）束流的束斑大小可调。

（5）束流传输距离更远。

（6）可实现束流脉冲化。

（7）拆卸简单、更换灯丝方便。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能离子枪，包括电离室、第一透镜、第二透镜、第一偏转板、第二偏转板、狭缝、四通法兰、过渡法兰和锥形圆筒，其特征在于，所述电离室、第一透镜和第一偏转板位于四通法兰的管道内，且第一透镜位于电离室和第一偏转板之间，所述第一偏转板安装在过渡法兰的近端，电离室安装在过渡法兰的远端，第二透镜、第二偏转板和狭缝位于锥形圆筒内，第二偏转板位于第二透镜和狭缝之间，且第二透镜安装在过渡法兰的近端，狭缝安装在过渡法兰的远端，所述四通法兰和锥形圆筒通过过渡法兰连接。

2.根据权利要求1所述的多功能离子枪，其特征在于，所述电离室安装在四通法兰的第一法兰内。

3.根据权利要求2所述的多功能离子枪，其特征在于，所述电离室由阴极灯丝和阳极圆筒组成，且阴极灯丝与负电压连接，阳极圆筒与正电压连接，所述阴极灯丝的电极周围安装保护罩。

4.根据权利要求2所述的多功能离子枪，其特征在于，所述第一法兰的上端和底端对称的安装两块磁铁，通过调整磁铁间的磁场强度可改变束流大小。

5.根据权利要求1至4任一所述的多功能离子枪，其特征在于，所述电离室、第一透镜、第一偏转板、第二透镜、第二偏转板和狭缝之间的距离均可调节。

6.根据权利要求5所述的多功能离子枪，其特征在于，所述四通法兰的第二法兰可外接分子泵，达到差分抽气的目的。

7.根据权利要求5所述的多功能离子枪，其特征在于，当样品到离子枪距离小于100mm时，所述第二透镜、第二偏转板以及锥型圆筒可拆除。

8.根据权利要求5所述的多功能离子枪，其特征在于，所述电离室的进气管道上设置可调漏阀，该可调漏阀的一个分支管道与机械泵连通。

9.根据权利要求5所述的多功能离子枪，其特征在于，所述狭缝的形状、大小和安装位置均可调节。

10.根据权利要求8所述的多功能离子枪，其特征在于，所述可调漏阀的另一个分支管道与氩气罐连通。