專利名稱：Filament electrical discharge ion source的制作方法
絲極放電離子源本發(fā)明涉及脈沖離子源以及使用該離子源的設(shè)備例如等離子體發(fā)生器。公開文獻(xiàn)US 3，156，842涉及氣體離子發(fā)生器，其包括形狀為旋轉(zhuǎn)狀的空心電 極，沿著所述空心電極的軸放置并具有比所述空心電極的截面小很多的截面的呈桿形的電 極，用于將處于較低壓的氣體供應(yīng)到由空心電極限定的空間中的裝置，以及用于使電子遠(yuǎn) 離空心電極的端部的裝置。也可參考公開文獻(xiàn)US 3，970，892,US 4，025，818,US 4，642，522、US4, 694，222,US 4，910，435 和 FR 2 591 035。如果電極呈細(xì)絲極的形式，已證明其難以產(chǎn)生具有高強(qiáng)度且均勻的電流的大尺寸 離子源。事實(shí)上，放電是沿著絲極非均勻地形成的，而且發(fā)現(xiàn)其并不穩(wěn)定。絲極可能局部變 得白熱?？赡艿那闆r是放電室壁的內(nèi)表面形成較好的發(fā)射性能?？梢栽O(shè)想使用沿著放電室 的軸平行安裝的多個(gè)長(zhǎng)絲極。然而，隨后放電沿著絲極不均勻地產(chǎn)生，并出現(xiàn)了與絲極的膨 脹和振動(dòng)有關(guān)的機(jī)械困難。如果使用垂直于放電室的軸安裝的多個(gè)短絲極，則機(jī)械設(shè)備變 得復(fù)雜，這尤其由于存在穿過氣密且電絕緣的壁的多個(gè)通路所導(dǎo)致。可以設(shè)想單獨(dú)為每個(gè) 絲極供電。這樣就需要多個(gè)電源，這使得裝置中的電部件更加復(fù)雜。此外，以穩(wěn)定且均勻的方式形成填充低壓室的放電依然很困難的。本發(fā)明尤其旨在克服上述的現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。發(fā)明具體的目的是提供一種均勻且穩(wěn)定的大尺寸離子源。一種絲極放電離子源，包括電離室，其設(shè)置有內(nèi)壁，并且配置為容納待電離的氣 體；絲極，其布置在電離室中；以及電源，其向絲極供電。絲極布置為彼此基本上平行，并且 穿過內(nèi)壁而連接至電源。至少一個(gè)第一絲極穿過第一內(nèi)壁而連接至電源，且至少一個(gè)第二 絲極穿過與第一內(nèi)壁相對(duì)的第二內(nèi)壁而連接至電源。實(shí)際上申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)以從電離室的相對(duì)側(cè)向絲極供電的交錯(cuò)方式向絲極供應(yīng)電流， 能夠基本上減少磁場(chǎng)對(duì)氣體電離的副作用。多達(dá)幾百安培的電流產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的磁場(chǎng)，例如， 在距離絲極一厘米的距離處為幾千分之一特斯拉的量級(jí)，從而使自由電子的回轉(zhuǎn)半徑在 0. 03mm的量級(jí)上，并因此基本上小于平均自由程。對(duì)于這樣的電子，則不太可能使氣體電 離。交錯(cuò)的供電能夠使磁場(chǎng)在量級(jí)上減少10至100倍。絲極可安裝為偶數(shù)。絲極的數(shù)量可以是2、4、6、8或10。如果絲極的數(shù)量大于或等 于4，則絲極的布置可以是使第一絲極相鄰于多個(gè)第二絲極，且第二絲極相鄰于多個(gè)第一絲 極。術(shù)語“相鄰”可理解為是最靠近的相鄰。在具有四個(gè)絲極的組件的情況下，從截面看去，這些絲極可布置為第一絲極沿著 一條對(duì)角線而第二絲極沿著另一對(duì)角線的方形。四個(gè)絲極也可布置在平面層中，第一絲極 和第二絲極彼此交替。在具有六個(gè)絲極的組件的情況下，這些絲極可以是第一絲極和第二 絲極交替的六邊形布置、矩形布置或平面層布置。在具有八個(gè)絲極的組件的情況下，這些絲 極可以布置在兩個(gè)具有四個(gè)絲極的組中，所述兩組由大于隔開兩個(gè)相鄰絲極的間距的間距 隔開，還可布置在具有恒定間距的矩形中、在八邊形中，在平面層中等等。電源可配置為提供小于每厘米絲極長(zhǎng)度1安培的電流。這促進(jìn)了放電的均勻性。
在一個(gè)實(shí)施例中，絲極平行于電離室的軸。絲極可平行于電離室的縱軸。因此穿 過氣密壁的電通道的數(shù)量低。在一個(gè)實(shí)施例中，絲極平行于加速室的一個(gè)軸。兩個(gè)絲極之間的最小間隔可大于絲極直徑的40倍，優(yōu)選地為50倍。用這種方法， 可獲得每個(gè)絲極在操作中放電的一定獨(dú)立性。振動(dòng)、不正確的定位、或絲極缺乏筆直度，僅 對(duì)相鄰絲極附近的放電產(chǎn)生可忽略的破壞。絲極的半徑可以相同。電離室的最小內(nèi)周長(zhǎng)可大于以下幾個(gè)數(shù)的乘積常量、電離室中絲極的數(shù)量、絲極 的直徑以及代表存在于電離室中的氣體的原子量的參數(shù)。電離室的最小內(nèi)周長(zhǎng)可大于電離 室中絲極的數(shù)量、絲極的直徑以及存在于電離室中的氣體的原子量的平方根的乘積的100 倍。用這種方式可提高放電的均勻性。在一個(gè)實(shí)施例中，絲極包含鎢例如鎢合金。絲極可包含熔點(diǎn)高于2000K的金屬。絲 極優(yōu)選地由經(jīng)過處理以耐受高溫的硬金屬制成。在一個(gè)實(shí)施例中，絲極具有在0. 1至0. 5mm之間的直徑，優(yōu)選地在0. 15至0. 3mm
之間的直徑。在一個(gè)實(shí)施例中，電離室中待電離的氣體的壓強(qiáng)在0. 5至100帕斯卡之間，優(yōu)選地 在1至20帕斯卡之間。在一個(gè)實(shí)施例中，待電離的氣體包含氦氣。在一個(gè)實(shí)施例中，待電離的氣體包含氦氣以及質(zhì)量上占5%至25%的氖氣，優(yōu)選 地氖氣在質(zhì)量上占5%至15%。這樣提高了放電的空間均勻性。在一個(gè)實(shí)施例中，絲極的數(shù)量由電源提供的總電流來確定。在一個(gè)實(shí)施例中，電離室截面的周長(zhǎng)由絲極的直徑、絲極的數(shù)量和存在于電離室 中的氣體的性質(zhì)來確定?？梢允菃蝹€(gè)電源向絲極供電。通過研究作為非限制性實(shí)例并由附圖來圖示的多個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)描述，將更好地 理解本發(fā)明，其中

圖1是離子源的縱向截面面的示意圖；以及圖2至圖6是離子源的橫截面的示意圖。從圖1中可看出，離子源1包括兩個(gè)連接室2、布置在連接室2之間的電離室3、以 及離子引出系統(tǒng)4。離子引出系統(tǒng)4由使用離子源1的應(yīng)用而定。離子引出系統(tǒng)4可包括 能夠賦予電子高射出速度的加速室或放電室，例如電子槍。電離室3大體上為長(zhǎng)形的，兩個(gè) 連接室布置在其相對(duì)端部。離子引出系統(tǒng)4可以相對(duì)于電離室3在側(cè)面安裝。連接室2、電離室3和離子引出系統(tǒng)4形成氣密的封閉區(qū)?？捎枚栊詺怏w特別是氦 氣、氖氣和/或氬氣填充此封閉區(qū)。封閉區(qū)內(nèi)主要的氣體壓強(qiáng)可在0. 5帕斯卡至100帕斯 卡之間，在1帕斯卡至20帕斯卡之間的壓強(qiáng)是優(yōu)選的。電離室3包括密封的下壁5以及與連接室2共用的兩個(gè)端壁6和7。貫通開口 8 形成于端壁6和7中。電離室3包括與離子引出系統(tǒng)4共用的上壁9。離子引出槽10形成 在上壁9中，從而將電離室3和離子引出系統(tǒng)4連通。圖1未示出的電離室3的前壁和后 壁是氣密的。連接室2包括位于電離室3的下壁5和上壁9的延伸處的氣密的上壁和下壁。連接室2在其端部由端壁11和12閉合。組成氣密封閉區(qū)的壁可由不銹鋼或黃銅制成，更一 般地可由具有所要求的機(jī)械強(qiáng)度的任何金屬材料制成，該機(jī)械強(qiáng)度特別是由于與電離室3 內(nèi)部的電離有關(guān)的低內(nèi)部壓力以及物理和化學(xué)性能所要求的。如果需要的話，可在封閉區(qū) 的內(nèi)壁上形成其它的金屬或金屬合金的涂層，例如該涂層由鋁和鎳構(gòu)成。電離室3包括彼此平行的多個(gè)絲極13。優(yōu)選地，設(shè)置偶數(shù)個(gè)絲極13。絲極13沿 電離室3的主方向延伸。換言之，絲極13平行于電離室3的主軸。絲極13分別離開下壁 5和上壁9安裝。相鄰的兩個(gè)絲極13之間的距離分別小于絲極13與下壁5或上壁9之間 的距離。絲極13穿過設(shè)置在電離室3的端壁6和7中的開口 8。因此，開口 8形成用于絲 極13的通道。在開口 8中，絲極13與形成所述端壁6和7的材料保持比絲極直徑小10倍 的間距。電離室3的形狀可以是圓柱形或螺旋形。在此情況下，可由絕緣體在規(guī)則地間隔 開的多個(gè)點(diǎn)處支撐絲極13。絲極可為多邊形。連接室2包括用于絲極13的支撐裝置。更具體而言，在絲極13的一個(gè)端部處由 固定至連接室2的端壁11和12的內(nèi)表面的固定絕緣體14來支撐絲極13，所述固定絕緣體 14例如是基于陶瓷的固定絕緣體。在絲極13的另一端部處，絲極13由密封絕緣體15支 撐，所述密封絕緣體15經(jīng)由為此目的而設(shè)置的開口穿過端壁12和11。絕緣體15始終同時(shí) 起到作為電通道、對(duì)絲極13的機(jī)械支撐件以及氣密密封件的作用。電通道使絲極13能夠 電連接至電離室3和連接室2的外部。此外，彈簧16可插入到絲極13和絕緣體之間，所述 絕緣體優(yōu)選為固定絕緣體14。彈簧16布置在連接室2中。彈簧16為絲極13提供機(jī)械拉 力。相鄰的兩個(gè)絲極13由一個(gè)布置在端壁11和另一個(gè)布置在端壁12上的密封絕緣 體15來支撐。換言之，以交錯(cuò)的方式向絲極13供電。在圖1所示的有四個(gè)絲極13布置 在平面層中的實(shí)施例中，自底部算起，第一行和第三行的絲極連接至穿過端壁11的絕緣體 15。第二行和第四行的絲極13由安裝在端壁12上的密封絕緣體15來支撐。第一行和第三行的絲極13由電纜17連接在一起。第二行和第四行的絲極13由 電纜18連接在一起。電源19可包括電源輸出端20，電源輸出端20例如是單輸出端。電源 19的輸出端20可由電纜21連接至電纜17，并且通過電纜22連接至電纜18，從而將電源 供應(yīng)至絲極13。電源可配置為能夠在每個(gè)絲極13中供應(yīng)具有小于或等于每厘米絲極長(zhǎng)度 1安培的強(qiáng)度的電流。為了測(cè)量進(jìn)入所述電纜21和22并且由絲極13消耗的電流，可以將 例如形式為電流環(huán)23和24的電流傳感器分別安裝在電纜21和22上。出于調(diào)節(jié)的目的， 來自電流傳感器23和24的輸出可連接至用于電源19的控制單元。絲極的直徑可在0. 1至0. 5mm之間。申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)0. 15至0. 3mm之間的直徑例如 0. 2mm尤其有用。兩個(gè)絲極之間的最小距離一般大于絲極的直徑的40倍，優(yōu)選地為50倍。 這樣，對(duì)于直徑是0. 2mm的絲極而言，兩個(gè)絲極之間的最小距離為10mm。絲極13由適于耐 受高溫特別是在500和2000K之間溫度的硬金屬或合金制成?？蛇x擇具有超過1900K或甚 至超過2000K的熔點(diǎn)的金屬合金。絲極可包含難熔金屬，例如鎢合金。電離室3的內(nèi)周長(zhǎng)大于或等于以下幾個(gè)數(shù)的乘積常量、電離室3中絲極13的數(shù) 量、絲極13的直徑以及與存在于電離室3中的氣體的原子量有關(guān)的參數(shù)。舉例而言，對(duì)于 具有四條直徑為0.02cm的絲極的氦離子源，周長(zhǎng)應(yīng)大于100X0. 02cmX4X V 2 = 11.3cm，所述周長(zhǎng)可通過具有3. 5cmX3. 5cm的方截面的室或直徑為4cm的管狀室來獲得。當(dāng)然，在 氣體混合的情況下，代表原子量的參數(shù)可以是存在于電離室3中的氣體的原子量的加權(quán)平 均值的平方根。在圖1所示的實(shí)施例中，有4個(gè)絲極13布置在平面層中?？商娲兀z極13可布 置在多個(gè)層中，每個(gè)層包括四個(gè)金屬絲。這些層彼此平行，并且可以與一個(gè)層中的兩個(gè)金屬 絲之間的距離相同或稍大的距離相對(duì)于彼此而布置。在圖2的實(shí)施例中，從截面上看，有布 置為方形的四個(gè)金屬絲13。金屬絲的連接是交錯(cuò)的，從而供給金屬絲的電源也是交錯(cuò)的，意 味著由布置在壁11中的密封絕緣體15來供電的金屬絲占據(jù)方形的一個(gè)對(duì)角線，而其它的 金屬絲13占據(jù)方形的另一對(duì)角線。電離室3具有方形截面。在圖3所示的實(shí)施例中，金屬絲的布置與圖2相似。電離室3具有圓形截面。于 是離子源1具有大致的管形或螺旋形狀。在圖4所示的實(shí)施例中，電離室3具有與圖3的實(shí)施例相似的形狀。有兩個(gè)絲極 13，一個(gè)連接至由壁11支撐的密封絕緣體15，而另一個(gè)連接至由端壁12支撐的密封絕緣體 15。向絲極13供電的電源來自電離室3的相對(duì)兩端。在圖5所示的實(shí)施例中，電離室3具有矩形截面。電離室3可具有直角平行六面體 的一般形狀。離子源1包括布置在平面層中的六個(gè)金屬絲。經(jīng)端壁11供電的絲極13與經(jīng) 端壁12供電的絲極13交替。在大致為管形形狀的六金屬絲離子源的情形中，可提供六邊 形的絲極布置?？商娲?，六個(gè)絲極可布置在兩個(gè)分別具有3個(gè)絲極的層中，每層為平面。在圖6所示的實(shí)施例中，電離室3具有與圖5所示的形狀大體上相似的形狀。離 子源1包括8個(gè)絲極13，所述8個(gè)絲極13布置在彼此間隔開的分別具有四個(gè)絲極的兩組 中，每組絲極布置為如圖3所示的方形。絲極13也可布置在具有8根金屬絲的層中、兩個(gè) 具有四根金屬絲的層中，或布置在八邊形中。在操作中，電源19啟動(dòng)并提供持續(xù)時(shí)間在1微秒至10微秒之間且脈沖峰值電流 在100A至1000A之間的脈沖，例如在IV至IOkV之間的電壓。放電發(fā)生在形成電極的絲極 13與形成另一電極的電離室3的內(nèi)壁之間。例如，氣體中的放電產(chǎn)生諸如He+的離子。離 子能夠穿過槽10并由離子引出系統(tǒng)4來處理。由此獲得了在操作中穩(wěn)定的離子源，所述離子源產(chǎn)生尤其適用于需要高離子流速 的大尺寸裝置的均勻離子通量。
權(quán)利要求
一種絲極放電離子源(1)，包括電離室(3)，所述電離室(3)設(shè)置有內(nèi)壁，并且配置為容納待電離的氣體；絲極(13)，所述絲極(13)布置在所述電離室(3)中；以及電源(19)，所述電源(19)向所述絲極供電，所述絲極放電離子源(1)的特征在于所述絲極(13)布置為彼此基本上平行，并穿過所述內(nèi)壁而連接所述電源(19)，至少一個(gè)第一絲極穿過第一內(nèi)壁而連接至所述電源，至少一個(gè)第二絲極穿過與所述第一內(nèi)壁相對(duì)的第二內(nèi)壁而連接至所述電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子源，其中，第一絲極相鄰于至少一個(gè)第二絲極。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求任意之一所述的離子源，其中，所述電源(19)配置為提供小于每 厘米絲極長(zhǎng)度1安培的電流。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任意之一所述的離子源，其中，所述絲極(13)平行于所述電離室 的軸和/或加速室的軸。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任意之一所述的離子源，其中，兩條所述絲極之間的最小距離大 于所述絲極的直徑的40倍，優(yōu)選地為50倍。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任意之一所述的離子源，其中，所述電離室(3)的最小內(nèi)周長(zhǎng)大 于常量、所述電離室(3)中的絲極(13)的數(shù)量、絲極(13)的直徑和代表存在于所述電離室 (3)中的氣體的原子量的參數(shù)的乘積。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的離子源，其中，所述電離室(3)的最小內(nèi)周長(zhǎng)大于所述電離 室⑶中的絲極(13)的數(shù)量、絲極(13)的直徑和存在于所述電離室(3)中的氣體的原子 量的平方根的乘積的100倍。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任意之一所述的離子源，其中，所述絲極(13)包含具有高于 2000K的熔點(diǎn)的金屬。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任意之一所述的離子源，其中，所述絲極(13)具有在0.1至 0. 5mm之間的直徑，優(yōu)選地具有在0. 15至0. 3mm之間的直徑。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任意之一所述的離子源，其中，所述電離室(3)中的待電離氣體 的壓強(qiáng)在0. 5至IPa之間，優(yōu)選地在1至20Pa之間。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求任意之一所述的離子源，其中，所述待電離氣體包含氦氣和5% 至25%優(yōu)選地5%至15%的氖氣。
全文摘要
文檔編號(hào)H05H1/48GK101952931SQ20098010192
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者Mestres Marc, Makarov Maxime 申請(qǐng)人:Excico Group