技术摘要：
本发明公开了一种高密度等离子体离子源的扩张杯式扩散和离子引出系统构型，包括：等离子体生成区、扩张杯和离子流引出输运系统结构；其中所述扩张杯连接等离子体生成区，利用扩张杯壁面排布的电极施加侧向电压场，使得等离子体生成区的等离子体在向扩张杯喷射扩散过程  全部
背景技术：
离子源在离子注入、离子推进、加速器、材料改性等众多领域应用广泛。离子源系 统的主体一般可以分为离子的产生和引出两大部分。对于等离子体离子源，若源区等离子 体密度极高(如在双等离子体源中ne≈1014n/cm3量级)，一般采用扩张杯式引出系统，使得 等离子体在扩张杯内实现密度降低且匀化后再由引出系统引出，通过采用高压静电加速器 将其加速到靶，进行束靶互作用。等离子体生成区生成等离子体的过程中，一般物理和化学 反应复杂，生成的等离子体成分繁杂，含有多价态的目标离子和杂质离子以及电子、中性粒 子等多种组分。离子引出系统在离子流引出的工作过程中，目标离子被引出的同时，杂质离 子也被引出。目标离子流的引出纯度是关系离子源品质的重要指标，同时也关系着束靶互 作用效能的重要影响因素，因为：(1)若杂质离子占比含量高，会加重引出系统的负载效应， 对引出构型及其外源系统体积、成本、性能指标不利；(2)引出加速后的高能杂质离子轰击 靶，会造成靶的毁伤、工作不稳定性、寿命降低等系列效应。 因此，对于多组分高密度等离子体离子源而言，在目标离子束流的引出和加速输 运打靶过程中，杂质离子占比大时，不但对靶上束靶互作用没有贡献，反而会大大降低其工 作性能。所以，若能提高目标离子流的扩散、引出输运到靶的占比，将对离子源输出的离子 品质以及其应用而言都至关重要。
技术实现要素：
本发明提出一种高密度等离子体离子源的扩张杯式扩散和离子引出系统构型，以 解决如何提高目标离子流的扩散以及引出输运到靶的占比的问题。 为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种高密度等离子体离子源 的扩张杯式扩散和离子引出系统构型，包括：等离子体生成区、扩张杯和离子流引出输运系 统结构；所述扩张杯连接等离子体生成区，利用扩张杯壁面排布的电极施加侧向电压场，使 得等离子体生成区的等离子体在向扩张杯喷射扩散过程中实现目标离子和杂质离子的角 向空间分离；并在目标离子的高占比区域开设引出口，连接所述离子流引出输运系统结构， 以引出高纯度目标离子后加速输运到靶，进行束靶互作用。 优选地，其中所述扩张杯为空心柱状构型，所述扩张杯内的电极排布方式和电压 施加方式包括：邻近等离子体生成区的扩张杯壁面采用绝缘介质，扩张杯其它壁面都采用 金属电极材料，在金属电极上施加电压U0-Uk；或邻近等离子体生成区的扩张杯壁面采用绝 缘介质，只有侧向远离中心轴线的壁面采用金属电极材料，而其它壁面采用绝缘介质，在金 属电极上施加电压U0-Uk；其中，U0是与扩张杯邻近的等离子体生成区电极电位，Uk为扩张杯 3 CN 111584337 A 说　明　书 2/8 页 电极相对于等离子体源区电极的电压差，Uk＞0。 优选地，其中在所述扩张杯的侧向电压作用下，根据离子的质荷比实现目标离子 和杂质离子的角向空间分离；其中，对于质荷比小的离子，随横向距离的增大其占比越大； 对于质荷比大的离子，在中心轴线占比最大，随横向距离的增大其占比越小。 优选地，其中在目标离子的高占比区从扩张杯壁面开设1个引出口，用于引出高纯 度的目标离子，束流引出方向与中心轴线夹角为θ；其中，若目标离子的质荷比小于杂质离 子的质荷比，则确定目标离子为轻离子，θ的取值范围为0°＜θ＜180°；若目标离子的质荷比 大于杂质离子的质荷比，则确定目标离子为重离子，选取θ＝0°。 优选地，其中所述引出口采用多孔构型，其材质和施加电压与其某一相邻的扩张 杯壁面相同。 优选地，其中所述离子流引出输运系统结构的倾斜度与束流引出方向角θ一致；对 于质荷比小于杂质离子的质荷比的目标离子，所述离子流引出输运系统结构采用环状引出 口开口、环状加速输运系统和环形靶/引出电极构型；对于质荷比大于杂质离子的质荷比的 目标离子，所述离子流引出输运系统结构采用轴线型构型；其中，靶/引出电极的电压为U0- Uk-Ub，Ub为靶/引出电极相对于扩张杯电极的电压差，Ub＞0；U0是与扩张杯邻近的等离子体 生成区电极电位，Uk为扩张杯电极相对于等离子体源区电极的电压差，Uk＞0。 本发明提供了一种高密度等离子体离子源的扩张杯式扩散和离子引出系统构型， 有益效果包括： 1、该系统构型利用扩散杯区电极和介质排布及其侧向电压施加实现了侧向静电 场施加，使得目标离子和杂质离子在扩散过程中呈现角向空间分离，并依此选择高纯度目 标离子的引出角度，从而设计确定引出口位置、引出系统以及靶的构型，整个系统构型想要 突破的物理机理和需求功能明确，生产、加工以及组装都比较简单、操作容易、可实现性强。 2、该系统构型通过在扩张杯区电极上施加一定小幅度的侧向引出电压就可以实 现目标离子和其它杂质离子在扩散匀化过程中的空间分离，然后在目标离子高占比区引出 和输运到靶发生高效束靶互作用，相对于传统扩张杯无电压施加的离子轴向引出系统，所 述系统构型能够输运到靶的目标离子束流的占比更高，大大提高了等离子体源的目标离子 的引出和到靶纯度，有效提升了离子源的应用范围和使用性能。 附图说明 通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式： 图1为根据本发明实施方式的高密度等离子体离子源的扩张杯式扩散和离子引出 系统构型100的结构示意图； 图2(a)和图2(b)分别为根据本发明实施方式的轻离子的扩张杯式扩散及其垂直 型离子引出系统构型的示意图； 图3(a)和图3(b)分别为根据本发明实施方式的轻离子的扩张杯式扩散及其锐角 型离子引出系统构型的示意图； 图4(a)和图4(b)分别为根据本发明实施方式的轻离子的扩张杯式扩散及其钝角 型离子引出系统构型的示意图； 图5(a)和图5(b)分别为根据本发明实施方式的重离子的扩张杯式扩散及其轴向 4 CN 111584337 A 说　明　书 3/8 页 型离子引出系统构型的示意图； 图6为传统高密度等离子体源的扩张杯式扩散和离子引出系统的示意图。