专利名称：宽带离子束分析器的制作方法
技术领域：
本发明属于离子质量分析技术领域，特别涉及一种用于从宽带离子束中分离出所需的离子的宽带离子束分析器。
背景技术：
宽带离子束分析器是离子注入机中的核心部件，是在磁场或电场的作用下使离子按质荷比分离的部件。现有技术的宽带离子束分析器具有上磁极和下磁极，上磁极和下磁极分别连接上励磁线圈和下励磁线圈，上励磁线圈和下励磁线圈均与电源连接，通电时两个磁极之间的空间中产生磁场，不同质荷比的离子在磁场中的偏转半径不同。因此，配合设于两个磁极之间的空间中的分析光栏，能够使宽带离子束中所需的离子和其他离子分离，所需的离子能够从分析光栏上的分析缝中通过，其他离子则被分析光栏遮挡。上磁极和下磁极均具有入射端边界和出射端边界，宽带离子束从入射端边界一侧的磁场入射面射入，从出射端边界一侧的磁场出射面射出，在磁场中偏转180°，且在磁场中部聚焦形成焦斑。现有技术的宽带离子束分析器中，上磁极和下磁极的入射端边界和出射端边界是平面或曲面，宽带离子束从磁场入射面射入后，其中所需的离子均无法达到理想聚焦状态，其焦斑尺寸均不为0，因为要求分析光栏上的分析缝宽度至少大于焦斑尺寸，所以较大的分析缝尺寸容易使得所需的离子之外的其他离子通过分析缝，无法实现所需的离子与其他离子的完全分离。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种宽带离子束分析器，以解决现有技术的宽带离子束分析器无法达到理想聚焦状态，其焦斑尺寸均不为0，较大的分析缝尺寸容易使得所需的离子之外的其他离子通过分析缝，无法实现所需的离子与其他离子的完全分离的问题。为了实现上述目的，本发明提供了一种宽带离子束分析器，用于从宽带离子束中分离出所需的离子，包括上磁极、下磁极、上励磁线圈、下励磁线圈、分析光栏和磁轭，其中:所述上励磁线圈和下励磁线圈分别围绕所述上磁极和下磁极，所述上励磁线圈和下励磁线圈均与电源连接以在所述上磁极和下磁极之间的空间中产生均匀磁场，所述宽带离子束从所述均匀磁场的入射面射入，所述所需的离子在所述均匀磁场中偏转180°后从所述均匀磁场的出射面射出；对应于所述均匀磁场的入射面，所述上磁极和下磁极均具有弧形的入射端边界；对应于所述均匀磁场的出射面，所述上磁极和下磁极均具有弧形的出射端边界；所述入射端边界和出射端边界的弧面半径都等于所述所需的离子在所述均匀磁场中的偏转半径；所述上磁极和下磁极的入射端边界中心与出射端边界中心之间的距离都等于所述偏转半径的两倍；
所述分析光栏用于选择性地使所述所需的离子通过，其设于所述上磁极和下磁极之间的空间中，所述分析光栏上带有分析缝，所述分析缝位于所述所需的离子在所述均匀磁场中聚焦处；所述磁轭围绕所述上磁极和下磁极设置。为了实现上述目的，本发明还提供了另一种宽带离子束分析器，用于从宽带离子束中分离出所需的离子，包括上磁极、下磁极、上励磁线圈、下励磁线圈、分析光栏和磁轭，其中:所述上励磁线圈和下励磁线圈分别围绕所述上磁极和下磁极，所述上励磁线圈和下励磁线圈均与电源连接以在所述上磁极和下磁极之间的空间中产生分区均匀磁场，所述宽带离子束从所述分区均匀磁场的入射面射入，所述所需的离子在所述分区均匀磁场中偏转180°后从所述分区均匀磁场的出射面射出；所述分区均匀磁场包括均匀的入射磁场、中间磁场和出射磁场，所述入射磁场与出射磁场的强度相同，且所述入射磁场和出射磁场的强度大于所述中间磁场的强度；对应于所述分区均匀磁场的入射面，所述上磁极和下磁极均具有弧形的入射端边界；对应于所述分区均匀磁场的出射面，所述上磁极和下磁极均具有弧形的出射端边界；所述分析光栏用于选择性地使所述所需的离子通过，其设于所述上磁极和下磁极之间的空间中，所述分析光栏上带有分析缝，所述分析缝位于所述所需的离子在所述分区均匀磁场中聚焦处；所述磁轭围绕所述上磁极和下磁极设置。作为优选，所述入射磁场与中间磁场的分界面以及所述中间磁场与出射磁场的分界面均为平面。作为优选，所述入射磁场与中间磁场的分界面以及所述中间磁场与出射磁场的分界面均为弧面。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:(I)本发明提供的宽带离子束分析器通过采用具有弧形入射端边界和出射端边界的上磁极和下磁极，且入射端边界和出射端边界的弧面半径都等于所述所需的离子在所述均匀磁场中的偏转半径，使得宽带离子束中所需的离子能够在磁场中部理想聚焦，得到焦斑尺寸等于O的理想焦点，可以通过选取合适的最小的分析缝宽度而获得最佳的分析分辨率，实现宽带离子束中所需的离子与其他离子完全分离；(2)本发明提供的另一种宽带离子束分析器通过采用分区均匀磁场也使得宽带离子束中所需的离子能够在磁场中部理想聚焦，得到焦斑尺寸等于O的理想焦点，可以通过选取合适的最小的分析缝宽度而获得最佳的分析分辨率，实现宽带离子束中所需的离子与其他离子完全分离。
图1为本发明的宽带离子束分析器的实施例一的立体示意图。图2为图1所示的宽带离子束分析器沿A-A向剖视示意图。图3为实施例一的宽带离子束分析器中宽带离子束在水平方向聚焦状态示意图。图4为实施例一的宽带离子束分析器中宽带离子束在垂直方向聚焦状态示意图。
图5为本发明的宽带离子束分析器的实施例二的立体示意图。图6为实施例二的宽带离子束分析器中宽带离子束在水平方向聚焦状态示意图。图7为实施例二的宽带离子束分析器中磁场沿宽带离子束中心轴线位置分布图。图8为实施例二的宽带离子束分析器中磁场沿X向的分布图。图9为实施例 二的宽带离子束分析器中磁场沿Z向的分布图。图10为实施例二的宽带离子束分析器中宽带离子束在垂直方向聚焦状态示意图。图11为本发明的宽带离子束分析器的实施例三的立体示意图。图12为实施例三的宽带离子束分析器中宽带离子束在水平方向聚焦状态示意图。图13为带有实施例一的宽带离子束分析器的离子注入装置的结构示意图。图14为带有实施例二的宽带离子束分析器的离子注入装置的结构示意图。图15为带有实施例三的宽带离子束分析器的离子注入装置的结构示意图。附图标记说明:1、上磁极2、下磁极3、上励磁线圈4、下励磁线圈5、端磁轭6、中间磁轭7、分析光栏8、入射离子束9、出射离子束10、入射面11、出射面12、第一分界面13、第二分界面14、宽缝引出离子源15、引出电极16、宽带离子束分析器17、测束法拉第18、注入靶台101、入射端边界102、出射端边界201、入射端边界202、出射端边界701、分析缝801、离子束中心轴线
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。实施例一:如图1至图3所示，实施例一的宽带离子束分析器包括上磁极1、下磁极2、上励磁线圈3、下励磁线圈4、分析光栏7和磁轭，其中:上励磁线圈3和下励磁线圈4分别缠绕在上磁极I和下磁极2上，上励磁线圈3和下励磁线圈4均与电源连接以在上磁极I和下磁极2之间的空间中产生磁场B，上磁极I与下磁极2之间的磁场B为均匀磁场；入射离子束8为入射的宽带离子束，其从磁场B的入射面10沿Z向水平射入磁场B，入射离子束8的中心为离子束中心轴线801，出射离子束9从磁场B的出射面11水平射出磁场B，出射离子束9中的离子是从入射离子束8中分离出的所需的离子，所述所需的离子在磁场B中偏转了 180° ；
对应于磁场B的入射面10，上磁极I和下磁极2均具有弧形的入射端边界101、201 ;对应于磁场的出射面11，上磁极I和下磁极2均具有弧形的出射端边界102、202 ;入射端边界101、201和出射端边界102、202的弧面半径Rb都等于所述所需的离子在磁场B中的偏转半径R ;上磁极I和下磁极2对称设置，二者的大小和形状均相同，上磁极I的入射端边界101中心与出射端边界102中心之间的距离(即入射离子束8和出射离子束9之间的中心距离D)等于偏转半径R的两倍，同样，下磁极2的入射端边界201中心与出射端边界202中心之间的距离也等于偏转半径R的两倍；所述宽带离子束中所需的离子能够在磁场B的中部形成理想焦点，其焦斑尺寸等于O ;分析光栏7用于选择性地让从宽带离子束中分离出的所需的离子通过，其设于上磁极I和下磁极2之间的空间中部，分析光栏7上带有分析缝701，分析缝701位于所述所需的离子在磁场B中聚焦处，入射离子束8进入磁场B后，其中所述所需的离子在分析缝701处聚焦，能够从分析缝701中通过，其余的离子被分析光栏7遮挡，不能从分析缝701中通过，从而实现了将宽带离子束中所需的离子与其余离子的分离；磁轭围绕上磁极I和下磁极2设置，在本实施例中，其包括端磁轭5和中间磁轭6，端磁轭5和中间磁轭6的设置合理地利用了磁场的形状，分别布局到远离宽带离子束经过的磁场区域，从而能够减轻宽带离子束分析器的重量。采用本实施例的宽带离子束分析器进行离子分析时，由均匀磁场强度B，宽带离子束中所需的离子在均匀磁场B中的偏转半径R，宽带离子束宽度W，宽带离子束中的离子能量E，离子电荷q，分析光栏7上分析缝701宽度K，离子质量m，可以得到:通过选取适当的磁场B的入射面10的弧面相关参数，如弧面半径Rb和弧面的中心点相对位置，可以获得理论焦斑尺寸dw = O的理想聚焦状态，因而能够获得理想的质量分辨率，在本实施例中Rb = R,D = 2R,因此所获得的焦斑尺寸dw = O。通过选取与入射面10弧面对称的出射面11的弧面参数，从而实现对入射离子束8的平移偏转180度分析，束角度、均匀分布规律等最小失真。根据分辨率的概念:对于离子m存在dm差别的其它离子具有的偏转半径R的变化量dR > dw,即可实现相差dm的两种离子的分离，此时，分析缝701的宽度K < dw < dR ;根据式(I)和(2)对具有相同能量的离子可通过以下步骤得出分析分辨率:首先，由式(I)和(2)可得:m = i^R2.(3)
2E然后，m对R求导可得:
Γ dm O1B1 2m, , λ— = ^——R=—;(4)dR E R最后，可以得出宽带离子束分析器的分析分辨率:
Γ m 0.5R/r-λ— =-;(5 )
dm dR
由式(5)可以看出，通过减小允许的dR值，可提高分析分辨率，因此当理论焦斑尺寸dw = O时，可以通过选取合适的最小的分析缝701宽度K而获得最佳的分析分辨率，以K代替dR计算分辨率:
权利要求
1.一种宽带离子束分析器，用于从宽带离子束中分离出所需的离子，其特征在于，包括上磁极、下磁极、上励磁线圈、下励磁线圈、分析光栏和磁轭，其中: 所述上励磁线圈和下励磁线圈分别围绕所述上磁极和下磁极，所述上励磁线圈和下励磁线圈均与电源连接以在所述上磁极和下磁极之间的空间中产生均匀磁场，所述宽带离子束从所述均匀磁场的入射面射入，所述所需的离子在所述均匀磁场中偏转180°后从所述均匀磁场的出射面射出； 对应于所述均匀磁场的入射面，所述上磁极和下磁极均具有弧形的入射端边界；对应于所述均匀磁场的出射面，所述上磁极和下磁极均具有弧形的出射端边界；所述入射端边界和出射端边界的弧面半径都等于所述所需的离子在所述均匀磁场中的偏转半径；所述上磁极和下磁极的入射端边界中心与出射端边界中心之间的距离都等于所述偏转半径的两倍; 所述分析光栏用于选择性地使所述所需的离子通过，其设于所述上磁极和下磁极之间的空间中，所述分析光栏上带有分析缝，所述分析缝位于所述所需的离子在所述均匀磁场中聚焦处； 所述磁轭围绕所述上磁极和下磁极设置。
2.一种宽带离子束分析器，用于从宽带离子束中分离出所需的离子，其特征在于，包括上磁极、下磁极、上励磁线圈、下励磁线圈、分析光栏和磁轭，其中: 所述上励磁线圈和下励磁线圈分别围绕所述上磁极和下磁极，所述上励磁线圈和下励磁线圈均与电源连接以在所述上磁极和下磁极之间的空间中产生分区均匀磁场，所述宽带离子束从所述分区均匀磁场的入射面射入，所述所需的离子在所述分区均匀磁场中偏转180°后从所述分区均匀磁场的出射面射出；所述分区均匀磁场包括均匀的入射磁场、中间磁场和出射磁场，所述入射磁场与出射磁场的强度相同，且所述入射磁场和出射磁场的强度大于所述中间磁场的强度； 对应于所述分区均匀磁场的入射面，所述上磁极和下磁极均具有弧形的入射端边界；对应于所述分区均匀磁场的出射面，所述上磁极和下磁极均具有弧形的出射端边界； 所述分析光栏用于选择性地使所述所需的离子通过，其设于所述上磁极和下磁极之间的空间中，所述分析光栏上带有分析缝，所述分析缝位于所述所需的离子在所述分区均匀磁场中聚焦处； 所述磁轭围绕所述上磁极和下磁极设置。
3.根据权利要求2所述的宽带离子束分析器，其特征在于，所述入射磁场与中间磁场的分界面以及所述中间磁场与出射磁场的分界面均为平面。
4.根据权利要求2所述的宽带离子束分析器，其特征在于，所述入射磁场与中间磁场的分界面以及所述中间磁场与出射磁场的分界面均为弧面。
全文摘要
本发明公开了一种宽带离子束分析器，用于从宽带离子束中分离出所需的离子，包括上磁极、下磁极、上励磁线圈、下励磁线圈、分析光栏和磁轭，其中所述上磁极和下磁极均具有弧形的入射端边界和出射端边界；所述入射端边界和出射端边界的弧面半径都等于所述所需的离子在磁场中的偏转半径。本发明通过采用具有弧形入射端边界和出射端边界的上磁极和下磁极，且弧面半径都等于所述所需的离子在磁场中的偏转半径，使得宽带离子束中所需的离子能够在磁场中部理想聚焦，得到焦斑尺寸等于0的理想焦点，可以通过选取合适的最小的分析缝宽度而获得最佳的分析分辨率，实现宽带离子束中所需的离子与其他离子完全分离。
文档编号H01J37/21GK103107056SQ20111035497
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者彭立波, 龙会跃, 谢均宇 申请人:北京中科信电子装备有限公司