專利名稱：高通量中性原子束流的制備技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子束流，特別是高通量高純度的中性原子束流的制備技術(shù)。
目前對于離子束流的發(fā)生與控制技術(shù)較成熟，但對于中性原子束流，特別是高通量(大于1013原子/cm2.s)中性原子束流尚未有公開成熟技術(shù)(如Bruce A.Banbks，Sharon K.Rutledge，and Joyce A.Brady，The NASAalomic oxygen effects test program，N89-12582，p.61)。已有的中性原子束發(fā)生與控制技術(shù)，如(1)在一些實驗室為研究原子與材料相互作用利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生原子束的技術(shù)，雖然可獲得較純的原子束，但其所產(chǎn)生的原子束流通量一般低于1011原子/cm2.s，動能低于0.1ev。(2)向放電等離子體中充入分子氣體進(jìn)行離子與分子間的碰撞交換電子以產(chǎn)生中性原子束是目前較普遍采用的中性化技術(shù)，該技術(shù)適合于具有較低通量的離子束流(小于1012離子/cm2.s)和較高動能的離子(大于100ev)。并且該技術(shù)難以獲得高純度的原子束。
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高通量、高純度的中性原子束流的制備技術(shù)。
本發(fā)明提供了一種高通量中性原子束流的制備技術(shù)，適用于能夠產(chǎn)生分子氣體的原子，首先將分子氣體放電形成等離子體，再由強(qiáng)磁場約束成高密度等離子體束，要求密度大于1012離子/cm3，其特征在于以一帶負(fù)偏壓的高原子序數(shù)金屬板作為中性化靶，金屬板的原子序數(shù)較要形成原子束的原子序數(shù)大30以上，所施加的負(fù)偏壓應(yīng)使等離子束的入射動能在5-60ev范圍內(nèi)，由中性靶上反射出來的即所需中性原子束。氣體放電可以采用直流電場耦合，射頻耦合，微波耦合。約束磁場大于1000高斯。
當(dāng)?shù)入x子體中的粒子接近中性化靶金屬的表面時，由于負(fù)偏壓的作用，帶正電的粒子被加速，而電子e則被排斥，離子的能量大小由加速電壓決定，被加速的離子在進(jìn)一步接近金屬靶表面時，金屬中的一些電子會因俄歇躍遷或共振躍遷而離開金屬表面與離子中和形成中性原子，中和形成的原子進(jìn)一步與金屬靶表面的原子碰撞，如果靶原子的質(zhì)量遠(yuǎn)比入射原子大(約大于30以上)，則碰撞的結(jié)果是入射粒子被反射回來，形成一束中性原子束流。反射的物理機(jī)制John W.Cuthbertson等人有較為詳細(xì)的論述，見JohoW.Culhbertson，Robert W.Motley and Villiam D.Langer，Rev.Sci.Instrm.63(11)，Nov.1992。原子束流的通量f可由約束磁場強(qiáng)度B控制，一般f∝B2，其比例系數(shù)需由實驗測定。原子束流的動能Einc與施加于中性化靶的負(fù)偏壓ΔV值成正比，其比例系數(shù)一般也需實驗測定。一般入射離子束的動能可在5-50ev范圍內(nèi)控制。
本發(fā)明可在實驗室獲得可控的高通量中性原子束流，束流通量可在1013-1016原子/cm2.s范圍控制，束流動能可在5-40ev范圍控制，原子束流種類可基本不受限制，純度可接近100％，這種原子束流的獲得可為研究原子束與材料相互作用和發(fā)展可能的原子束材料表面改性提供一種新技術(shù)。下面結(jié)合附圖通過實施例詳述本發(fā)明。
附

圖1.原子束流發(fā)生原理方框圖；附圖2.模擬生成原子束流的實物裝置原理圖。
實施例1原子氧束流發(fā)生與控制模擬生成原子氧束流的實驗裝置原理見附圖二。它首先由微波耦合氧氣放電產(chǎn)生氧等離子體，再由一平均強(qiáng)度為2000高斯的螺線管線圈軸向磁場約束后與一施加負(fù)偏壓的金屬鉬板碰撞反射獲得原子氧束流。實驗采用普通氧氣，氧氣工作壓力控制在2-3×10-3托，真空室背底真空抽至10-6托，中性化靶加負(fù)偏壓-30～-12V，約束磁場控制在2000G5左右，測定結(jié)果表明原子氧通量f與磁場強(qiáng)度B之間滿足f(atoms/cm2.s)＝2.5×109B2(Gs2)，原子氧動能Einc與中性化靶負(fù)偏壓ΔV之間滿足EINC＝-0.3ΔV+5。原子氧最大通量可達(dá)1016氧原子/cm2.s，原子氧動能可在5-40ev范圍內(nèi)控制與調(diào)節(jié)。對原子氧束流的質(zhì)譜測定表明束流中原子氧的純度達(dá)99％。
實施例2 原子氮束流發(fā)生與控制模擬生成原子氮的實驗裝置原理與實施例1相同。氣體采用高純氮?dú)?，合理控制放電工作氣壓，可獲得氮原子束流。具體實驗條件如下(a)背底真空抽至10-6托(b)通入氮?dú)?，將工作氣壓控制?-5×10-3托；(c)加負(fù)偏壓-30V；(d)約束磁場控制在1500Gs左右。所獲得氮原子束流通量為1015atoms/cm2.s，能量為5ev。
實施例3 原子氬束流發(fā)生與控制模擬生成原子氬的裝置原理與實施例1相同，氣體采用高純氬氣，先將設(shè)備真空抽至10-6托，然后通入氬氣，氣壓控制在10-2-10-3托，加負(fù)偏壓-30～-130V，約束磁場控制在2000Gs?？色@得能量在10～40ec，束流通量約為1016atoms/cm2.s的中性氬原子束流。
權(quán)利要求
1.一種高通量中性原子束流的制備技術(shù)，適用于能夠產(chǎn)生分子氣體的原子，首先將分子氣體放電形成等離子體，再由強(qiáng)磁場約束成高密度等離子體束，要求密度大于1012離子/cm3，其特征在于以一帶負(fù)偏壓的高原子序數(shù)金屬板作為中性化靶，金屬板的原子序較要形成原子束的原子序數(shù)大30以上，所施加的負(fù)偏壓應(yīng)使等離子體束的入射動能在5-60ev范圍內(nèi)，由中性靶上反射出來的即所需中性原子束。
2.按權(quán)利要求1所述的高通量中性原子束流的制備技術(shù)，其特征在于氣體放電可以采用直流電場耦合，射頻耦合，微波耦合。
3.按權(quán)利要求2所述高通量中性原子束流的制備技術(shù)，其特征在于約束磁場大于1000高斯。
全文摘要
一種高通量中性原子束流的制備技術(shù),適用于能夠產(chǎn)生分子氣體的原子,首先將分子氣體放電形成等離子體,再由強(qiáng)磁場約束成高密度等離子體束,要求密度大于10
文檔編號H05H3/02GK1190323SQ97105079
公開日1998年8月12日 申請日期1997年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月4日
發(fā)明者沈嘉年, 周龍江, 何硯發(fā), 李鐵藩, 李美栓 申請人:中國科學(xué)院金屬腐蝕與防護(hù)研究所