一种三束同时辐照装置及其方法与流程

1.本发明涉及一种离子源和加速器的技术领域，尤其涉及一种三束同时辐照装置及其方法。


背景技术：

2.在材料辐射损伤研究、空间辐射模拟研究、离子注入材料改性等领域的研究中，有时需要一种离子束流辐照、有时需要两种离子束流同时辐照、有时需要三束辐照甚至更多种离子同时辐照。
3.在目前已有的加速器系统辐照条件下，存在四种情况：第一种、利用一台串列加速器可以开展从氢到铀的单一离子的加速与辐照；第二种、利用一台ecr离子源，可以实现氢(h
2
)和阿尔法(4he
2
)两种离子的同时加速与辐照；第三种、利用一台串列加速器和一台(或两台)单极静电加速器能够实现重离子、氢和氦的三束辐照辐照；第四种、用两台串列加速器能够实现氢和氦、或者氢和重离子两种离子的同时加速与辐照。
4.如果用一台加速器或一套加速装置实现三束辐照或更多的离子束流辐照，目前尚无法实现。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种阶梯型高压静电加速装置并且提供三束辐照的方法。
6.本发明提供一种三束同时辐照装置，其包括离子源子系统、初阶加速子系统、第二阶加速子系统和靶室子系统，所述离子源子系统、所述初阶加速子系统和所述第二阶加速子系统依序连接，所述靶室子系统均与所述初阶加速子系统和所述第二阶加速子系统连接；
7.所述离子源子系统包括一个ecr离子源部件，所述ecr离子源部件产生至少三种多电荷态离子以及h

和h
2
两种单电荷态离子；所述初阶加速子系统包括与所述ecr离子源部件连接的初阶加速管部件以及与所述初阶加速管部件连接的低能静电分析器或磁分析器部件，所述靶室子系统对经过所述低能静电分析器或磁分析器部件的低能量离子进行束流测量与辐照；
8.所述第二阶加速子系统包括与所述低能静电分析器或磁分析器部件连接的第二阶加速管部件以及与所述第二阶加速管部件连接的90
°
磁分析器部件，所述靶室子系统对经过所述90
°
磁分析器部件的高能量离子进行束流测量与样品辐照。
9.优选地，所述靶室子系统包括第一靶室和第二靶室；所述初阶加速子系统还包括均与所述低能静电分析器或磁分析器部件连接的第一条束流管道和第二条束流管道，所述第一条束流管道与第一靶室连接，第二条束流管道与第二靶室连接。
10.优选地，所述靶室子系统还包括第三靶室和第四靶室；所述第二阶加速子系统还包括均与所述90
°
磁分析器部件连接的第三条束流管道和第四条束流管道，所述第三条束流管道与第三靶室连接，第四条束流管道与第四靶室连接。
11.优选地，所述第二阶加速子系统还包括安装在所述第三条束流管道和第四条束流管道之间的高能静电分析器或磁分析器。
12.优选地，所述初阶加速子系统还包括包裹所述ecr离子源部件的第一高压台架部件。
13.优选地，所述第二阶加速子系统还包括包裹第一高压台架部件、初阶加速管部件和低能静电分析器或磁分析器部件的第二高压台架部件。
14.优选地，还包括第三阶加速子系统、第四阶加速子系统、
…
以及第n阶加速子系统，其中n≥2，每个加速子系统均与靶室子系统连接。本发明还提供一种三束同时辐照装置的辐射方法，包括如下步骤：
15.s1：ecr离子源部件产生至少三种多电荷态离子和h

和h
2
两种单电荷态离子；
16.s2：所述离子经初阶加速管部件进行加速，经加速后的离子经低能静电分析器或磁分析器部件注入第二阶加速管部件进行加速，同时所述低能静电分析器或磁分析器部件选择低能量离子进入第一靶室和第二靶室进行束流测量与辐照；
17.s3：经所述第二阶加速管部件加速后的离子进入90
°
磁分析器部件，所述90
°
磁分析器部件选择高能量离子进入第三靶室和第四靶室进行束流测量与辐照。
18.优选地，s2中，第一靶室对低能量的h

进行束流测量与样品辐照，第二靶室对低能量的h
2
与4he
2
两种离子的辐照或者对h
2
、4he
2
和重离子三束辐照。
19.优选地，其中，s3中，第三靶室对较高能量的h

进行束流测量与样品辐照；第四靶室对较高能量的h
2
与4he
2
两种离子或者对h
2
、4he
2
和重离子的三束辐照。
20.本发明采用多电荷态的ecr离子源部件能同时产生质子(h)、阿尔法(4he
2
)和重离子(如12c、或56fe、或63cu、以及更重的离子)三种乃至三种以上的离子，然后采用阶梯式从低到高同时加速并同时辐照到样品上，实现三束乃至更多束的辐照。
附图说明
21.图1为本发明三束同时辐照的阶梯式高压加速器的结构简图。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.本发明揭示一种加速器三束辐照装置，能够同时加速质子、α离子和重离子三种不同离子的装置，并且实现三束辐照。
24.如图1所示，加速器三束辐照装置包括四个子系统，具体为离子源子系统、初阶加速子系统、第二阶加速子系统和靶室子系统，离子源子系统、初阶加速子系统和第二阶加速子系统依序连接，靶室子系统均与初阶加速子系统和第二阶加速子系统连接。
25.其中，加速子系统可以有多个，如还可以包括第三阶加速子系统、第四阶加速子系统以及第n阶加速子系统，其中n≥2，本实施例仅示意了二阶加速子系统，每个加速子系统均与靶室子系统连接。
26.离子源子系统能同时产生至少三种多电荷态的正离子(如12c、或56fe、或63cu、以
及更重的离子)以及h

和h
2
两种单电荷态的正离子，然后依序经过初阶加速子系统和第二阶加速子系统同时加速并由靶室子系统同时对初阶加速子系统和第二阶加速子系统加速后的正离子进行辐照到样品上，实现三束乃至更多束的辐照。
27.其中离子源子系统用于产生多电荷态和两种单电荷态的强流正离子，离子源子系统包括产生至少三种多电荷态和两种单电荷态的一个ecr(电子回旋共振)离子源部件10。多电荷态是指离子源剥离掉两个以上的电子、乃至全剥离的电荷态，剥离的电子指的是2 、3 、4 、
…
、n (n不小于4)。
28.离子源子系统引出的束流可以在10na-10ma(离子束流)的范围，并且连续可调。ecr离子源部件10的微波频率在5-50ghz范围。
29.初阶加速子系统用于将ecr离子源部件10引出的强流正离子进行初阶加速，然后经过一个低能静电分析器或一个磁分析器后注入到第二阶加速。初阶加速子系统包括：与ecr离子源部件10连接的初阶加速管部件21、第一高压台架部件22、与初阶加速管部件21连接的低能静电分析器23以及均与低能静电分析器23连接的第一条束流管道24和第二条束流管道25，低能静电分析器23也可以为磁分析器部件。
30.第二阶加速子系统用于将经过初阶加速子系统的离子进行第二阶的加速，从而获得较高的能量。第二阶加速子系统包括：与低能静电分析器23或磁分析器部件连接的第二阶加速管部件31、第二高压台架部件32、与第二阶加速管部件31连接的90
°
磁分析器部件33、均与90
°
磁分析器部件33连接的第三条束流管道34和第四条束流管道35以及安装在第三条束流管道34和第四条束流管道35之间的高能静电分析器或磁分析器36。
31.靶室子系统用于离子经过初阶加速子系统和第二阶加速子系统加速后，对于质子(h)、阿尔法(4he
2
)和重离子的三种离子束流测量和对于材料或器件进行照射的辐照室。靶室子系统包括四个辐照靶室，分别为第一靶室41、第二靶室42、第三靶室43和第四靶室44。
32.针对初阶加速子系统，初阶加速管部件21的加速电压在20kv-500kv范围，用于对正离子进行加速；ecr离子源部件10由第一高压台架部件22包裹，第一高压台架部件22用来绝缘离子源子系统和初阶加速子系统；低能静电分析器23或磁分析器部件用于选择离子能量的单一性或选择离子的电荷态。第一条束流管道24与第一靶室41连接；第二条束流管道25与第二靶室42连接。
33.针对第二阶加速子系统，第二阶加速管部件31的加速电压可以在100kv-800kv之间连续可调；第二高压台架部件32包裹第一高压台架部件22、初阶加速管部件21和低能静电分析器23或磁分析器部件，第二高压台架部件32绝缘初阶加速子系统和第二阶加速子系统；90
°
磁分析器部件33用于选择经过第二阶加速管部件31的加速离子的电荷态，例如选择4he
2
、12c
6
和56fe
14
等。第三条束流管道34与第三靶室43连接；第四条束流管道35与第四靶室44连接，用于重离子束流的辐照，第四靶室44能够实现h
2
、4he
2
和重离子(如56fe
14
等)的三束辐照；高能静电分析器或磁分析器36用于将第三靶室43的h
2
和4he
2
偏转到第四靶室44。
34.针对靶室子系统，第一靶室41和第二靶室42是针对经过初阶加速子系统加速的低能量离子进行束流测量与辐照。第一靶室41对低能量的h

进行束流测量与样品辐照；第二靶室42对低能量的h
2
与4he
2
两种离子的辐照或者对h
2
、4he
2
和重离子三束辐照。第三靶室43和第四靶室44是针对经过初阶加速子系统和第二阶加速子系统加速后的高能量离子进
行束流测量与样品辐照，第三靶室43对较高能量的h

进行束流测量与样品辐照；第四靶室44对较高能量的h
2
与4he
2
两种离子或者对h
2
、4he
2
和重离子的三束辐照。
35.本发明还揭示一种三束同时辐照方法，包括如下步骤：
36.s1：ecr离子源部件10产生至少三种多电荷态离子和h

和h
2
两种单电荷态离子；
37.s2：所述离子经初阶加速管部件21进行加速，经加速后的离子经低能静电分析器23或磁分析器部件注入第二阶加速管部件31进行加速，同时所述低能静电分析器23或磁分析器部件选择低能量离子进入第一靶室41和第二靶室42进行束流测量与辐照；
38.s3：经所述第二阶加速管部件31加速后的离子进入90
°
磁分析器部件33，所述90
°
磁分析器部件33选择高能量离子进入第三靶室43和第四靶室44进行束流测量与辐照。
39.其中，s2中，第一靶室41对低能量的h

进行束流测量与样品辐照；第二靶室42对低能量的h
2
与4he
2
两种离子的辐照或者对h
2
、4he
2
和重离子三束辐照。
40.其中，s3中，第三靶室43对较高能量的h

进行束流测量与样品辐照；第四靶室44对较高能量的h
2
与4he
2
两种离子或者对h
2
、4he
2
和重离子的三束辐照。
41.本发明采用多电荷态的ecr离子源部件能同时产生质子(h)、阿尔法(4he
2
)和重离子(如12c、或56fe、或63cu、以及更重的离子)三种乃至三种以上的离子，然后同时加速并同时辐照到样品上，实现三束乃至更多束的辐照。
42.为了获得较高的离子能量，采用至少两个高压台架部件向上叠加，阶梯式从低到高进行加速，每一阶都采用加速管部件进行加速，例如，第一阶(即初阶)加速的高压可以在20kv-500kv范围,第二阶加速的高压可以在100kv-800kv范围：对于4he
2
离子，第一阶加速后就可以得到40kev-1000kev能量范围；第一和第二两阶加速后可以得到240kev-2600kev的能量范围，如果还需要更高的能量就可以采用第三阶乃至更高阶的加速(第三阶乃至更高阶的加速本发明就不重复叙述了)，本发明加速器三束辐照装置也称为阶梯式高压加速器装置。
43.本发明具有如下效果：
44.第一、束流强度高：由于采用离子源子系统可引出 1、 2、 3等多电荷态的离子，其可达到100μa至1ma范围，比现有的串列加速器的溅射负离子源得到的束流高出100倍以上。对于典型的离子束流如：h、4he和12c等都能够达到在100-1000μa范围连续可调。对于金属元素如：ni、fe和cu等离子束流能够达到在20-200μa范围连续可调。
45.第二、总效率高：离子源引电离效率的传输效率，都远高于串列加速器。例如，本发明加速器三束辐照装置的传输效率在95％以上，现有的串列加速器的传输效率在15％
‑‑
30％范围。本发明的总效率比现有的串列加速器高出10～100倍。
46.第三、能量高、结构简单、一台加速器三束辐照装置能够优于两台串列加速器：经过加速后的能量与加速电压和电荷态成正比，例如对于56fe离子我们可以选择16

电荷态，经过两个阶段的加速后，56fe
16
离子的能量可以达到20mev以上。现有一台2x3mv的串列加速器，加速56fe
3
(气体剥离时，3 电荷态的效率最高)加速后的能量仅为12mev。考虑到质子(h)、阿尔法(4he
2
)和重离子三束辐照，采用本发明加速器三束辐照装置，一台就可以实现。如果用串列加速器，采用两台串列加速器也不能够实现三束辐照。
47.第四、加速离子的种类范围和能量范围广：离子种类从氢到铀的所有元素，加速后的离子能量从100kev到105kev的范围可以任意选择。
48.第五、不仅能够开展三束辐照，还能够实现单一离子、两种离子的束流辐照、四种(质子、阿尔法和重离子)离子以及更多种离子束流的辐照，能够大幅度提高模拟离子对材料损伤和性能变化的研究的能力。
49.此外，本发明用于三束辐照的加速器三束辐照装置还具有设备上设备投资少，以及运行、维护成本低等特点。
50.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。