專利名稱：寬帶離子束分析器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于離子質(zhì)量分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于從寬帶離子束中分離出所需的離子的寬帶離子束分析器。
背景技術(shù)：
寬帶離子束分析器是離子注入機中的核心部件，是在磁場或電場的作用下使離子按質(zhì)荷比分離的部件。現(xiàn)有技術(shù)的寬帶離子束分析器具有上磁極和下磁極，上磁極和下磁極分別連接上勵磁線圈和下勵磁線圈，上勵磁線圈和下勵磁線圈均與電源連接，通電時兩個磁極之間的空間中產(chǎn)生磁場，不同質(zhì)荷比的離子在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑不同。因此，配合設(shè)于兩個磁極之間的空間中的分析光欄，能夠使寬帶離子束中所需的離子和其他離子分離，所需的離子能夠從分析光欄上的分析縫中通過，其他離子則被分析光欄遮擋。上磁極和下磁極均具有入射端邊界和出射端邊界，寬帶離子束從入射端邊界一側(cè)的磁場入射面射入，從出射端邊界一側(cè)的磁場出射面射出，在磁場中偏轉(zhuǎn)180°，且在磁場中部聚焦形成焦斑?，F(xiàn)有技術(shù)的寬帶離子束分析器中，上磁極和下磁極的入射端邊界和出射端邊界是平面或曲面，寬帶離子束從磁場入射面射入后，其中所需的離子均無法達到理想聚焦?fàn)顟B(tài)，其焦斑尺寸均不為0，因為要求分析光欄上的分析縫寬度至少大于焦斑尺寸，所以較大的分析縫尺寸容易使得所需的離子之外的其他離子通過分析縫，無法實現(xiàn)所需的離子與其他離子的完全分離。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種寬帶離子束分析器，以解決現(xiàn)有技術(shù)的寬帶離子束分析器無法達到理想聚焦?fàn)顟B(tài)，其焦斑尺寸均不為0，較大的分析縫尺寸容易使得所需的離子之外的其他離子通過分析縫，無法實現(xiàn)所需的離子與其他離子的完全分離的問題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種寬帶離子束分析器，用于從寬帶離子束中分離出所需的離子，包括上磁極、下磁極、上勵磁線圈、下勵磁線圈、分析光欄和磁軛，其中:所述上勵磁線圈和下勵磁線圈分別圍繞所述上磁極和下磁極，所述上勵磁線圈和下勵磁線圈均與電源連接以在所述上磁極和下磁極之間的空間中產(chǎn)生均勻磁場，所述寬帶離子束從所述均勻磁場的入射面射入，所述所需的離子在所述均勻磁場中偏轉(zhuǎn)180°后從所述均勻磁場的出射面射出；對應(yīng)于所述均勻磁場的入射面，所述上磁極和下磁極均具有弧形的入射端邊界；對應(yīng)于所述均勻磁場的出射面，所述上磁極和下磁極均具有弧形的出射端邊界；所述入射端邊界和出射端邊界的弧面半徑都等于所述所需的離子在所述均勻磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑；所述上磁極和下磁極的入射端邊界中心與出射端邊界中心之間的距離都等于所述偏轉(zhuǎn)半徑的兩倍；
所述分析光欄用于選擇性地使所述所需的離子通過，其設(shè)于所述上磁極和下磁極之間的空間中，所述分析光欄上帶有分析縫，所述分析縫位于所述所需的離子在所述均勻磁場中聚焦處；所述磁軛圍繞所述上磁極和下磁極設(shè)置。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了另一種寬帶離子束分析器，用于從寬帶離子束中分離出所需的離子，包括上磁極、下磁極、上勵磁線圈、下勵磁線圈、分析光欄和磁軛，其中:所述上勵磁線圈和下勵磁線圈分別圍繞所述上磁極和下磁極，所述上勵磁線圈和下勵磁線圈均與電源連接以在所述上磁極和下磁極之間的空間中產(chǎn)生分區(qū)均勻磁場，所述寬帶離子束從所述分區(qū)均勻磁場的入射面射入，所述所需的離子在所述分區(qū)均勻磁場中偏轉(zhuǎn)180°后從所述分區(qū)均勻磁場的出射面射出；所述分區(qū)均勻磁場包括均勻的入射磁場、中間磁場和出射磁場，所述入射磁場與出射磁場的強度相同，且所述入射磁場和出射磁場的強度大于所述中間磁場的強度；對應(yīng)于所述分區(qū)均勻磁場的入射面，所述上磁極和下磁極均具有弧形的入射端邊界；對應(yīng)于所述分區(qū)均勻磁場的出射面，所述上磁極和下磁極均具有弧形的出射端邊界；所述分析光欄用于選擇性地使所述所需的離子通過，其設(shè)于所述上磁極和下磁極之間的空間中，所述分析光欄上帶有分析縫，所述分析縫位于所述所需的離子在所述分區(qū)均勻磁場中聚焦處；所述磁軛圍繞所述上磁極和下磁極設(shè)置。作為優(yōu)選，所述入射磁場與中間磁場的分界面以及所述中間磁場與出射磁場的分界面均為平面。作為優(yōu)選，所述入射磁場與中間磁場的分界面以及所述中間磁場與出射磁場的分界面均為弧面。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:(I)本發(fā)明提供的寬帶離子束分析器通過采用具有弧形入射端邊界和出射端邊界的上磁極和下磁極，且入射端邊界和出射端邊界的弧面半徑都等于所述所需的離子在所述均勻磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑，使得寬帶離子束中所需的離子能夠在磁場中部理想聚焦，得到焦斑尺寸等于O的理想焦點，可以通過選取合適的最小的分析縫寬度而獲得最佳的分析分辨率，實現(xiàn)寬帶離子束中所需的離子與其他離子完全分離；(2)本發(fā)明提供的另一種寬帶離子束分析器通過采用分區(qū)均勻磁場也使得寬帶離子束中所需的離子能夠在磁場中部理想聚焦，得到焦斑尺寸等于O的理想焦點，可以通過選取合適的最小的分析縫寬度而獲得最佳的分析分辨率，實現(xiàn)寬帶離子束中所需的離子與其他離子完全分離。


圖1為本發(fā)明的寬帶離子束分析器的實施例一的立體示意圖。圖2為圖1所示的寬帶離子束分析器沿A-A向剖視示意圖。圖3為實施例一的寬帶離子束分析器中寬帶離子束在水平方向聚焦?fàn)顟B(tài)示意圖。圖4為實施例一的寬帶離子束分析器中寬帶離子束在垂直方向聚焦?fàn)顟B(tài)示意圖。
圖5為本發(fā)明的寬帶離子束分析器的實施例二的立體示意圖。圖6為實施例二的寬帶離子束分析器中寬帶離子束在水平方向聚焦?fàn)顟B(tài)示意圖。圖7為實施例二的寬帶離子束分析器中磁場沿寬帶離子束中心軸線位置分布圖。圖8為實施例二的寬帶離子束分析器中磁場沿X向的分布圖。圖9為實施例 二的寬帶離子束分析器中磁場沿Z向的分布圖。圖10為實施例二的寬帶離子束分析器中寬帶離子束在垂直方向聚焦?fàn)顟B(tài)示意圖。圖11為本發(fā)明的寬帶離子束分析器的實施例三的立體示意圖。圖12為實施例三的寬帶離子束分析器中寬帶離子束在水平方向聚焦?fàn)顟B(tài)示意圖。圖13為帶有實施例一的寬帶離子束分析器的離子注入裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖14為帶有實施例二的寬帶離子束分析器的離子注入裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖15為帶有實施例三的寬帶離子束分析器的離子注入裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明:1、上磁極2、下磁極3、上勵磁線圈4、下勵磁線圈5、端磁軛6、中間磁軛7、分析光欄8、入射離子束9、出射離子束10、入射面11、出射面12、第一分界面13、第二分界面14、寬縫引出離子源15、引出電極16、寬帶離子束分析器17、測束法拉第18、注入靶臺101、入射端邊界102、出射端邊界201、入射端邊界202、出射端邊界701、分析縫801、離子束中心軸線
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。實施例一:如圖1至圖3所示，實施例一的寬帶離子束分析器包括上磁極1、下磁極2、上勵磁線圈3、下勵磁線圈4、分析光欄7和磁軛，其中:上勵磁線圈3和下勵磁線圈4分別纏繞在上磁極I和下磁極2上，上勵磁線圈3和下勵磁線圈4均與電源連接以在上磁極I和下磁極2之間的空間中產(chǎn)生磁場B，上磁極I與下磁極2之間的磁場B為均勻磁場；入射離子束8為入射的寬帶離子束，其從磁場B的入射面10沿Z向水平射入磁場B，入射離子束8的中心為離子束中心軸線801，出射離子束9從磁場B的出射面11水平射出磁場B，出射離子束9中的離子是從入射離子束8中分離出的所需的離子，所述所需的離子在磁場B中偏轉(zhuǎn)了 180° ；
對應(yīng)于磁場B的入射面10，上磁極I和下磁極2均具有弧形的入射端邊界101、201 ;對應(yīng)于磁場的出射面11，上磁極I和下磁極2均具有弧形的出射端邊界102、202 ;入射端邊界101、201和出射端邊界102、202的弧面半徑Rb都等于所述所需的離子在磁場B中的偏轉(zhuǎn)半徑R ;上磁極I和下磁極2對稱設(shè)置，二者的大小和形狀均相同，上磁極I的入射端邊界101中心與出射端邊界102中心之間的距離(即入射離子束8和出射離子束9之間的中心距離D)等于偏轉(zhuǎn)半徑R的兩倍，同樣，下磁極2的入射端邊界201中心與出射端邊界202中心之間的距離也等于偏轉(zhuǎn)半徑R的兩倍；所述寬帶離子束中所需的離子能夠在磁場B的中部形成理想焦點，其焦斑尺寸等于O ;分析光欄7用于選擇性地讓從寬帶離子束中分離出的所需的離子通過，其設(shè)于上磁極I和下磁極2之間的空間中部，分析光欄7上帶有分析縫701，分析縫701位于所述所需的離子在磁場B中聚焦處，入射離子束8進入磁場B后，其中所述所需的離子在分析縫701處聚焦，能夠從分析縫701中通過，其余的離子被分析光欄7遮擋，不能從分析縫701中通過，從而實現(xiàn)了將寬帶離子束中所需的離子與其余離子的分離；磁軛圍繞上磁極I和下磁極2設(shè)置，在本實施例中，其包括端磁軛5和中間磁軛6，端磁軛5和中間磁軛6的設(shè)置合理地利用了磁場的形狀，分別布局到遠離寬帶離子束經(jīng)過的磁場區(qū)域，從而能夠減輕寬帶離子束分析器的重量。采用本實施例的寬帶離子束分析器進行離子分析時，由均勻磁場強度B，寬帶離子束中所需的離子在均勻磁場B中的偏轉(zhuǎn)半徑R，寬帶離子束寬度W，寬帶離子束中的離子能量E，離子電荷q，分析光欄7上分析縫701寬度K，離子質(zhì)量m，可以得到:通過選取適當(dāng)?shù)拇艌鯞的入射面10的弧面相關(guān)參數(shù)，如弧面半徑Rb和弧面的中心點相對位置，可以獲得理論焦斑尺寸dw = O的理想聚焦?fàn)顟B(tài)，因而能夠獲得理想的質(zhì)量分辨率，在本實施例中Rb = R,D = 2R,因此所獲得的焦斑尺寸dw = O。通過選取與入射面10弧面對稱的出射面11的弧面參數(shù)，從而實現(xiàn)對入射離子束8的平移偏轉(zhuǎn)180度分析，束角度、均勻分布規(guī)律等最小失真。根據(jù)分辨率的概念:對于離子m存在dm差別的其它離子具有的偏轉(zhuǎn)半徑R的變化量dR > dw,即可實現(xiàn)相差dm的兩種離子的分離，此時，分析縫701的寬度K < dw < dR ;根據(jù)式(I)和(2)對具有相同能量的離子可通過以下步驟得出分析分辨率:首先，由式(I)和(2)可得:m = i^R2.(3)
2E然后，m對R求導(dǎo)可得:
Γ dm O1B1 2m, , λ— = ^——R=—;(4)dR E R最后，可以得出寬帶離子束分析器的分析分辨率:
Γ m 0.5R/r-λ— =-;(5 )
dm dR
由式(5)可以看出，通過減小允許的dR值，可提高分析分辨率，因此當(dāng)理論焦斑尺寸dw = O時，可以通過選取合適的最小的分析縫701寬度K而獲得最佳的分析分辨率，以K代替dR計算分辨率:
權(quán)利要求
1.一種寬帶離子束分析器，用于從寬帶離子束中分離出所需的離子，其特征在于，包括上磁極、下磁極、上勵磁線圈、下勵磁線圈、分析光欄和磁軛，其中: 所述上勵磁線圈和下勵磁線圈分別圍繞所述上磁極和下磁極，所述上勵磁線圈和下勵磁線圈均與電源連接以在所述上磁極和下磁極之間的空間中產(chǎn)生均勻磁場，所述寬帶離子束從所述均勻磁場的入射面射入，所述所需的離子在所述均勻磁場中偏轉(zhuǎn)180°后從所述均勻磁場的出射面射出； 對應(yīng)于所述均勻磁場的入射面，所述上磁極和下磁極均具有弧形的入射端邊界；對應(yīng)于所述均勻磁場的出射面，所述上磁極和下磁極均具有弧形的出射端邊界；所述入射端邊界和出射端邊界的弧面半徑都等于所述所需的離子在所述均勻磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑；所述上磁極和下磁極的入射端邊界中心與出射端邊界中心之間的距離都等于所述偏轉(zhuǎn)半徑的兩倍; 所述分析光欄用于選擇性地使所述所需的離子通過，其設(shè)于所述上磁極和下磁極之間的空間中，所述分析光欄上帶有分析縫，所述分析縫位于所述所需的離子在所述均勻磁場中聚焦處； 所述磁軛圍繞所述上磁極和下磁極設(shè)置。
2.一種寬帶離子束分析器，用于從寬帶離子束中分離出所需的離子，其特征在于，包括上磁極、下磁極、上勵磁線圈、下勵磁線圈、分析光欄和磁軛，其中: 所述上勵磁線圈和下勵磁線圈分別圍繞所述上磁極和下磁極，所述上勵磁線圈和下勵磁線圈均與電源連接以在所述上磁極和下磁極之間的空間中產(chǎn)生分區(qū)均勻磁場，所述寬帶離子束從所述分區(qū)均勻磁場的入射面射入，所述所需的離子在所述分區(qū)均勻磁場中偏轉(zhuǎn)180°后從所述分區(qū)均勻磁場的出射面射出；所述分區(qū)均勻磁場包括均勻的入射磁場、中間磁場和出射磁場，所述入射磁場與出射磁場的強度相同，且所述入射磁場和出射磁場的強度大于所述中間磁場的強度； 對應(yīng)于所述分區(qū)均勻磁場的入射面，所述上磁極和下磁極均具有弧形的入射端邊界；對應(yīng)于所述分區(qū)均勻磁場的出射面，所述上磁極和下磁極均具有弧形的出射端邊界； 所述分析光欄用于選擇性地使所述所需的離子通過，其設(shè)于所述上磁極和下磁極之間的空間中，所述分析光欄上帶有分析縫，所述分析縫位于所述所需的離子在所述分區(qū)均勻磁場中聚焦處； 所述磁軛圍繞所述上磁極和下磁極設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬帶離子束分析器，其特征在于，所述入射磁場與中間磁場的分界面以及所述中間磁場與出射磁場的分界面均為平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬帶離子束分析器，其特征在于，所述入射磁場與中間磁場的分界面以及所述中間磁場與出射磁場的分界面均為弧面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬帶離子束分析器，用于從寬帶離子束中分離出所需的離子，包括上磁極、下磁極、上勵磁線圈、下勵磁線圈、分析光欄和磁軛，其中所述上磁極和下磁極均具有弧形的入射端邊界和出射端邊界；所述入射端邊界和出射端邊界的弧面半徑都等于所述所需的離子在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑。本發(fā)明通過采用具有弧形入射端邊界和出射端邊界的上磁極和下磁極，且弧面半徑都等于所述所需的離子在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑，使得寬帶離子束中所需的離子能夠在磁場中部理想聚焦，得到焦斑尺寸等于0的理想焦點，可以通過選取合適的最小的分析縫寬度而獲得最佳的分析分辨率，實現(xiàn)寬帶離子束中所需的離子與其他離子完全分離。
文檔編號H01J37/21GK103107056SQ20111035497
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者彭立波, 龍會躍, 謝均宇 申請人:北京中科信電子裝備有限公司