專利名稱：一種直流放電原子束源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于薄膜材料合成的直流放電原子束源。
背景技術(shù)：
自從美國(guó)加州大學(xué)E.L.Knuth及其合作者在1969年初用弧熱噴射束源技術(shù)成功產(chǎn)生氦原子束以來(lái)，已有幾個(gè)研究小組對(duì)這種能夠產(chǎn)生高密度、低能量、高方向性中性原子束的束源進(jìn)行了研制；其中美國(guó)愛(ài)荷華大學(xué)的K.R.Way等人用弧熱束源在氬弧中分解氫氣，產(chǎn)生原子態(tài)氫束；美國(guó)STEVENS技術(shù)研究所的E.C.Samano等人對(duì)Way等人的弧熱束源進(jìn)行了改進(jìn)在用純氫氣產(chǎn)生氫原子束；只有美國(guó)德克薩斯大學(xué)Austin分校的R.B.Berstein的研究小組用弧熱束源在氬弧中分解氮?dú)?，產(chǎn)生了原子態(tài)氮束。最近，愛(ài)爾蘭都柏林大學(xué)的M.Rahman等人用一種平面束源技術(shù)產(chǎn)生的較高能量(2000電子伏)氬/氮混合束對(duì)材料表面進(jìn)行氮化處理，但這種束源無(wú)論在結(jié)構(gòu)還是原子束特征都與以上弧熱噴射束源完全不同。以上弧熱噴射原子束源的研制目的主要是為原子分子物理的研究提供有效的手段，為了保證起弧和放電的穩(wěn)定只能夠采用惰性氣體或分解能較小的氫氣，產(chǎn)生氮原子束必須在放電穩(wěn)定的惰性氣體中摻入較少比例(一般在20％左右)的氮?dú)?。另外，由于放電電流較大(80-150安培)和陽(yáng)極材料采用熔點(diǎn)較低的銅，陰極和陽(yáng)極的壽命都較短，特別是銅制陽(yáng)極，每使用一次，就必須更換；由于放電過(guò)程中的燒蝕較嚴(yán)重，產(chǎn)生的原子束中含有較多的陰極和陽(yáng)極材料的成分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種放電穩(wěn)定性好、能使用多種不同氣體的新型直流放電原子束源。
本發(fā)明提出的直流原子束源，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由陰極1、中空極陽(yáng)極2、陰極基座3、陽(yáng)極法蘭4、陰極法蘭5、圓柱形石英玻璃筒6和電磁鐵7組成。其中，陰極法蘭5和陽(yáng)極法蘭4分別位于圓柱形石英玻璃筒6的上部與下部，上、下法蘭之間由4根螺桿8固定，螺桿8與陰極法蘭5和陽(yáng)極法蘭4之間有絕緣層，以確保上、下法蘭之間絕緣，陰極法蘭5上設(shè)有進(jìn)氣通道11，另外還接有氣壓表；陰極基座3的上部中心為圓柱形洞孔，便于流通冷卻水，下端部半球形，且半球形頂點(diǎn)處(軸線上)設(shè)有陰極孔，供陰極1插入固定，陰極基座3沿陰極法蘭5的中心軸線貫穿，一端伸入原子束源內(nèi)部，且上下位置可調(diào)；陰極2的頂部為圓錐臺(tái)形，后部為直徑小于圓錐臺(tái)的圓柱體，該圓柱體部分插入陰極基座3下端的陰極孔內(nèi)固定；陽(yáng)極法蘭4也為陽(yáng)極基座，其中心部位為中空?qǐng)A柱形，底部設(shè)有一個(gè)下沉孔，中空陽(yáng)極2為筒狀，下端部為中空?qǐng)A錐體，圓錐體頂端為原子束引出孔。陰極2嵌入陽(yáng)極法蘭4底部的下沉孔中。電磁鐵7設(shè)置于陽(yáng)極法蘭4的中空?qǐng)A柱體的外側(cè)，電磁鐵7和中空?qǐng)A柱體之間設(shè)有冷卻水通道12；陰極1的尖頂與陽(yáng)極2上部表面的間距為0.5-1.5厘米，可調(diào)。
本發(fā)明中，陰極基座3和陽(yáng)極法蘭4可采用紫銅材料制作，陰極法蘭5可采用不銹鋼材料制作，陰極1可采用含有1.5-3％釷的鎢制作，中空陽(yáng)極2采用純鉬制成。
本發(fā)明中，伸向原子束源外面的陰極基座3接電源負(fù)極，陽(yáng)極法蘭4接地；電源采用并聯(lián)雙電源，其中一個(gè)電源為輝光放電階段供電，另一個(gè)電源為弧光放電階段供電。
本發(fā)明提出的用于薄膜材料合成(也可用于原子分子物理的研究)的高強(qiáng)度弧熱噴射原子束源，改進(jìn)了該型原子束源內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和工作方式，采用了雙直流電源供電，提高了各種氣體環(huán)境下放電的穩(wěn)定性，可使用的氣體除了惰性氣體和純氫外包括純氮、純氧及不同配比的氮?dú)溆袡C(jī)氣體的混合氣；并減少了陰極和陽(yáng)極材料的燒蝕。
本發(fā)明的工作原理如下本發(fā)發(fā)明的原子束源可根據(jù)不同的要求工作在弧光和輝光兩個(gè)放電區(qū)域，弧光放電的起弧方式采用輝光放電向弧光放電過(guò)渡，起弧過(guò)程如下在20乇附近氣壓下，用電源一將放電電壓加到200-300伏(不同氣體會(huì)有差別)，輝光放電啟輝；增加供電電壓，此時(shí)放電電壓在100-200伏間基本保持穩(wěn)定，放電電流逐漸增加到500毫安；然后將電源二的供電電壓加到200-300伏(不同氣體、不同陰陽(yáng)極間距會(huì)有差別)，逐漸增加氣壓，輝光放電區(qū)域逐漸集中到陰極錐尖下方，至80-150乇時(shí)(不同氣體、不同陰陽(yáng)極間距會(huì)有差別)，輝光放電轉(zhuǎn)為弧光放電，此時(shí)放電電壓迅速降低至50-55伏，放電電流迅速升高到7.5-10安；增加電源二的供電電壓，放電電流可增加到15安。
在輝光放電啟輝后，通過(guò)調(diào)節(jié)供電電壓，可以根據(jù)需要將放電電流穩(wěn)定在100-500毫安范圍的任意值附近，氣壓可以在10-100乇范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，再通過(guò)選用不同直徑(0.5-2毫米)原子束引出孔，調(diào)節(jié)引出束中原子束強(qiáng)度。放電電流越大，原子束強(qiáng)度越高；氣壓越高，引出總束流越大，但總束流中原子/分子比越??；引出同等大小總束流，引出孔直徑越大，氣壓越低，原子束強(qiáng)度越高；而總束流越大，真空室氣壓越高；可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要安排這些參數(shù)。在弧光放電起弧后，同樣通過(guò)調(diào)節(jié)供電電壓，可以根據(jù)需要將放電電流穩(wěn)定在7.5-15安范圍的任意值附近，氣壓可以在15-380乇范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，再通過(guò)選用不同直徑(0.5-1.5毫米)引出孔，調(diào)節(jié)引出束中原子束強(qiáng)度。放電電流越大，原子束強(qiáng)度越高；氣壓越高，引出總束流越大，但總束流中原子/分子比越??；引出同等大小總束流，引出孔直徑越大，氣壓越低，原子束強(qiáng)度越高；而總束流越大，真空室氣壓越高；可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要安排這些參數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要如下(1)可產(chǎn)生純氮、純氧及不同配比的氮?dú)溆袡C(jī)氣體的混合原子束；(2)原子束強(qiáng)度大，弧光放電可達(dá)1018-21，輝光放電可達(dá)1015-18；(3)束能量0.5-2.5eV，較適合材料合成；(4)起弧方式采用雙電源供電輝光放電向弧光放電過(guò)渡，既簡(jiǎn)化了裝置，又降低了電源成本；(5)由于采用陽(yáng)極下沉式結(jié)構(gòu)和雙電源供電，放電極為穩(wěn)定；(6)陰極和陽(yáng)極陰極壽命長(zhǎng)。在弧光放電工作模式下，陰極和陽(yáng)極材料的燒蝕極少，陽(yáng)極無(wú)需更換，陰極使用壽命由幾小時(shí)延長(zhǎng)到100小時(shí)以上；在輝光放電工作模式下，陰極和陽(yáng)極都沒(méi)有燒蝕，無(wú)須更換。
(7)采用透明石英筒身，可直接觀察放電情況；(8)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。
本原子束源主要用途如下(1)用于脈沖激光濺射沉積和離子束濺射沉積合成氮化物薄膜的氮原子束輔助；(2)用于化學(xué)氣相薄膜沉積；(3)用于材料表面氮化和氧化處理；(4)用于原子分子物理的研究。


圖1為本發(fā)明原子束源結(jié)構(gòu)。
圖2為弧光放電電流與氣壓的關(guān)系，其中d-陰極至陽(yáng)極間距。
圖3為弧光放電原子平均動(dòng)能與氣壓的關(guān)系。
圖中標(biāo)號(hào)1-陰極，2-中空陽(yáng)極，3-陰極基座，4-陽(yáng)極法蘭，5-陰極法蘭，6-石英筒，7-電磁鐵，8-固定螺桿，9-陽(yáng)極孔，10-出射束，11-氣體通道，12-冷卻水通道。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，整個(gè)原子束源呈圓柱形，柱身是一個(gè)石英玻璃筒6，上部為陰極法蘭5，下部為陽(yáng)極法蘭4，石英玻璃筒6和上、下部的陰、陽(yáng)極法蘭間采用0圈真空密封，上下陰陽(yáng)極法蘭由四根螺桿8緊固，每根螺桿都由一聚四氟乙烯套筒在上法蘭將陰陽(yáng)極法蘭絕緣開(kāi)；透明的石英玻璃便于觀察放電情況和測(cè)量發(fā)射光譜；上部陰極法蘭4由不銹鋼制成，法蘭中心處沿中心軸貫穿聯(lián)接一根紫銅制中空?qǐng)A柱形陰極基座3，陰極基座3上下可調(diào)，陰極基座3一端伸入原子束源內(nèi)部，端頭加工成半球形，半球形的頂點(diǎn)處有一深2厘米直徑3毫米的孔(在中心軸線上)，陰極1由含2％釷的鎢制成，頂部呈圓錐形，圓錐底部直徑5mm，后部為較細(xì)圓柱形，圓柱直徑為3mm，圓柱插入陰極基座34 半球形端頭頂點(diǎn)的孔中，在陰極基座3側(cè)面用兩只沉孔螺絲固定，陰極1可更換；陰極基座3的另一端伸向原子束源外面，通冷卻水。陰極基座上下4厘米范圍內(nèi)可調(diào)；下部陽(yáng)極法蘭也是陽(yáng)極基座，由紫銅制成，陽(yáng)極法蘭中心為一個(gè)下沉孔，下沉深度20毫米，沉孔上孔直徑30毫米，下孔貫穿，直徑12毫米。陽(yáng)極由純鉬制成，形狀如筒狀，鉬筒外徑12毫米，內(nèi)徑6毫米，嵌入陽(yáng)極法蘭中心孔，底部安裝一個(gè)圓形陽(yáng)極底片，底片由純鉬制成，厚3毫米，底片在鉬筒內(nèi)徑區(qū)域加工成內(nèi)圓錐形，底片中心(對(duì)應(yīng)內(nèi)圓錐的頂點(diǎn))有一同軸小孔，小孔內(nèi)徑0.05-0.20厘米，長(zhǎng)0.12厘米，此孔即為原子束引出孔。陰極尖頂至陽(yáng)極筒上表面間距在0.5-1.5厘米范圍可調(diào)。
伸向原子束源外面的陰極基座接電源負(fù)極，陽(yáng)極法蘭接地，電源采用并聯(lián)雙電源。電源一供電電壓可加到600伏，電流可達(dá)到1安培，主要為輝光放電階段供電；電源二供電電壓可加到300伏，電流可達(dá)到20安培，主要為弧光放電階段供電。
下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不限于實(shí)施例的描述。
示例1弧光放電產(chǎn)生弧熱氮原子束，原子束中原子/分子比達(dá)到33％，強(qiáng)度可達(dá)1021/弧度·秒。選用孔內(nèi)徑為0.05厘米的陽(yáng)極底片，陰極尖頂至陽(yáng)極筒上表面間距調(diào)到0.6厘米。工作前，先通冷卻水，然后通入純氮?dú)?；?0乇附近氣壓下，用電源一將放電電壓加到240伏左右，輝光放電啟輝；增加供電電壓，此時(shí)放電電壓在155伏上下基本保持穩(wěn)定，放電電流逐漸增加到500毫安；然后將電源二的供電電壓加到240伏，逐漸增加氣壓，輝光放電區(qū)域逐漸集中到陰極錐尖下方，至105乇附近時(shí)，輝光放電轉(zhuǎn)為弧光放電，此時(shí)放電電壓迅速降低至50-55伏，放電電流迅速升高到7.5-10安；增加供電電壓，放電電流穩(wěn)定在12-13安培。
示例2輝光放電產(chǎn)生高活性氮?dú)浼淄榛旌鲜?，混合束中原?分子比達(dá)到80％以上，強(qiáng)度可達(dá)1019/弧度·秒。選用孔內(nèi)徑為0.2厘米的陽(yáng)極底片，陰極尖頂至陽(yáng)極筒上表面間距調(diào)到1.0厘米。工作前，先通冷卻水，然后通入氮?dú)浼淄榛旌蠚怏w；在20乇附近氣壓下，用電源一將放電電壓加到240伏左右，輝光放電啟輝；增加供電電壓，此時(shí)放電電壓在150伏上下基本保持穩(wěn)定，放電電流逐漸增加到500毫安，保持穩(wěn)定。
本發(fā)明原子束源性能指標(biāo)如下輝光放電產(chǎn)生原子束純氮、純氧、純氫及不同配比的氮?dú)浼淄楹推渌旌蠚怏w原子束強(qiáng)度1015-18/弧度·秒原子束平均動(dòng)能150-200電子伏起輝電壓 200-300伏輝光放電電壓 150-200伏輝光放電電流 0.1-0.5安陰極壽命無(wú)燒蝕痕跡，無(wú)需更換。
陽(yáng)極壽命無(wú)燒蝕痕跡，無(wú)需更換。
弧光放電產(chǎn)生原子束純氮、純氫及不同配比的氮?dú)浼淄楹推渌旌蠚怏w原子束強(qiáng)度1017-21/弧度·秒原子束平均動(dòng)能0.5-2.5電子伏弧光放電電壓 50-55伏弧光放電電流 7.5-10安陰極壽命燒蝕很小，可使用100小時(shí)以上。
陽(yáng)極壽命燒蝕極小，無(wú)需更換。
權(quán)利要求
1.一種直流原子束源，其特征在于由陰極(1)、中空極陽(yáng)極(2)、陰極基座(3)、陽(yáng)極法蘭(4)、陰極法蘭(5)、圓柱形石英玻璃筒(6)和電磁鐵(7)組成，其中，陰極法蘭(5)和陽(yáng)極法蘭(4)分別位于圓柱形石英玻璃筒(6)的上部與下部，上、下法蘭之間由(4)根螺桿(8)固定，螺桿(8)與陰極法蘭(5)和陽(yáng)極法蘭(4)之間有絕緣層，以確保上、下法蘭之間絕緣，陰極法蘭(5)上設(shè)有進(jìn)氣通道(11)，另外還接有氣壓表；陰極基座(3)的上部中心為圓柱形洞孔，便于流通冷卻水，下端部半球形，且半球形頂點(diǎn)處設(shè)有陰極孔，供陰極(1)插入固定，陰極基座(3)沿陰極法蘭(5)的中心軸線貫穿，一端伸入原子束源內(nèi)部，且上下位置可調(diào)；陰極(2)的頂部為圓錐臺(tái)形，后部為直徑小于圓錐臺(tái)的圓柱體，該圓柱體部分插入陰極基座(3)下端的陰極孔內(nèi)固定；陽(yáng)極法蘭(4)也為陽(yáng)極基座，其中心部位為中空?qǐng)A柱形，底部設(shè)有一個(gè)下沉孔，中空陽(yáng)極(2)為筒狀，下端部為中空?qǐng)A錐體，圓錐體頂端為原子束引出孔，陰極(2)嵌入陽(yáng)極法蘭(4)底部的下沉孔中；電磁鐵(7)設(shè)置于陽(yáng)極法蘭(4)的中空?qǐng)A柱體的外側(cè)，電磁鐵(7)和中空?qǐng)A柱體之間設(shè)有冷卻水通道(12)；陰極(1)的尖頂與中空陽(yáng)極(2)上部表面的間距為0.5-1.5厘米，可調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流原子束源，其特征在于陰極基座3和陽(yáng)極法蘭(4)采用紫銅材料制作，陰極法蘭(5)采用不銹鋼材料制作，陰極(1)采用含有1.5-3％釷的鎢制作，中空陽(yáng)極(2)采用純鉬制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流原子束源，其特征在于伸向原子束源外面的陰極基座(3)接電源負(fù)極，陽(yáng)極法蘭(4)接地；電源采用并聯(lián)雙電源，其中一個(gè)電源為輝光放電階段供電，另一個(gè)電源為弧光放電階段供電。
全文摘要
本發(fā)明屬薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于薄膜材料合成的直流放電原子束源。它由陰極、陽(yáng)極、陰極基座、陽(yáng)極法蘭、陰極法蘭、圓柱形石英玻璃筒和電磁鐵組成。陰極法蘭和陽(yáng)極法蘭固定于石英玻璃筒上下兩端，陰極安插于陰極基座下端，陰極基座貫穿陰極法蘭中軸，上下可調(diào)。陽(yáng)極為中空，尖端為原子束引出孔，陽(yáng)極設(shè)于陽(yáng)極法蘭的下沉洞孔中。陰極與陽(yáng)極間距為0.5－1.5厘米可調(diào)。本原子束源放電穩(wěn)定性好，可產(chǎn)生多種氣體的原子束；原子束強(qiáng)度大，弧光放電可達(dá)10
文檔編號(hào)H01J37/00GK1964594SQ20061011810
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月9日
發(fā)明者許寧, 杜元成, 應(yīng)質(zhì)峰, 李富銘 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)