專利名稱：一種離子加速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離子加速裝置，尤其涉及一種離子直線加速器裝置。
技術(shù)背景離子加速裝置在軍用、民用、科學(xué)研究領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。例如正負(fù)離 子對撞機(jī)、空間飛行器動力等，民用中最典型應(yīng)用是在半導(dǎo)體生產(chǎn)制造中離 子植入機(jī)裝置將離子摻雜到硅片中。離子主要由中性分子電離產(chǎn)生，然后通 過加速裝置加速并應(yīng)用?，F(xiàn)階段主要應(yīng)用兩種原理方式加速離子一種是直流加速模式，它通過直流高壓電源供應(yīng)器實(shí)現(xiàn)。直流高壓電源 供應(yīng)器陽極第一柵極，陰極接第二柵極，離子由第一柵極進(jìn)入后在電場的作 用下被加速，該方式存在主要的問題是兩個(gè)柵極間的絕緣問題隨著電壓的升 高越來越難實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)階段一般實(shí)用的也就在200千伏左右。再則在該方式的多 極模式中，由于每個(gè)柵極處于不同的電勢中，造成系統(tǒng)的復(fù)雜程度成幾何倍 增加。另一種是交流射頻(RF)加速模式，它通過射頻高壓電源供應(yīng)器實(shí)現(xiàn)。 該方式的第一個(gè)或前幾個(gè)柵極通過射頻高壓電源供應(yīng)器吸引和排斥離子，將 直流加速模式中得到的直流離子束變?yōu)樾〗M離子團(tuán)構(gòu)成的離子束，后面的所 有柵極每一個(gè)外加一個(gè)地極構(gòu)成一個(gè)加速級，每個(gè)柵極都在射頻高壓電源供 應(yīng)器的作用下，但是有嚴(yán)格的相位差， 一個(gè)柵極帶負(fù)極時(shí)正好吸引前一個(gè)柵 極帶正極時(shí)排斥過來的離子團(tuán)，這樣每兩個(gè)加速級形成一拉一推形式加速離 子團(tuán)形式的離子束。該方式由于采用一拉一推形式，因此柵極利用率不高； 采用射頻高壓電源供應(yīng)器使直流離子束變?yōu)樾〗M離子團(tuán)構(gòu)成的離子，在這個(gè) 過程中被分成團(tuán)的離子只占50%以下；同時(shí)采用射頻高壓電源供應(yīng)器的柵極電壓成正弦變化，使得部分離子被加速到非所需的能量。由于以上種種原因最終達(dá)到所需能量的離子不到20%,離子利用率非常低。因此，需要一種離子利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、離子加速能量高、擴(kuò)充自由 靈活的離子加速裝置。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種離子利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、離子加速能量高、 擴(kuò)充自由靈活的離子加速裝置。為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明的發(fā)明人在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn) 及創(chuàng)造性的勞動設(shè)計(jì)出一種離子加速裝置，包括電離室、脈沖吸取柵極、分 析磁場單元和多級離子加速級，所述分析磁場單元的一端與脈沖吸取柵極連 接，另一端與多級離子加速級連接，所述的離子加速裝置還包括外接脈沖高 壓電源供應(yīng)器、脈沖高壓電源供應(yīng)器和脈沖頻率調(diào)制器；所述的外接脈沖高 壓電源供應(yīng)器陽極與電離室連接，陰極與脈沖吸取柵極連接；所述的脈沖高 壓電源供應(yīng)器一端與多級離子加速級連接，另一端與脈沖頻率調(diào)制器的一端 連接；所述的脈沖頻率調(diào)制器的另一端與外接脈沖高壓電源供應(yīng)器連接。所述的多級離子加速級中的每一個(gè)加速級包括一個(gè)柵極和地極，所述的 柵極與脈沖高壓電源供應(yīng)器連接，所述的地極為兩個(gè)。本發(fā)明的離子加速裝置的工作原理是脈沖高壓電源供應(yīng)器陽極接電離 室，陰極接脈沖吸取柵極，同時(shí)柵極接地，在脈沖高壓電源供應(yīng)器作用下， 離子被吸取出來構(gòu)成脈沖離子束。通過分析磁場單元篩選出所需離子。脈沖粒子束進(jìn)入多級離子加速級， 每個(gè)加速級的柵極由脈沖高壓電源供應(yīng)器提供的高壓脈沖相差多個(gè)相位，每 一個(gè)脈沖粒子束在被一個(gè)加速級的柵極一拉一推后，進(jìn)入漂移模式，然后再 接受下一個(gè)加速級的柵極一吸一推。在漂移段中根據(jù)脈沖頻率的不同和每個(gè) 加速級柵極不同相位可以同時(shí)存在多個(gè)脈沖粒子束。本發(fā)明提供的離子加速裝置由于采用了多相位方式使柵極的利用率大大 提高，提高了粒子束的電流；采用脈沖的高壓電源供應(yīng)方式，減少了粒子束的損耗；采用脈沖吸取柵極，減少了使粒子束成團(tuán)的損耗，使得吸取的粒子 束可以全部利用。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的脈沖離子束的產(chǎn)生裝置及方式示意圖； 圖3為本發(fā)明的多級離子加速級的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明的脈沖離子束的漂移示意圖。
具體實(shí)施方式
參照圖l，本發(fā)明提供的離子加速裝置，包括電離室l、脈沖吸取柵極2、 分析磁場單元3和多級離子加速級4，所述分析磁場單元3的一端與脈沖吸取柵 極2連接，另一端與多級離子加速級4連接，所述的離子加速裝置還包括外接 脈沖高壓電源供應(yīng)器7、脈沖高壓電源供應(yīng)器5和脈沖頻率調(diào)制器6;所述的外 接脈沖高壓電源供應(yīng)器7陽極與電離室1連接，陰極與脈沖吸取柵極2連接；所 述的脈沖高壓電源供應(yīng)器5—端與多級離子加速級4連接，另一端與脈沖頻率 調(diào)制器6的一端連接；所述的脈沖頻率調(diào)制器6的另一端與外接脈沖高壓電源 供應(yīng)器7連接。離子被外接脈沖高壓電源供應(yīng)器7的脈沖吸取柵極2吸取出來構(gòu)成脈沖粒 子束，通過分析磁場單元3篩選出所需離子。脈沖粒子束進(jìn)入多級離子加速級 4，每個(gè)加速級的柵極9由脈沖高壓電源供應(yīng)器5提供的高壓脈沖相差多個(gè)相 位，每一個(gè)脈沖粒子束8在被一個(gè)加速級的柵極9一吸一推后，進(jìn)入漂移模式， 然后再接受下一個(gè)加速級的柵極9一吸一推。在漂移段中根據(jù)脈沖頻率的不同 和每個(gè)加速級柵極9不同相位可以同時(shí)存在多個(gè)脈沖粒子束8，這樣一級一級 加速下去。脈沖頻率調(diào)制器6根據(jù)需要嚴(yán)格的控制脈沖高壓電源供應(yīng)器5的相 位和頻率。本發(fā)明加速級可以是圖1所示的3個(gè)也可以是任意個(gè)累加，方式原 理相同，不一一描述。參照圖2，本發(fā)明包括如圖2所示脈沖離子束的產(chǎn)生裝置及方式，脈沖高壓電源供應(yīng)器7陽極接電離室1，陰極接脈沖吸取柵極2，同時(shí)脈沖吸取柵極2 接地，該脈沖高壓電源供應(yīng)器7只產(chǎn)生正高壓脈沖。如圖2a部分在^時(shí)段內(nèi)產(chǎn) 生+V的脈沖，電離室l為正電壓，脈沖高壓電源供應(yīng)器7為地。由于電場的作 用，離子束8被吸出。如圖2b部分在t2時(shí)段內(nèi)無脈沖產(chǎn)生，電離室l與脈沖高壓 電源供應(yīng)器7間無電場作用，沒有離子束8被吸出，但是之前被吸出的粒子束8 已獲得了能量，將進(jìn)入漂移模式，能量不改變。這樣形成第一個(gè)脈沖離子束8。 如圖2c部分在又一個(gè)t,時(shí)段產(chǎn)生V的脈沖，電離室l為正電壓，脈沖高壓電源供 應(yīng)器7為地，由于電場的作用，離子束8將再次被吸出。依次下去，按照本發(fā) 明將形成一束束的脈沖離子束，為后段的多極脈沖離子加速作準(zhǔn)備。該脈沖 高壓電源供應(yīng)器7頻率為f=l/(trH2)，本發(fā)明通過改變^可以改變脈沖離子束的長短，改變t2可以改變脈沖離子束之間的間隔時(shí)間。參照圖3，多級離子加速級4的每個(gè)加速級包括一個(gè)柵極9、地極10和地極 11，每個(gè)柵極9接有一脈沖高壓電源供應(yīng)器5。正負(fù)高壓脈沖被應(yīng)用于該脈沖 高壓電源供應(yīng)器5，頻率為fH/t3。如圖3a所示， 一個(gè)脈沖離子束8剛穿出地 級10的同時(shí)加速級柵極9 (脈沖高壓電源供應(yīng)器5)嚴(yán)格的根據(jù)需要正好改變 為陰極，這時(shí)電場方向和離子束運(yùn)動方向相同，電場將使該脈沖粒子束8加速 進(jìn)(拉)入加速級柵極9。圖3b所示，該脈沖離子束8剛達(dá)到加速級柵極9中間 時(shí)，加速級柵極9 (脈沖高壓電源供應(yīng)器5)嚴(yán)格的根據(jù)需要正好要反響變?yōu)?陽極+V，此時(shí)加速級柵極9為0，該脈沖粒子束8漂移模式不改變狀態(tài)繼續(xù)移 動。圖3c所示，加速級柵極9 (脈沖高壓電源供應(yīng)器7)嚴(yán)格的根據(jù)需要反響 變?yōu)殛枠O+V后，這時(shí)電場方向和離子束運(yùn)動方向相同，電場又將使該脈沖粒 子束8加速進(jìn)(推)入地級ll，當(dāng)脈沖粒子束8正好進(jìn)入后地極11，同時(shí)該+V 脈沖結(jié)束。進(jìn)入下一個(gè)一V脈沖，此時(shí)第二個(gè)脈沖離子束正好穿出前一個(gè)地極 10。這樣周而復(fù)始達(dá)到本發(fā)明中加速級柵極9加速每一個(gè)脈沖粒子束8作用。 在本發(fā)明中，要達(dá)到加速每個(gè)脈沖粒子束8必須滿足的條件是第一個(gè)加速完 成正好是第二個(gè)進(jìn)入，也就是2xt3二t,+t2。參照圖4，在本發(fā)明中一個(gè)脈沖離子束完成一個(gè)加速級的拉和推后就進(jìn)入 漂移模式。當(dāng)脈沖離子束8穿過地極11后，在下一加速級的地極10之間的這段 距離，沒有電場的作用，脈沖粒子束不改變能量狀態(tài)，繼續(xù)運(yùn)動，進(jìn)入漂移模式。根據(jù)前級加速級的地極11和后級加速級的地極10的距離可以使不同數(shù)量的脈沖粒子束進(jìn)入漂移模式，在本發(fā)明中這樣的好處是，相鄰加速級對脈 沖離子束的拉和推不會對前后的脈沖離子束造成影響。相反，如果兩個(gè)加速 級柵極間只有一個(gè)地極，那末在前級加速級推完時(shí)下級加速級必須馬上拉， 同步要求非常嚴(yán)格。而在本發(fā)明中，每個(gè)加速級相當(dāng)于是互相獨(dú)立的，兩個(gè) 地極間漂移段隔離了前后加速級間的電場影響，下一個(gè)加速級不用嚴(yán)格的和 上一個(gè)加速級同步。圖4描述的是有前級加速級和后級有四個(gè)相位差的情況，根據(jù)本發(fā)明同樣 的原理方式，前級加速級和后級可以是任意多相位的情況，可以使1個(gè)、2個(gè)、 3個(gè)、8個(gè)、九個(gè)任意，也可以是U個(gè)、1.5、 2.8任意小數(shù)相位差，這也是本發(fā) 明的特點(diǎn)之一，前后不用嚴(yán)格的相位匹配，同時(shí)有多相產(chǎn)生更多給密集的脈 沖離子束，并且?guī)缀?00%的離子利用率。上述舉例的特征和附圖的特征可以部分或全部加以實(shí)施，本發(fā)明不僅僅限于 以上舉例實(shí)施方式，它包括本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員以不同的方式進(jìn)行改變和 變化。
權(quán)利要求
1.一種離子加速裝置，包括電離室(1)、脈沖吸取柵極(2)、分析磁場單元(3)和多級離子加速級(4)，所述分析磁場單元(3)的一端與脈沖吸取柵極(2)連接，另一端與多級離子加速級(4)連接，其特征在于所述的離子加速裝置還包括外接脈沖高壓電源供應(yīng)器(7)、脈沖高壓電源供應(yīng)器(5)和脈沖頻率調(diào)制器(6)；所述的外接脈沖高壓電源供應(yīng)器(7)產(chǎn)生高壓電源，其陽極與電離室(1)連接，陰極與脈沖吸取柵極(2)連接；所述的脈沖高壓電源供應(yīng)器(5)產(chǎn)生脈沖離子束并加速離子，其一端與多級離子加速級(4)連接，另一端與脈沖頻率調(diào)制器(6)的一端連接，脈沖頻率調(diào)制器(6)用于控制脈沖高壓電源供應(yīng)器(5)；所述的脈沖頻率調(diào)制器(6)的另一端與外接脈沖高壓電源供應(yīng)器(7)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的離子加速裝置，其特征在于所述的多級離子加 速級(4)中的每一個(gè)加速級包括一個(gè)柵極(9)、地極(10)和地極(11)， 所述的柵極(9)與脈沖高壓電源供應(yīng)器(5)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種離子加速裝置，包括電離室、脈沖吸取柵極、分析磁場單元和多級離子加速級，所述分析磁場單元的一端與脈沖吸取柵極連接，另一端與多級離子加速級連接，所述的離子加速裝置還包括外接脈沖高壓電源供應(yīng)器、脈沖高壓電源供應(yīng)器和脈沖頻率調(diào)制器；所述的外接脈沖高壓電源供應(yīng)器陽極與電離室連接，陰極與脈沖吸取柵極連接；所述的脈沖高壓電源供應(yīng)器一端與多級離子加速級連接，另一端與脈沖頻率調(diào)制器的一端連接；所述的脈沖頻率調(diào)制器的另一端與外接脈沖高壓電源供應(yīng)器連接。本發(fā)明提供的離子加速器具有離子利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、離子加速能量高、擴(kuò)充自由靈活的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H05H5/00GK101296555SQ200710098260
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者劍 陳 申請人:和艦科技(蘇州)有限公司