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专利名称：一种微秒脉冲微束产生装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210625949.5

专利申请（专利权）人：中山大学
权利人地址：广东省广州市海珠区新港西路135号

专利发明（设计）人：杨振,邹志平,邢宇博,马伟,卢亮,邹丽平

专利摘要：本发明公开了一种微秒脉冲微束产生装置，包括试验台，所述试验台顶面固接光学平台、靶座真空室、分析真空室及束斑测量室。本发明与现有技术相比，靶座真空室内的靶可以更换，采用激光器发出脉冲激光轰击不同的靶，可以产生不同的消融等离子体，再经过磁场调制、静电分析和静电聚焦，能够分别提供多种元素、多种离子电荷态以及不同微秒脉宽的脉冲离子微束，这在离子束成像、离子束蚀刻、离子束注入及薄膜沉积、离子束微纳加工等领域具有广阔的应用前景，目前微束产生方式都是无法实现的；此外本发明采用等离子体膨胀扩散后再进行筛选聚焦，使得离子温度较低，离子束发射度较。髦本赌芄槐冉先菀椎木劢沟溅蘭量级，甚至亚μm量级，形成的微束品质更加优异，同时本发明产生的具有时间结构的微秒脉冲微束，与生物细胞作用后，能够获得离子辐射生物效应的演化机制，有一定的医学研究价值。

主权利要求：
1.一种微秒脉冲微束产生装置，包括试验台（1），其特征在于：
所述试验台（1）顶面固接光学平台（2）、靶座真空室（3）、分析真空室（4）及束斑测量室（7），所述靶座真空室（3）靠近光学平台（2）一侧固接接光法兰（35），所述光学平台（2）顶面固接激光器（21），所述光学平台（2）顶面转动连接转台（22），所述转台（22）顶面固接反射镜（23）；
所述靶座真空室（3）靠近分析真空室（4）一侧固接颈法兰（34），所述颈法兰（34）固接等离子体调控腔（5）一端，所述等离子体调控腔（5）另一端固接等离子体约束腔（6）一端，所述等离子体约束腔（6）另一端固接分析真空室（4），所述束斑测量室（7）靠近分析真空室（4）一侧固接离子光学腔（10）一端，所述离子光学腔（10）另一端固接分析真空室（4），所述靶座真空室（3）内部固接旋转结构（32）及平移结构（33），所述旋转结构（32）上插接旋转靶结构（8），所述平移结构（33）上插接平移靶结构（9）；
所述旋转结构（32）包括固定嵌接在靶座真空室（3）内侧底面的圆台（321），所述圆台（321）顶面固接立杆（322），所述立杆（322）顶端固接电机仓（323），所述电机仓（323）内固接旋转电机（324），所述旋转电机（324）转轴处固接侧连接板（325），所述侧连接板（325）远离旋转电机（324）一侧顶面开设T型滑槽（326）；
所述旋转靶结构（8）包括圆形靶座（82），所述圆形靶座（82）一侧中心位置固接T型滑块（81），所述T型滑块（81）插接在T型滑槽（326）内，所述T型滑槽（326）内侧为橡胶结构，所述T型滑块（81）与T型滑槽（326）过盈配合，所述圆形靶座（82）远离T型滑块（81）一侧均匀固接多个第一靶（83）；
所述平移结构（33）包括固定嵌接在靶座真空室（3）内底面的嵌板（331），所述嵌板（331）顶面开设滑槽（332），所述滑槽（332）内滑动连接滑块（333），所述滑块（333）顶面固接顶连接板（334），所述顶连接板（334）顶面四角处固接四个插柱（335），所述滑槽（332）内水平转动连接丝杆（336），所述滑块（333）内固接螺纹套筒（337），所述丝杆（336）啮合连接螺纹套筒（337），所述嵌板（331）内部一端固接步进电机（338），所述步进电机（338）转轴处固接丝杆（336）端部。
2.根据权利要求1所述的一种微秒脉冲微束产生装置，其特征在于：所述试验台（1）顶面靠近束斑测量室（7）位置固接ICCD相机（11），所述束斑测量室（7）内垂直固接束斑分析器（71），所述束斑分析器（71）为闪烁体探测器。
3.根据权利要求1所述的一种微秒脉冲微束产生装置，其特征在于：所述等离子体调控腔（5）内固接长螺线管线圈（51），所述等离子体约束腔（6）内活动连接法拉第杯（61），所述等离子体约束腔（6）内部靠近分析真空室（4）一侧位置固接限束狭缝（62）。
4.根据权利要求1所述的一种微秒脉冲微束产生装置，其特征在于：所述靶座真空室（3）顶面套接密封盖（31），所述靶座真空室（3）内部靠近接光法兰（35）位置固接聚焦透镜（36），所述分析真空室（4）内固接静电分析器（41）。
5.根据权利要求1所述的一种微秒脉冲微束产生装置，其特征在于：所述平移靶结构（9）包括底台（91），所述底台（91）顶面固接条形靶座（93），所述条形靶座（93）侧壁固接多个第二靶（94），所述底台（91）上垂直开设四个阻尼孔（92），所述阻尼孔（92）套接在插柱（335）上。 说明书 : 一种微秒脉冲微束产生装置技术领域[0001] 本发明涉及离子束技术和粒子加速器领域，具体为一种微秒脉冲微束产生装置。背景技术[0002] 微束或聚焦离子束是指束流直径为nm到μm量级的离子束。一般是将离子源或常规加速器产生的离子束(束斑直径一般mm量级)，通过准直或聚焦的方法限制到μm水平，甚至更小尺度。微束或聚焦离子束技术广泛应用于半导体行业、生物医学、微纳加工和材料分析等领域。如光掩模的修补、微电子器件的缺陷分析和修整、三维纳米器件的加工、扫描离子束显微技术、离子注入、离子曝光、离子微结构制造、质谱分析等，现有技术用于产生微束的离子源主要有以下几种：液态金属离子源，利用液态金属在强电场作用下的场致离子发射，束斑可小至50～100nm，离子发射稳定，但离子种类单一，一般为Ga离子等少数几种金属离子束；气体场发射离子源，利用强电场电离气体原子或分子，之后经引出电极引出形成离子束，束斑可小至1nm，可提供H、He、O和Ne等气体离子，但要求超高真空和低温环境，且只能为气体元素离子，应用范围受限；气体放电等离子体源，基于不同形式的气体放电产生等离子体，再从等离子体中引出离子束进行聚焦，其离子温度高，束流发射度大，且离子为气体元素离子，种类单一。目前，用于产生微束的束流光学调控技术方法主要有：小孔准直法和聚焦法。其中小孔准直法是利用小孔准直器将大部分入射束流挡。鋈眉俚睦胱油ü感】，以形成微束的方法，其束流利用效率低，长时间使用存在小孔孔径变化的问题；聚焦法是利用电磁元件(如磁透镜)或结构元件(如玻璃锥形管)，将束流聚焦形成微米束或亚微米束的方法，但受限于电磁元件的聚焦能力，仅适用于中等质量的重离子。目前的微束产生方式有以下局限性及缺陷：[0003] 现有技术产生微束的离子源种类比较单一，主要为液态金属Ga离子源和气体元素离子源，使得产生的微束离子种类单一，缺乏更多种类的元素，特别是对于大量的固体金属元素，由于其应用场景更加广泛，目前暂时缺乏提供更多元素种类的微束产生装置；现有技术从气体放电等离子体中引出的离子束，其离子温度较高，导致离子束的发射度较大，因此形成的离子束聚焦困难，很难形成品质好的微束；另外，现有技术的微束通常为直流束，缺乏具有时间结构特征的脉冲微束，在一些应用场景下，如生物医学研究中，想要获得离子辐射生物效应的演化机制，需要具有时间结构的微束作为诱导工具。[0004] 为此我们提出一种微秒脉冲微束产生装置用于解决上述问题。发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种微秒脉冲微束产生装置，以解决上述背景技术中提出的问题。[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种微秒脉冲微束产生装置，包括试验台，所述试验台顶面固接光学平台、靶座真空室、分析真空室及束斑测量室，所述靶座真空室靠近光学平台一侧固接接光法兰，所述光学平台顶面固接激光器，所述光学平台顶面转动连接转台，所述转台顶面固接反射镜；[0007] 所述靶座真空室靠近分析真空室一侧固接颈法兰，所述颈法兰固接等离子体调控腔一端，所述等离子体调控腔另一端固接等离子体约束腔一端，所述等离子体约束腔另一端固接分析真空室，所述束斑测量室靠近分析真空室一侧固接离子光学腔一端，所述离子光学腔另一端固接分析真空室，所述靶座真空室内部固接旋转结构及平移结构，所述旋转结构上插接旋转靶结构，所述平移结构上插接平移靶结构。[0008] 优选的，所述试验台顶面靠近束斑测量室位置固接ICCD相机，所述束斑测量室内垂直固接束斑分析器，所述束斑分析器为闪烁体探测器。[0009] 优选的，所述等离子体调控腔内固接长螺线管线圈，所述等离子体约束腔内活动连接法拉第杯，所述等离子体约束腔内部靠近分析真空室一侧位置固接限束狭缝。[0010] 优选的，所述靶座真空室顶面套接密封盖，所述靶座真空室内部靠近接光法兰位置固接聚焦透镜，所述分析真空室内固接静电分析器。[0011] 优选的，所述旋转结构包括固定嵌接在靶座真空室内侧底面的圆台，所述圆台顶面固接立杆，所述立杆顶端固接电机仓，所述电机仓内固接旋转电机，所述旋转电机转轴处固接侧连接板，所述侧连接板远离旋转电机一侧顶面开设T型滑槽。[0012] 优选的，所述旋转靶结构包括圆形靶座，所述圆形靶座一侧中心位置固接T型滑块，所述T型滑块插接在T型滑槽内，所述T型滑槽内侧为橡胶结构，所述T型滑块与T型滑槽过盈配合，所述圆形靶座远离T型滑块一侧均匀固接多个第一靶。[0013] 优选的，所述平移结构包括固定嵌接在靶座真空室内底面的嵌板，所述嵌板顶面开设滑槽，所述滑槽内滑动连接滑块，所述滑块顶面固接顶连接板，所述顶连接板顶面四角处固接四个插柱，所述滑槽内水平转动连接丝杆，所述滑块内固接螺纹套筒，所述丝杆啮合连接螺纹套筒，所述嵌板内部一端固接步进电机，所述步进电机转轴处固接丝杆端部。[0014] 优选的，所述平移靶结构包括底台，所述底台顶面固接条形靶座，所述条形靶座侧壁固接多个第二靶，所述底台上垂直开设四个阻尼孔，所述阻尼孔套接在插柱上。[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0016] 本发明与现有技术相比，靶座真空室内的靶可以更换，采用激光器发出脉冲激光轰击不同的靶，可以产生不同的消融等离子体，再经过磁场调制、静电分析和静电聚焦，能够分别提供多种元素、多种离子电荷态以及不同微秒脉宽的脉冲离子微束，这在离子束成像、离子束蚀刻、离子束注入及薄膜沉积、离子束微纳加工等领域具有广阔的应用前景，目前微束产生方式都是无法实现的；此外本发明采用等离子体膨胀扩散后再进行筛选聚焦，使得离子温度较低，离子束发射度较。髦本赌芄槐冉先菀椎木劢沟溅蘭量级，甚至亚μm量级，形成的微束品质更加优异，同时本发明产生的具有时间结构的微秒脉冲微束，与生物细胞作用后，能够获得离子辐射生物效应的演化机制，有一定的医学研究价值。附图说明[0017] 图1为本发明结构示意图；[0018] 图2为本发明中靶座真空室处剖切结构示意图；[0019] 图3为本发明旋转结构处结构放大结构示意图；[0020] 图4为本发明平移结构处结构示意图；[0021] 图5为本发明分析真空室处剖切结构示意图；[0022] 图6为本发明中束斑测量室处剖切结构示意图；[0023] 图7为本发明中等离子约束腔处剖切结构示意图；[0024] 图8为本发明中平移结构处传动结构示意图；[0025] 图9为本发明中旋转结构处传动结构示意图；[0026] 图10为本发明中等离子体调控腔处剖切结构示意图。[0027] 图中：1、试验台；2、光学平台；3、靶座真空室；4、分析真空室；5、等离子体调控腔；6、等离子体约束腔；7、束斑测量室；8、旋转靶结构；9、平移靶结构；10、离子光学腔；11、ICCD相机；21、激光器；22、转台；23、反射镜；31、密封盖；32、旋转结构；33、平移结构；34、颈法兰；35、接光法兰；36、聚焦透镜；321、圆台；322、立杆；323、电机仓；324、旋转电机；325、侧连接板；326、T型滑槽；331、嵌板；332、滑槽；333、滑块；334、顶连接板；335、插柱；336、丝杆；337、螺纹套筒；338、步进电机；41、静电分析器；51、长螺线管线圈；61、法拉第杯；62、限束狭缝；71、束斑分析器；81、T型滑块；82、圆形靶座；83、第一靶；91、底台；92、阻尼孔；93、条形靶座；94、第二靶。具体实施方式[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0029] 实施例1：[0030] 请参阅图1?10，本发明提供一种技术方案：一种微秒脉冲微束产生装置，包括试验台1，试验台1顶面固接光学平台2、靶座真空室3、分析真空室4及束斑测量室7，靶座真空室3靠近光学平台2一侧固接接光法兰35，光学平台2顶面固接激光器21，光学平台2顶面转动连接转台22，转台22顶面固接反射镜23；[0031] 靶座真空室3靠近分析真空室4一侧固接颈法兰34，颈法兰34固接等离子体调控腔5一端，等离子体调控腔5另一端固接等离子体约束腔6一端，等离子体约束腔6另一端固接分析真空室4，束斑测量室7靠近分析真空室4一侧固接离子光学腔10一端，离子光学腔10另一端固接分析真空室4，靶座真空室3内部固接旋转结构32及平移结构33，旋转结构32上插接旋转靶结构8，平移结构33上插接平移靶结构9，离子光学腔10为传统式离子通道，即其内布置静电单透镜或静电三重四极杆透镜，本发明与现有技术相比，靶座真空室3内的靶可以更换，采用激光器21发出脉冲激光轰击不同的靶，可以产生不同的消融等离子体，再经过磁场调制、静电分析和静电聚焦，能够分别提供多种元素、多种离子电荷态以及不同微秒脉宽的脉冲离子微束，这在离子束成像、离子束蚀刻、离子束注入及薄膜沉积、离子束微纳加工等领域具有广阔的应用前景，目前微束产生方式都是无法实现的；此外本发明采用等离子体膨胀扩散后再进行筛选聚焦，使得离子温度较低，离子束发射度较。髦本赌芄槐冉先菀椎木劢沟溅蘭量级，甚至亚μm量级，形成的微束品质更加优异，同时本发明产生的具有时间结构的微秒脉冲微束，与生物细胞作用后，能够获得离子辐射生物效应的演化机制，有一定的医学研究价值。[0032] 实施例2：[0033] 请参阅图1，试验台1顶面靠近束斑测量室7位置固接ICCD相机11，束斑测量室7内垂直固接束斑分析器71，束斑分析器71为闪烁体探测器。[0034] 请参阅图1、图7及图10，等离子体调控腔5内固接长螺线管线圈51，等离子体约束腔6内活动连接法拉第杯61，等离子体约束腔6内部靠近分析真空室4一侧位置固接限束狭缝62，等离子体约束腔6中的法拉第杯61用于测量穿过等离子体调控腔5并进入等离子体约束腔6的等离子体羽流的电流强度，等离子体约束腔6内的限束狭缝62则用于限制等离子体羽流的直径。[0035] 请参阅图2及图6，靶座真空室3顶面套接密封盖31，靶座真空室3内部靠近接光法兰35位置固接聚焦透镜36，分析真空室4内固接静电分析器41。[0036] 请参阅图3及图9，旋转结构32包括固定嵌接在靶座真空室3内侧底面的圆台321，圆台321顶面固接立杆322，立杆322顶端固接电机仓323，电机仓323内固接旋转电机324，旋转电机324转轴处固接侧连接板325，侧连接板325远离旋转电机324一侧顶面开设T型滑槽326。[0037] 请参阅图3及图9，旋转靶结构8包括圆形靶座82，圆形靶座82一侧中心位置固接T型滑块81，T型滑块81插接在T型滑槽326内，T型滑槽326内侧为橡胶结构，T型滑块81与T型滑槽326过盈配合，圆形靶座82远离T型滑块81一侧均匀固接多个第一靶83。[0038] 请参阅图4及图8，平移结构33包括固定嵌接在靶座真空室3内底面的嵌板331，嵌板331顶面开设滑槽332，滑槽332内滑动连接滑块333，滑块333顶面固接顶连接板334，顶连接板334顶面四角处固接四个插柱335，滑槽332内水平转动连接丝杆336，滑块333内固接螺纹套筒337，丝杆336啮合连接螺纹套筒337，嵌板331内部一端固接步进电机338，步进电机338转轴处固接丝杆336端部。[0039] 请参阅图4及图8，平移靶结构9包括底台91，底台91顶面固接条形靶座93，条形靶座93侧壁固接多个第二靶94，底台91上垂直开设四个阻尼孔92，阻尼孔92套接在插柱335上，在使用时，根据需要选择不同的靶，并且根据需要选择传动结构，如需靶进行旋转运动，即可安装在旋转靶结构8上并再安装至靶座真空室3内的旋转结构32上，如需靶进行平移运动，即可安装在平移靶结构9上并再安装至靶座真空室3内的平移结构33上，之后即可进行微束产生工作，激光器21产生的脉冲激光经反射镜23反射后，进入靶座真空室3，该激光光束经聚焦透镜36聚焦后，照射到靶上，在靶表面产生等离子体，等离子体经膨胀扩散形成等离子体羽流，等离子体羽流进入等离子体调控腔5内受各种位形的磁场调控，该磁场由长螺线管线圈51提供，之后等离子体羽流进入至等离子体约束腔6内再进入至分析真空室4内，等离子体羽流中的离子进入静电分析器41，满足运动轨迹要求的离子将从静电分析器41的另一端出射，进入离子光学腔10，穿过静电分析器41的离子束流进入离子光学腔10后，经其内的静电透镜聚焦，形成微束后，进入束斑测量室7，轰击到束斑分析器71上，束斑分析器71通过直接采集微通道板探测器输出的电流信号，或通过ICCD相机11采集微束轰击束斑分析器71产生的透射光信号，即可获得微秒脉冲微束的束斑尺寸及时间结构信息。[0040] 实施例3：[0041] 本发明在使用时，根据需要选择不同的靶，并且根据需要选择传动结构，如需靶进行旋转运动，即可安装在旋转靶结构8上并再安装至靶座真空室3内的旋转结构32上，如需靶进行平移运动，即可安装在平移靶结构9上并再安装至靶座真空室3内的平移结构33上，之后即可进行微束产生工作，激光器21产生的脉冲激光经反射镜23反射后，进入靶座真空室3，该激光光束经聚焦透镜36聚焦后，照射到靶上，在靶表面产生等离子体，等离子体经膨胀扩散形成等离子体羽流，等离子体羽流进入等离子体调控腔5内受各种位形的磁场调控，该磁场由长螺线管线圈51提供，之后等离子体羽流进入至等离子体约束腔6内再进入至分析真空室4内，等离子体羽流中的离子进入静电分析器41，满足运动轨迹要求的离子将从静电分析器41的另一端出射，进入离子光学腔10，穿过静电分析器41的离子束流进入离子光学腔10后，经其内的静电透镜聚焦，形成微束后，进入束斑测量室7，轰击到束斑分析器71上，束斑分析器71通过直接采集微通道板探测器输出的电流信号，或通过ICCD相机11采集微束轰击束斑分析器71产生的透射光信号，即可获得微秒脉冲微束的束斑尺寸及时间结构信息，其中离子光学腔10为传统式离子通道，即其内布置静电单透镜或静电三重四极杆透镜，其中等离子体约束腔6中的法拉第杯61用于测量穿过等离子体调控腔5并进入等离子体约束腔6的等离子体羽流的电流强度，等离子体约束腔6内的限束狭缝62则用于限制等离子体羽流的直径，本发明与现有技术相比，靶座真空室3内的靶可以更换，采用激光器21发出脉冲激光轰击不同的靶，可以产生不同的消融等离子体，再经过磁场调制、静电分析和静电聚焦，能够分别提供多种元素、多种离子电荷态以及不同微秒脉宽的脉冲离子微束，这在离子束成像、离子束蚀刻、离子束注入及薄膜沉积、离子束微纳加工等领域具有广阔的应用前景，目前微束产生方式都是无法实现的；此外本发明采用等离子体膨胀扩散后再进行筛选聚焦，使得离子温度较低，离子束发射度较。髦本赌芄槐冉先菀椎木劢沟溅蘭量级，甚至亚μm量级，形成的微束品质更加优异，同时本发明产生的具有时间结构的微秒脉冲微束，与生物细胞作用后，能够获得离子辐射生物效应的演化机制，有一定的医学研究价值。[0042] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

专利地区：广东

专利申请日期：2022-06-02

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115038228B