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铯溅射源产生的负离子经聚焦成束后,引出进入加速器内进行加速提高能量,而离子源良好的束流光路能将大部分的负离子以较小的束宽和散角送入加速器中,提高加速器装置的后续传输效率。因此,离子源的束流仿真模拟是多靶强流铯溅射离子源研制的关键环节,可以检验离子源腔内结构设计的合理性,优化相关零部件的尺寸,减少离子源的加工成本和生产周期。
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在溅射型离子源中,
${\rm{Cs}} ^{+}$ 离子从样品表面溅射产生负离子是一个复杂的过程,受许多实验因素和条件的影响。对于负离子的束流情况,根据二次负离子发射机理[12-13],在样品表面产生的负离子流强$ I^{-} $ 可由下式表示:$$ \begin{array}{l} I^- = I^+ A {{ \eta }^-} \exp \left( - n_{{\mathrm{{0}}}} L { \sigma }_{{\mathrm{{d}}}} \right), \end{array} $$ (1) 其中:
$ I^{+} $ 为初级溅射${\rm{Cs}} ^{+}$ 离子流强;$ A $ 为溅射产率;$ {\eta }^{-} $ 为负离子产生效率,与样品表面功函数成反比;$ \exp \left( - n_{{\mathrm{{0}}}} L { \sigma }_{{\mathrm{{d}}}} \right) $ 是由于负离子与粒子密度为$ n_{\mathrm{{0}}} $ 的残余气体碰撞出现电子脱离而降低负离子流强的一个因数。从式(1)可以看出,较高的溅射
${\rm{Cs}} ^{+}$ 离子流强、较好的真空和较低的样品表面功函数都有助于提高负离子产额。假设其他条件保持不变,负离子流强则与样品表面溅射的$ {\rm{Cs}}^{+} $ 离子流强成线性关系,因此初级溅射${\rm{Cs}} ^{+} $ 离子流强是溅射产生负离子过程中一个极其重要的因素。${\rm{Cs}} ^{+} $ 离子流强可以估计为空间电荷限制流,由Childs-Langmuir定律得[14]:$$ \begin{array}{l} I^+ = P V^{3/2}, \end{array} $$ (2) 其中:
$ P $ 为球面形电离器/样品靶电极系统的导流系数;$ V $ 为电极系统的电压。对于离子源腔体内的束流分布情况,使用Opera-3D软件中SCALA程序[15]模拟离子源溅射过程,检验离子源正常工作时对
${\rm{Cs}} ^{+} $ 离子的聚焦效果,引出的负离子束的束宽和散角是否到达设计要求,并分析聚焦电压、阴极偏压对束流轨迹的影响规律。 -
本文结合离子源的结构设计,利用Opera-3D模拟软件进行模型建立,如图5所示,包括阴极靶盘、靶锥、聚焦电极、球面电离器和引出部分。Cs的发射模式设为初级发射,电荷量为+1e;以C作为样品靶,靶表面中心设为坐标系原点,发射模式设为次级发射,电荷量为−1e。依据传统铯溅射源的工作参数,离子源的引出电压设为10 kV,阴极偏压的取值范围为100~500 V,聚焦电压变化为5~9 kV。通过SCALA程序模拟研究不同阴极偏压下
$ {\rm{Cs}}^{+} $ 离子束、$ ^{12}{\rm{C}}^{-} $ 负离子束随聚焦电压变化的轨迹分布。对初始结构模拟发现,聚焦电极孔半径为11 mm时,
${\rm{Cs}} ^{+} $ 离子束在样品靶上的束斑直径大于3 mm,$ ^{12}{\rm{C}} ^{-} $ 离子束在通过电离器位置会有损失,且束宽和散角过大,不利于束流的后续传输。为了改善束流光路,逐步增加聚焦电极孔尺寸并进行模拟和结果分析,当聚焦电极孔半径等于13 mm时,束流模拟效果最佳,符合设计要求。图6、图7分别为聚焦电极尺寸优化后部分条件下的${\rm{Cs}} ^{+} $ 离子束、$ ^{12} {\rm{C}} ^{-} $ 离子束模拟轨迹。通过对所有
${\rm{ Cs}}^{+} $ 离子束流轨迹的分析,在阴极偏压为100 V时,$ {\rm{Cs}}^{+} $ 离子束在样品靶上的束斑直径小于2 mm,随着聚焦电压的升高,束斑直径可减小到1 mm;当阴极偏压为300~500 V时,在聚焦电压的调节范围里,样品靶上的$ {\rm{Cs}}^{+} $ 离子束斑直径都能控制在1 mm以内。由于${\rm{Cs}} ^{+} $ 离子束在样品靶上分布相对集中,初级溅射$ {\rm{Cs}}^{+} $ 离子流强将会随聚焦电压的升高而增大。同时,所有的$ ^{12} {\rm{C}} ^{-} $ 离子束轨迹在通过球面形电离器位置时几乎没有损失,当固定聚焦电压时,随阴极偏压的增加(即阴极电压的增加),引出的$ ^{12} {\rm{C}} ^{-} $ 离子束流强增大,束宽保持在4 mm左右,束流散角呈减小趋势。模拟结果表明,优化后的离子源的结构设计、几何参数是合理的,对${\rm{Cs}} ^{+} $ 离子有较好的聚焦效果,并且产生的负离子束宽及散角较小。 -
研制的多靶强流铯溅射离子源加工完成后,在中国原子能研究院的400 kV小型重核素加速器质谱(AMS)装置[16-17]上进行了测试,实物如图8所示。在
$ ^{12}{\rm{C}}^{-} $ 离子出束实验中,保持铯容器温度136 °C、电离器电流26.5 A、阴极电压5 kV、铯聚焦电压4.7 kV、引出电压16.2 kV、真空度6.8 × 10−5 Pa等条件不变,每间隔30 min通过上位机软件远程控制阴极靶盘旋转到不同的靶位后复位,3小时内测得同一靶位的石墨样品产生$ ^{12}{\rm{C}}^{-} $ 离子流强始终保持在31 µA左右,初步验证了阴极靶盘上靶位的可重复性及自动换靶装置定位的精准性,证明了离子源供束稳定、引出负离子流强较大。为了进一步地检验离子源的性能,在铯容器温度约为131 °C、电离器电流为26.5 A、引出电压为18.5 kV、真空状态维持在6.8 × 10−5 Pa的条件下,测试铯聚焦电压、阴极电压对
$ ^{12} {\rm{C}}^{-}$ 离子引出束流的影响,实验结果经数据统计和处理后如图9、图10所示。从图9中可看出:$ ^{12} {\rm{C}} ^{-} $ 离子束流随铯聚焦电压的升高先较快地增长,当铯聚焦电压达到1.4 kV之后,开始缓慢增加趋近于最大值,这表明离子源的对${\rm{Cs}} ^{+} $ 离子聚焦效果随铯聚焦电压的升高变好,最终几乎将电离的${\rm{ Cs}}^{+} $ 离子全都聚焦于靶物质上,初级溅射${\rm{Cs}} ^{+} $ 离子流强增加,从而提高$ ^{12}{\rm{C}} ^{-} $ 离子产额,增大$ ^{12}{\rm{C}} ^{-} $ 离子流强,直到趋近最大值。由4.1节中$ {\rm{Cs}}^{+} $ 离子流强计算(2)式可知,随阴极电压的升高,${\rm{Cs}} ^{+} $ 离子流强增加,当铯聚焦电压不变时,轰击在靶上有效的${\rm{ Cs}}^{+} $ 离子流强会逐渐增加至饱和值,故图10中引出的$ ^{12}{\rm{C}} ^{-} $ 离子束流随阴极电压的变化也是先增加后趋于平稳。$ ^{12}{\rm{C}}^{-} $ 离子束流测试结果表明,离子源的铯聚焦效果良好,产生的负离子束流流强及传输满足设计的要求。根据近两年在AMS装置上开展的科研工作,从相应的实验结果中得出了离子源产生某些样品负离子的流强数据(数据为实验值而非最大值),并与同等实验条件下NEC公司的多靶铯溅射负离子源的束流流强进行对比,各自实验数据列于表1。从表中可以看出,对于同一种类离子,研制的离子源与NEC离子源实验结果无明显差异,提供的负离子束都能很好地满足实验要求,基本达到了进口源的水平。
表 1 实验中部分负离子流强数据
离子种类 样品材料 束流流强/μA 束流流强(NEC)/μA ${\rm{H}} ^{-} $ ${\rm{TiH}} _2 $ + Nb 20 24 $ ^{12}{\rm{C}}^{-} $ 石墨(C) 60 58 $ ^{32}{\rm{S}} ^{-} $ FeS +Ag 22 25 $ ^{35}{\rm{Cl}} ^{-} $ AgCl +Ag 30 31 $ ^{127}{\rm{I}}^{-} $ AgI +Ag 12 10
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摘要: 多靶强流铯溅射离子源是多种加速器中常用的离子源之一,在科学研究和工业生产领域的应用十分广泛。但是,目前商业化应用的该种离子源由欧美几个国家垄断,国内还没有厂家能够生产。为了提高加速器运行和建造中的自主化水平,研制了一种多靶强流铯溅射离子源。该离子源主要由离子源腔、换靶装置、冷却系统、控制箱等组成,根据功能需求对其关键部件进行结构设计,采用了全新的伺服电机驱动换靶方式,提供靶位微调功能和远程控制模式,并使用Opera-3D软件模拟优化结构参数和束流光路。经过测试,该离子源在中国原子能科学研究院的400 kV小型加速器质谱(AMS)装置上应用情况良好,换靶定位精准,供束稳定,束流参数达到进口离子源的参数指标,实现了预期目标。Abstract: Multi-sample high intensity Cs sputter ion source is one of the common ion sources in various accelerators, and has been widely used in scientific research and industrial production. However, the commercial products of this kind of ion source are monopolized by several European and American countries, and currently no domestic manufacturer can produce it. In order to enhance the independent innovation capability in accelerator operation and development, a multi-sample high intensity Cs sputter ion source was specially developed. The ion source mainly consists of ion source cavity, target replacement device, cooling system and control cabinet. According to the functional requirements, the key components of ion source were designed. A new servo motor-driven target method was adopted to provide fine-tuning of target position and remote control mode. And the Opera-3D software was used to simulate beam trajectory and optimize structural parameters. After testing, the ion source has been successfully used in a 400 kV compact accelerator mass spectrometer(AMS) independently developed by the China Institute of Atomic Energy. The sample is accurately positioned, and the beam current is stable. Beam parameters are as good as those of imported ion source, so the expected goal has been achieved.
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Key words:
- multi-sample /
- sputter ion source /
- structural design /
- simulation analysis
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表 1 实验中部分负离子流强数据
离子种类 样品材料 束流流强/μA 束流流强(NEC)/μA ${\rm{H}} ^{-} $ ${\rm{TiH}} _2 $ + Nb 20 24 $ ^{12}{\rm{C}}^{-} $ 石墨(C) 60 58 $ ^{32}{\rm{S}} ^{-} $ FeS +Ag 22 25 $ ^{35}{\rm{Cl}} ^{-} $ AgCl +Ag 30 31 $ ^{127}{\rm{I}}^{-} $ AgI +Ag 12 10 -
[1] 陈佳洱. 加速器物理基础[M]. 北京: 北京大学出版社, 2012: 15. CHEN Jiaer. Physical Basis of Accelerator[M]. Beijing: Peking University Press. 2012: 15. (in Chinese) [2] LIZARRAGA C A V, DUARTE-GALVAN C, LEON-MONZON I, et al. Revista Mexicana de Fisica, 2019, 65(3): 278. [3] 杜学仁, 王继东, 张仲兰, 等. 原子能科学技术, 1985, 19(5): 564. DU Xueren, WANG Jidong, ZHANG Zhonglan, et al. Atomic Energy Science and Technology, 1985, 19(5): 564. (in Chinese) [4] KLEIN M, MOUS D J W. Nucl Instr and Meth B, 2017, 406(3): 210. doi: 10.1016/j.nimb.2016.10.032 [5] 王晓飞, 包轶文, 秦久昌. 原子能科学技术, 2004, 38(3): 239. doi: 10.3969/j.issn.1000-6931.2004.03.011 WANG Xiaofei, BAO Yiwen, QIN Jiuchang. Atomic Energy Science and Technology, 2004, 38(3): 239. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-6931.2004.03.011 [6] ALTON G D, CUI B, BAO Y, et al. A Multi-sample Cs-sputter Negative-ion Source[C]// 8th International Conference on Heavy Ion Accelerator Technology, Argonne, IL (US), 05-09 Oct. 1998, American Institute of Physics, 1999. [7] ISHIKAWA J. Review of Scientific Instruments, 2008, 79(2(Part2)): 02C506. doi: 10.1063/1.2814250 [8] ISHIKAWA J. Nucl Instr and Meth B, 2007, 261(1-2): 1032. doi: 10.1016/j.nimb.2007.04.141 [9] 斯厚智, 张维忠, 朱锦华, 等. 核技术, 1992, 15(6): 365. SI Houzhi, ZHANG Weizhong, ZHU Jinhua, et al. Nuclear Techniques, 1992, 15(6): 365. (in Chinese) [10] 王广甫, 王文勋, 董平. 原子能科学技术, 1997, 31(6): 499. WANG Guangfu, WANG Wenxun, DONG Ping. Atomic Energy Science and Technology, 1997, 31(6): 499. (in Chinese) [11] 安坤, 王广甫, 于令达, 等. 原子能科学技术, 2014, 48(6): 1123. AN Kun, WANG Guangfu, YU Lingda, et al. Atomic Energy Science and Technology, 2014, 48(6): 1123. (in Chinese) [12] HAN B X, SOUTHON J R, ROBERTS M L, et al. Nucl Instr and Meth B, 2007, 261(1-2): 588. doi: 10.1016/j.nimb.2007.03.060 [13] BROWN I G. The physics and technology of ion sources[M]. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2004: 285. [14] LIU Y, COLE J M, REED C A, et al. AIP Conference Proceedings, 2003, 680(1): 1017. [15] Vector Fields Limited. Opera-3d Reference Manual[M]. Kidlington: Vector Fields Limited, 2010: 512. [16] 周月, 李康宁, 游曲波, 等. 原子核物理评论, 2019, 36(4): 426. doi: 10.11804/NuclPhysRev.36.04.426 ZHOU Yue, LI Kangning, YOU Qubo, et al. Nuclear Physics Review, 2019, 36(4): 426. (in Chinese) doi: 10.11804/NuclPhysRev.36.04.426 [17] 何明, 包轶文, 苏胜勇, 等. 原子核物理评论, 2020, 37(3): 784. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01 HE Ming, BAO Yiwen, SU Shengyong, et al. Nuclear Physics Review, 2020, 37(3): 784. (in Chinese) doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01