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行業(yè)百科
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離子源

  氣體放電、電子束對(duì)氣體原子(或分子)的碰撞,帶電粒子束使工作物質(zhì)濺射以及表面電離過程都能產(chǎn)生離子,并被引出成束。根據(jù)不同的使用條件和用途,目前已研制出多種類型的離子源。使用較廣泛的有弧放電離子源、PIG離子源、雙等離子體離子源和雙彭源這些源都是以氣體放電過程為基礎(chǔ)的,常被籠統(tǒng)地稱為弧源高頻離子源則是由氣體中的高頻放電來產(chǎn)生離子的,也有廣泛的用途。新型重離子源的出現(xiàn),使重離子的電荷態(tài)顯著提高,其中較成熟的有電子回旋共振離子源  (ECR)和電子束離子源(EBIS)。負(fù)離子源性能較好的有轉(zhuǎn)荷型和濺射型兩種。在一定條件下,基于氣體放電過程的各種離子源,都能提供一定的負(fù)離子束流。

  離子源是一門具有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的學(xué)科,在許多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域如原子物理、等離子化學(xué)、核物理等研究中,離子源都是十分重要不可缺少的設(shè)備。

離子源的類型

高頻離子源
  利用稀薄氣體中的高頻放電現(xiàn)象使氣體電離,一般用來產(chǎn)生低電荷態(tài)正離子,有時(shí)也從中引出負(fù)離子,作為負(fù)離子源使用。
  在高頻電場中,自由電子與氣體中的原子(或分子)碰撞,并使之電離。帶電粒子倍增的結(jié)果,形成無極放電,產(chǎn)生大量等離子體。高頻離子源的放電管一般用派勒克斯玻璃或石英管制作。高頻場可由管外螺線管線圈產(chǎn)生,也可由套在管外的環(huán)形電極產(chǎn)生。前者稱為電感耦合,后者稱為電容耦合高頻振蕩器頻率為10 ~10 Hz,輸出功率在數(shù)百瓦以上。
  從高頻離子源中引出離子可有兩種方式。一種是在放電管頂端插入一根鎢絲作為正極,在放電管尾端裝一帶孔負(fù)電極,并把該孔做成管形,從中引出離子流。另一種方式是把正極做成帽形,裝在引出電極附近,而放電區(qū)則在它的另一側(cè)。不管采用哪種引出方式,金屬電極都要用石英或玻璃包起來,以減少離子在金屬表面的復(fù)合。
  在高頻放電區(qū)域中加有恒定磁場時(shí),由于共振現(xiàn)象可提高放電區(qū)域中的離子濃度。有時(shí),還在引出區(qū)域加非均勻磁場來改善引出。

弧放電離子源
  在均勻磁場中,由陰極熱發(fā)射電子維持氣體放電的離子源。為了減少氣耗,放電區(qū)域往往是封閉的。陽極做成筒形,軸線和磁場方向平行。磁場能很好地約束陰極所發(fā)射的電子流,在陽極腔中使氣體的原子(或分子)電離,形成等離子體密度很高的弧柱。離子束可以垂直于軸線方向的側(cè)向引出,也可以順著軸線方向引出。

PIG離子源
  在外磁場約束下產(chǎn)生反射放電的離子源,是弧放電離子源的改進(jìn)。在弧放電離子源中,陽極另一端和陰極對(duì)稱的位置上,裝一與陰極等電位的對(duì)陰極,使陰極發(fā)射的電子流在中空的陽極內(nèi)反射振蕩,提高了電離效率,改變了放電機(jī)制。陰極一般用鎢塊制成,由電子一種流強(qiáng)大產(chǎn)額高的離子源轟擊加熱,稱間熱陰極離子源。反射放電電壓較高時(shí),可在冷陰極狀態(tài)下工作。這時(shí)離子源結(jié)構(gòu)更加簡單,稱為冷陰極離子源。對(duì)于功率較大的離子源,陰極被放電所加熱,達(dá)到電子熱發(fā)射溫度,被稱為自熱陰極離子源。

  為產(chǎn)生非氣態(tài)元素的離子,將該元素饋入離子源的方法有多種。簡單的方法是使用氣體化合物,也可導(dǎo)入該元素的蒸氣。某些固體物質(zhì)還可鍍在陰極表面或陽極腔壁上,靠放電中的濺射作用將該物質(zhì)導(dǎo)入放電區(qū)。