專利名稱：一種直流放電原子束源的制作方法
技術領域：
本發明屬薄膜材料制備技術領域，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：
自從美國加州大學E.L.Knuth及其合作者在1969年初用弧熱噴射束源技術成功產生氦原子束以來，已有幾個研究小組對這種能夠產生高密度、低能量、高方向性中性原子束的束源進行了研制；其中美國愛荷華大學的K.R.Way等人用弧熱束源在氬弧中分解氫氣，產生原子態氫束；美國STEVENS技術研究所的E.C.Samano等人對Way等人的弧熱束源進行了改進在用純氫氣產生氫原子束；只有美國德克薩斯大學Austin分校的R.B.Berstein的研究小組用弧熱束源在氬弧中分解氮氣，產生了原子態氮束。最近，愛爾蘭都柏林大學的M.Rahman等人用一種平面束源技術產生的較高能量(2000電子伏)氬/氮混合束對材料表面進行氮化處理，但這種束源無論在結構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定只能夠采用惰性氣體或分解能較小的氫氣，產生氮原子束必須在放電穩定的惰性氣體中摻入較少比例(一般在20％左右)的氮氣。另外，由于放電電流較大(80-150安培)和陽極材料采用熔點較低的銅，陰極和陽極的壽命都較短，特別是銅制陽極，每使用一次，就必須更換；由于放電過程中的燒蝕較嚴重，產生的原子束中含有較多的陰極和陽極材料的成分。
發明內容
本發明的目的在于提供一種放電穩定性好、能使用多種不同氣體的新型直流放電原子束源。
本發明提出的直流原子束源，其結構如圖1所示，它由陰極1、中空極陽極2、陰極基座3、陽極法蘭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上設有進氣通道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，且半球形頂點處(軸線上)設有陰極孔，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部，且上下位置可調；陰極2的頂部為圓錐臺形，后部為直徑小于圓錐臺的圓柱體，該圓柱體部分插入陰極基座3下端的陰極孔內固定；陽極法蘭4也為陽極基座，其中心部位為中空圓柱形，底部設有一個下沉孔，中空陽極2為筒狀，下端部為中空圓錐體，圓錐體頂端為原子束引出孔。陰極2嵌入陽極法蘭4底部的下沉孔中。電磁鐵7設置于陽極法蘭4的中空圓柱體的外側，電磁鐵7和中空圓柱體之間設有冷卻水通道12；陰極1的尖頂與陽極2上部表面的間距為0.5-1.5厘米，可調。
本發明中，陰極基座3和陽極法蘭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，中空陽極2采用純鉬制成。
本發明中，伸向原子束源外面的陰極基座3接電源負極，陽極法蘭4接地；電源采用并聯雙電源，其中一個電源為輝光放電階段供電，另一個電源為弧光放電階段供電。
本發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)的高強度弧熱噴射原子束源，改進了該型原子束源內外部結構和工作方式，采用了雙直流電源供電，提高了各種氣體環境下放電的穩定性，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氫有機氣體的混合氣；并減少了陰極和陽極材料的燒蝕。
本發明的工作原理如下本發發明的原子束源可根據不同的要求工作在弧光和輝光兩個放電區域，弧光放電的起弧方式采用輝光放電向弧光放電過渡，起弧過程如下在20乇附近氣壓下，用電源一將放電電壓加到200-300伏(不同氣體會有差別)，輝光放電啟輝；增加供電電壓，此時放電電壓在100-200伏間基本保持穩定，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、不同陰陽極間距會有差別)，逐漸增加氣壓，輝光放電區域逐漸集中到陰極錐尖下方，至80-150乇時(不同氣體、不同陰陽極間距會有差別)，輝光放電轉為弧光放電，此時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，通過調節供電電壓，可以根據需要將放電電流穩定在100-500毫安范圍的任意值附近，氣壓可以在10-100乇范圍內調節，再通過選用不同直徑(0.5-2毫米)原子束引出孔，調節引出束中原子束強度。放電電流越大，原子束強度越高；氣壓越高，引出總束流越大，但總束流中原子/分子比越小；引出同等大小總束流，引出孔直徑越大，氣壓越低，原子束強度越高；而總束流越大，真空室氣壓越高；可根據實驗需要安排這些參數。在弧光放電起弧后，同樣通過調節供電電壓，可以根據需要將放電電流穩定在7.5-15安范圍的任意值附近，氣壓可以在15-380乇范圍內調節，再通過選用不同直徑(0.5-1.5毫米)引出孔，調節引出束中原子束強度。放電電流越大，原子束強度越高；氣壓越高，引出總束流越大，但總束流中原子/分子比越小；引出同等大小總束流，引出孔直徑越大，氣壓越低，原子束強度越高；而總束流越大，真空室氣壓越高；可根據實驗需要安排這些參數。
本發明的優點主要如下(1)可產生純氮、純氧及不同配比的氮氫有機氣體的混合原子束；(2)原子束強度大，弧光放電可達1018-21，輝光放電可達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渡，既簡化了裝置，又降低了電源成本；(5)由于采用陽極下沉式結構和雙電源供電，放電極為穩定；(6)陰極和陽極陰極壽命長。在弧光放電工作模式下，陰極和陽極材料的燒蝕極少，陽極無需更換，陰極使用壽命由幾小時延長到100小時以上；在輝光放電工作模式下，陰極和陽極都沒有燒蝕，無須更換。
(7)采用透明石英筒身，可直接觀察放電情況；(8)還具有結構簡單，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為本發明原子束源結構。
圖2為弧光放電電流與氣壓的關系，其中d-陰極至陽極間距。
圖3為弧光放電原子平均動能與氣壓的關系。
圖中標號1-陰極，2-中空陽極，3-陰極基座，4-陽極法蘭，5-陰極法蘭，6-石英筒，7-電磁鐵，8-固定螺桿，9-陽極孔，10-出射束，11-氣體通道，12-冷卻水通道。
具體實施例方式
如圖1所示，整個原子束源呈圓柱形，柱身是一個石英玻璃筒6，上部為陰極法蘭5，下部為陽極法蘭4，石英玻璃筒6和上、下部的陰、陽極法蘭間采用0圈真空密封，上下陰陽極法蘭由四根螺桿8緊固，每根螺桿都由一聚四氟乙烯套筒在上法蘭將陰陽極法蘭絕緣開；透明的石英玻璃便于觀察放電情況和測量發射光譜；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接一根紫銅制中空圓柱形陰極基座3，陰極基座3上下可調，陰極基座3一端伸入原子束源內部，端頭加工成半球形，半球形的頂點處有一深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 半球形端頭頂點的孔中，在陰極基座3側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厘米范圍內可調；下部陽極法蘭也是陽極基座，由紫銅制成，陽極法蘭中心為一個下沉孔，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。陽極由純鉬制成，形狀如筒狀，鉬筒外徑12毫米，內徑6毫米，嵌入陽極法蘭中心孔，底部安裝一個圓形陽極底片，底片由純鉬制成，厚3毫米，底片在鉬筒內徑區域加工成內圓錐形，底片中心(對應內圓錐的頂點)有一同軸小孔，小孔內徑0.05-0.20厘米，長0.12厘米，此孔即為原子束引出孔。陰極尖頂至陽極筒上表面間距在0.5-1.5厘米范圍可調。
伸向原子束源外面的陰極基座接電源負極，陽極法蘭接地，電源采用并聯雙電源。電源一供電電壓可加到600伏，電流可達到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，電流可達到20安培，主要為弧光放電階段供電。
下面通過實施例進一步描述本發明，但不限于實施例的描述。
示例1弧光放電產生弧熱氮原子束，原子束中原子/分子比達到33％，強度可達1021/弧度·秒。選用孔內徑為0.05厘米的陽極底片，陰極尖頂至陽極筒上表面間距調到0.6厘米。工作前，先通冷卻水，然后通入純氮氣；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，此時放電電壓在155伏上下基本保持穩定，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，輝光放電區域逐漸集中到陰極錐尖下方，至105乇附近時，輝光放電轉為弧光放電，此時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，放電電流穩定在12-13安培。
示例2輝光放電產生高活性氮氫甲烷混合束，混合束中原子/分子比達到80％以上，強度可達1019/弧度·秒。選用孔內徑為0.2厘米的陽極底片，陰極尖頂至陽極筒上表面間距調到1.0厘米。工作前，先通冷卻水，然后通入氮氫甲烷混合氣體；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，此時放電電壓在150伏上下基本保持穩定，放電電流逐漸增加到500毫安，保持穩定。
本發明原子束源性能指標如下輝光放電產生原子束純氮、純氧、純氫及不同配比的氮氫甲烷和其它混合氣體原子束強度1015-18/弧度·秒原子束平均動能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安陰極壽命無燒蝕痕跡，無需更換。
陽極壽命無燒蝕痕跡，無需更換。
弧光放電產生原子束純氮、純氫及不同配比的氮氫甲烷和其它混合氣體原子束強度1017-21/弧度·秒原子束平均動能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小時以上。
陽極壽命燒蝕極小，無需更換。
權利要求
1.一種直流原子束源，其特征在于由陰極(1)、中空極陽極(2)、陰極基座(3)、陽極法蘭(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)上設有進氣通道(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，且半球形頂點處設有陰極孔，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部，且上下位置可調；陰極(2)的頂部為圓錐臺形，后部為直徑小于圓錐臺的圓柱體，該圓柱體部分插入陰極基座(3)下端的陰極孔內固定；陽極法蘭(4)也為陽極基座，其中心部位為中空圓柱形，底部設有一個下沉孔，中空陽極(2)為筒狀，下端部為中空圓錐體，圓錐體頂端為原子束引出孔，陰極(2)嵌入陽極法蘭(4)底部的下沉孔中；電磁鐵(7)設置于陽極法蘭(4)的中空圓柱體的外側，電磁鐵(7)和中空圓柱體之間設有冷卻水通道(12)；陰極(1)的尖頂與中空陽極(2)上部表面的間距為0.5-1.5厘米，可調。
2.根據權利要求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，中空陽極(2)采用純鉬制成。
3.根據權利要求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)接電源負極，陽極法蘭(4)接地；電源采用并聯雙電源，其中一個電源為輝光放電階段供電，另一個電源為弧光放電階段供電。
全文摘要
本發明屬薄膜材料制備技術領域，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、陽極、陰極基座、陽極法蘭、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。陽極為中空，尖端為原子束引出孔，陽極設于陽極法蘭的下沉洞孔中。陰極與陽極間距為0.5－1.5厘米可調。本原子束源放電穩定性好，可產生多種氣體的原子束；原子束強度大，弧光放電可達10
文檔編號H01J37/00GK1964594SQ20061011810
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月9日 優先權日2006年11月9日
發明者許寧, 杜元成, 應質峰, 李富銘 申請人:復旦大學