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1、电子回旋共振（ECR）离子源的研制1998年8月第35卷第4期四川走学(自_蜷科学版)JournalofSiehuanUniversi~”(NaturalScienceEdition)Aug.1998V0I.35No.4;&一D电子回旋共振(ECR)离子源的研制奎宣菹张大息陈剑埴.rLj’3(娘子榱科学技术研究辐射物理与技术国家教委开放实验室)摘要介绍了一种电了回旋共振(ECR)离了源的设计和结构.为了获得长寿命,高等离子密度以及高教传输微波功率,作者通过实验研究发现,利用合适的微波输人三层复合窗(石英,A1203陶瓷和BN)是很有效的,而n采用两十带有磷轭的螺线管线圈能够产生满足共
2、振条件(87.5roT)和约束等离子体的轴向磁场.利用该离了瓣制备了C:N团簇纤维.当引出电压为一500v时,在靶室中的酗0mrn样品卜能获得∞mA的离子流,其瓣的寿命可超过3Ooh.关键词BcR红,墼垫塑笪中图法分类号Tb50g.3违,四提茅板一电四根在离子束技术的科研和生产工艺中.都需要稳定性好,寿命长的强流离子源.在通常情况下,强流离子源多使用阴极构成.为了获得较强的离子流,往往通过加大放电功率来增加电子密度,这样势必缩短阴极的寿命.电子回旋共振(ECR)离子源无需使用阴极,具有电离度高,电子密度高,电子能量高和工作压力范围宽等优点[.因此,EcR离子源广泛应用于高流强的离子注人,离子
3、刻蚀,离子束溅射沉积,离子束材料改性,半导体生产工艺以及离子化学等备个方面一.我们报道了一种可用于离子柬沉积,离子化学和材料改性的ECR离子源的结构及其性能.1ECR离子源的设计1.IECR离子源的结构ECR离子源是一种无阴极型的离子源,当微波频率与电子在磁场中的回旋频率相等时则发生共振,电子获得能量,使放电室内的气体电离并产生等离子体.我们所设计的ECR离子源结构如图l所示.该源由下几个部分组成:(1)圆拄形等离子放电室,直径为7.5era,长为l0em;等离子室为夹层,通水冷却.(2)由石英,AI2Oa陶瓷和BN组成的微波输人三层复合窗.(3)两个带有磁轭能独立供电并产生所需磁场分布的螺
4、线管线包.(4)由频率为2?tSGHz的微波发生器,三端环流器,四销钉调配器以及波导管所组成的微波系统.(5)用多孔双层栅删组成的引出系统.1.2微波输入窗的设计微波输人窗是ECR源的关键部件,有着十分重要的作用它不仅能用于真空密封,防止反向电子的轰击,而H在微波输人与等离子体之间起着重要的阻抗匹配作用,也是ECR离子源毒命的决定因素之一.因此,需要埘微波轱人窗进行精心设计.本文丁l明7年7月24日收到*国防科工委资助课题第4期刘保阳等:电子回旋共振(ECR)离子源的研制537在此源中,我们采用波导传输耦合而非天线耦合.被ECR等离子体吸收的微波为右极化TE波.等离子体等效于一个介质,其介电
5、常数由下式给出E,即:l一(I)l一”,蚰其中m为输人微波频率,为等离子体频率,为电子回旋频率.和‰与等离子密度和电子密度有关.当气体发生电离时,随着等离子体密度和电子密度的增大,等离子体的频率和电子回旋频率都将随之增高;当等离子的密度增加到足够大时,等离子体的频率和电子回旋的频率都将超过输人微波频率.这图1E(‘R等离子体离子潭蛄构示意图常数为4,能耐电子轰击,将其置于面向等离子体的内层;石英处于外层,用作真窄密封;处于中层的AIO3陶瓷其介电常数为9,丰要起阻抗匹配的作用.实验表明,当AI.O3陶瓷和BN的厚度为30ram时,微波的反射功率小于l.该源运行300h卜,尚未见BN有损伤.1
6、.3轴向磁场设计在一般情况下,ECR离子源首先在放电室微被输八窗的附近形成等离子体.当微波频率为2.45GHz时,能满足共振条件的磁场值为87.5mT.通常采用螺线管,永磁体或放电室外置线包及室内置永磁体的复合形式来产生EcR离子源的磁场,而找们采用带有磁轭的螺线管来产生所需的磁场.在最大外径为11.8era的放电室轴线螺线管产生的磁场值为一,:.———一B一iLln(塑土)(2)R1十√+Lrr其中脚=d×10一..(Wb/A?Ⅱ1),J=—,L为螺旋管长度,鼠为螺旋管内圆半径(m),z为螺旋管外圆半往(m),,为电流强度tA),N为数.离子源的磁场采用下两个分别单独供电的螺线管线包产生,
7、磁场沿轴线的分布通过调节澈磺电流大小来实现.线圈主要满足共振磁场值,下线圈则丰要用于约柬等离子并上磁场的磁场强度口=100roT+经计算卜螺旋管的参数应为N=I32匝,一250A,L4.和Rl一6?2cm;用l0ram×2ram的铜管绕制,管内遁水冷却;安装时使上螺旋管的线圈水平中心与微波输人窗的放电室内表面相重合.在下螺旋管中,除R为7~m外,其余参数均与上螺旋管相同;但其中心与离子源出J]端面重合.我们采
