2.45GHz单电荷态电子回旋共振离子源.PDF

　第 24 卷 　第 1 期 核 　　技 　　术 Vol. 24 , No. 1 　 　2001 年 1 月 NUCL EAR TECHN IQU ES January 2001 　 　　 　　 2. 45 GHz 单电荷态电子回旋共振离子源 丁俊章 　赵玉彬 　刘占稳 　赵红卫 　袁 　平 　曹 　云 　雷海亮 张子民 　张雪珍 　张 　汶 　郭晓虹 　王 　辉 　冯玉成 李锦玉 　马保华 　高级元 　宋 　沛 　李锡霞 ( 中国科学院近代物理研究所　兰州　730000) ( ) 摘要 　描述了一台 2. 45 GHz 单电荷态电子回旋共振 ECR 离子源的原理、结构与应用。介绍了 其微波系统与磁场结构。在微波输入功率约 600W , 引出高压 22kV , 引出孔径为 6mm 时 ,该离 子源的总束流 I ( H1 + + H2 + + H3 + ) 可达 90mA 。 关键词 　ECR 离子源 ,微波 ,等离子体频率 ,永磁体 中图分类号　 TL503. 3 ( ) 电子回旋共振 ECR 离子源是一种无阴极源。它具有电离度高 ,形成的等离子体密度高 , 束流强度大 ,性能稳定可靠等优点。对 2. 45 GHz 全永磁单电荷态 ECR 源 , 所用微波频率在工 业通用频率段 ,无需强的共振磁场 ,采用永磁体减小了源体的体积。这些特点不仅降低了离子 源造价 ,而且能长期提供稳定的高品质离子束。在离子注入、离子刻蚀、薄膜技术、辐照育种、 材料表面改性、离子束沉积等工农业、医学与科研领域得到广泛的应用。 1 　离子源的结构及原理 离子源的结构如图 1 所示。等离子体弧腔采用双层结构 ,用去离子水循环冷却 , 内径为 7cm ,长 7cm 。引出采用加速- 减速电极系统 ,加速和减速间隙分别为 6mm 和 3mm 。产生的 单电荷态离子先经过 6mm 单孔等离子体电极 ,再通过吸极引出。吸极加负电位 ,它与地极 之间的电场可阻止束流路径中的电子被反向加速至离子源内。工作气体通过微波窗旁两个进 气孔进入腔体。 在离子源腔体内 ,轴向磁场由永磁铁与三个辅助线包产生 ,当馈入微波频率与电子在磁场 中的拉摩回旋频率相等时会产生共振 , 电子获得能量,从而使腔体内的工作气体电离形成等离 子体。共振应满足 ( ) f ce = 28 B 0 1 ( ) ( ) 式中 ,f ce为电子回旋共振频率 GHz ; B 0 为静磁场磁感应强度 T 。当 f ce 为 2. 45 GHz 时 ,按 ( ) - 2 1 式 , B 应为 8. 75 ×10 T 。实际在等离子体腔内 , 由于受到等离子体密度和回旋电子的去 磁作用等因素的影响 , 电子会在 B 0 为 8. 75 ×10 - 2 T 附近形成共振并吸热。等离子体加热与 其密度及静磁场之间的关系即 CMA 图见文献[1 ] 。这是经典加热理论得出的结果 ,但对于低 温等离子体的加热来说 ,所显示的许多趋势仍是正确的。当电磁场沿磁场降低的方向向电子 ( ) ( ) 回旋共振区域传播时 ,非寻常波 X 波 被反射 ,只有右旋极化波 R 波 在这种条件下能到