专利名称:离子注入装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种离子注入装置，属于物理学领域。所述装置包括：激光器、高斯光束变换光路组件、紫外窗口、靶托和漂移管，高斯光束变换光路组件包括：高斯光束变换透镜和会聚透镜，高斯光束变换透镜、会聚透镜、紫外窗口及靶托依次设置在激光器发射出的激光的光路上，靶托位于漂移管中，紫外窗口嵌设在漂移管的管壁上。本实用新型通过激光器发射的激光照射到靶托上时，靶托上的靶就会被激光所加热、熔化、气化、变为等离子体，该装置在制备离子时不需要进行重原子的蒸发，而是直接采用激光照射靶材，使得制成的离子中不会混入杂质，纯度高，同时因为激光器安装在漂移管之外，不但简化了漂移管内部的空间布置，且避免了对漂移管的污染。
【专利说明】离子注入装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及物理学领域，特别涉及一种离子注入装置。
【背景技术】
[0002]在原子分子物理研宄领域，为了在实验室中获得很高电荷态离子，一般采用以下两种方法实现:第一种方法是:用大型加速器产生的相对论性重离子轰击静止的固体靶，把离子剥离到高电荷态，其中，相对论性重离子是指速度接近光速的重离子。第二种方法是:用能量低得多的电子去轰击几乎静止的重原子气体靶，剥离离子到高电荷态。
[0003]其中，第二种方法常在电子束离子讲(英文:Electron Beam 1n Trap，简称:EBIT)实验中用到。
[0004]在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
[0005]重原子常以固态的形式存在，因此获得重原子气体靶需要先蒸发重原子，再将蒸发得到的气体注入EBIT实验装置的漂移管中，这种注入方法有两个不利因素，其一是在蒸发重原子的过程中，由于蒸发装置内部存在污染，导致蒸发重原子时混入杂质，该杂质被带入漂移管内，从而使制成的离子纯度降低；其二是注入工艺复杂，注入装置会占用漂移管内部空间，且效率不高。
实用新型内容
[0006]为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种离子注入装置。所述技术方案如下:
[0007]本实用新型实施例提供了一种离子注入装置，所述装置包括:
[0008]激光器、高斯光束变换光路组件、紫外窗口、靶托和漂移管，所述高斯光束变换光路组件包括:高斯光束变换透镜和会聚透镜，所述高斯光束变换透镜、所述会聚透镜、所述紫外窗口及所述靶托依次设置在所述激光器发射出的激光的光路上，所述靶托位于所述漂移管中，所述紫外窗口嵌设在所述漂移管的管壁上。
[0009]在本实用新型实施例的一种实现方式中，所述激光器为波长范围在200-400nm的激光器。
[0010]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述激光器为KrF准分子激光器或者XeCI准分子激光器。
[0011]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述高斯光束变换光路组件还包括反射镜，所述激光器发射出的激光经过所述反射镜反射后穿过所述高斯光束变换透镜。
[0012]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述反射镜上镀有增反膜。
[0013]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述高斯光束变换透镜和所述会聚透镜上镀有增透膜。
[0014]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述紫外窗口为石英晶体窗口。
[0015]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括:支撑结构及设于所述支撑结构上的调节平台，所述激光器和所述高斯光束变换光路组件设于所述调节平台上。
[0016]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述调节平台包括光学平台和导轨，所述激光器设于所述光学平台上，所述高斯光束变换光路组件设于所述导轨上。
[0017]本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0018]通过激光器发射的激光穿过高斯光束变换透镜和会聚透镜后，照射到靶托上时，靶托上的靶就会被激光所加热、熔化、气化，直至变为等离子体，从而实现向漂移管内注入离子，该装置在制备离子时不需要进行重原子的蒸发，而是直接采用激光照射靶材，使得制成的离子中不会混入杂质，纯度高；同时提高了产生离子的效率；激光器和高斯光束变换光路组件安装在漂移管之外，简化了漂移管内部的空间布置。
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1是本实用新型实施例提供的离子注入装置的结构示意图；
[0021]图2是本实用新型实施例提供的尚斯光束变换不意图。
【具体实施方式】
[0022]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
[0023]实施例
[0024]本实用新型实施例提供了一种离子注入装置，参见图1，该装置包括:
[0025]激光器101、高斯光束变换光路组件102、紫外窗口 103、靶托104和漂移管105，高斯光束变换光路组件102包括:高斯光束变换透镜1022和会聚透镜1023，高斯光束变换透镜1022、会聚透镜1023、紫外窗口 103及靶托104依次设置在激光器101发射出的激光1011的光路上，靶托104位于漂移管105中，紫外窗口 103嵌设在漂移管105的管壁上。
[0026]本实用新型的原理:当激光器101发射的激光1011照射到靶托104上时，靶托104上的靶就会被激光所加热、熔化、气化，直至变为等离子体，从而实现向漂移管105内注入离子。其中，靶为待产生的离子所对应的元素的纯净固态物质。
[0027]为了尽量使激光落到靶的表面，在激光器101和靶托104间设有高斯光束变换光路组件102。为了最大限度提高离子供给效率，要求聚焦到靶上的激光光斑越小越好，而激光器101发出的激光传输高斯光束传输规律，束腰与发散角的关系成反比:束腰越大，发散角越小，如图2所示，高斯光束变换透镜1022可以将入射激光光束变换成新的高斯光束，从而避免激光束腰过大，无法穿过紫外窗口 103照射到靶上。具体地，高斯光束经过高斯光束变换透镜1022后会变换成新的高斯光束，其特征参数(束腰位置、腰粗、发散角等)都会发生改变，新的高斯光束具体参数决定于原高斯光束束腰到薄透镜的距离、腰粗及薄透镜的焦距，再次参见图2，Wtll是入射高斯光束的束腰腰粗，Zl是入射高斯光束束腰到高斯光束变换透镜1022的距离，Wtl2是出射高斯光束的束腰腰粗，Z2是出射高斯光束束腰到高斯光束变换透镜1022的距离。然后，通过会聚透镜1023将激光会聚成最小光斑于靶上，其作用后激光光斑大小缩小了一个数量级以上，从而实现前述的激光光斑尽量小的愿望，并且能够顺利穿过紫外窗口 103。
[0028]进一步地，由于激光器101的重量通常达到200公斤以上，因此无法轻易移动，为了调整光路，使激光可以穿过高斯光束变换透镜1022、会聚透镜1023和紫外窗口 103照射到靶托104上，可通过设置反射镜实现，具体地，高斯光束变换光路组件102还包括反射镜1021，激光器101发射出的激光经过反射镜1021反射后穿过高斯光束变换透镜1022。
[0029]靶托104置于漂移管105内，靶固定在靶托104上，靶的表面与激光方向垂直，这意味着离子源直接位于漂移管105内，减少了漂移管105内杂质，同时提高了离子注入的效率。紫外窗口 103为激光进入漂移管105的通道，设置在漂移管105上。
[0030]在本实施例中，激光器101为波长范围在200-400nm的激光器。该装置对所使用的激光器波长是有一定要求的，在激光波长较短时，靶对激光吸收系数较大，有助于靶表面薄层的消蚀；但波长也不可太短，如果波长小于200nm时，光路会吸收真空紫外光，降低到达靶表面的激光能量，并对光学设备造成强烈破坏。因此激光器波长一般选择在200nm到400nm之间。
[0031]具体地，激光器可以为KrF准分子激光器或者XeCI准分子激光器。
[0032]波长在200nm到400nm之间的激光器主要有准分子激光器和固体YAG激光器两类。准分子激光器有波长为248nm的KrF准分子激光器，及波长为308nm的XeCI准分子激光器，准分子激光器能量损耗低于YAG激光器，所以在本实施例中采用准分子激光器作为激光源。
[0033]优选地，本装置选用实验室的Lambda工业型准分子KrF激光器，其波长为248nm，带宽0.5nm，平均功率5W，重复频率为l_5Hz，单脉冲最大能量为0.5J，脉宽20ns，光斑面积12 X 24mm2。
[0034]本装置高斯光束传输变换光路的主要光学元件有两个凸透镜和一个反射镜，为了提高凸透镜的透过率和反射镜的反射率，反射镜1021上镀有增反膜，高斯光束变换透镜1022和会聚透镜1023上镀有增透膜，对248nm的激光的透过率和反射率大于99%。
[0035]在本实施例中，紫外窗口 103的材料在选择上除了要考虑透过波长范围、透过率等光学性能外，还要考虑其硬度、膨胀系数等热力学性能和机械性能，如石英晶体材料，即紫外窗口可以为石英晶体窗口。为了使激光的透过率最大，吸收和反射最小，石英晶体窗口用平行于光轴z切割的晶体，且该晶体满足入射电场矢量垂直于入射面。
[0036]另外，漂移管体积较小，紫外窗口 103尺寸也不能过大，因此设计光路时，要考虑到达会聚透镜1023的高斯光束束腰大小，以使其经过会聚透镜1023变换后可以穿过紫外窗口 103。
[0037]进一步地，该装置还包括:支撑结构及设于支撑结构上的调节平台，激光器101和高斯光束变换光路组件102设于调节平台上。
[0038]具体地，调节平台包括光学平台和导轨，激光器101设于光学平台上，高斯光束变换光路组件102设于导轨上，通过调节平台和导轨将使激光器101发出的激光可以穿过高斯光束变换光路组件102照射到靶上。
[0039]本实用新型实施例中通过激光器发射的激光穿过高斯光束变换透镜和会聚透镜后，照射到靶托上时，靶托上的靶就会被激光所加热、熔化、气化，直至变为等离子体，从而实现向漂移管内注入离子，该装置在制备离子时不需要进行重原子的蒸发，而是直接采用激光照射靶材，使得制成的离子中不会混入杂质，纯度高；同时提高了产生离子的效率；激光器和高斯光束变换光路组件安装在漂移管之外，简化了漂移管内部的空间布置。
[0040]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种离子注入装置，其特征在于，所述装置包括: 激光器、高斯光束变换光路组件、紫外窗口、靶托和漂移管，所述高斯光束变换光路组件包括:高斯光束变换透镜和会聚透镜，所述高斯光束变换透镜、所述会聚透镜、所述紫外窗口及所述靶托依次设置在所述激光器发射出的激光的光路上，所述靶托位于所述漂移管中，所述紫外窗口嵌设在所述漂移管的管壁上。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器为波长范围在200-400nm的激光器。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述激光器为KrF准分子激光器或者XeCI准分子激光器。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高斯光束变换光路组件还包括反射镜，所述激光器发射出的激光经过所述反射镜反射后穿过所述高斯光束变换透镜。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述反射镜上镀有增反膜。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高斯光束变换透镜和所述会聚透镜上镀有增透膜。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述紫外窗口为石英晶体窗口。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括:支撑结构及设于所述支撑结构上的调节平台，所述激光器和所述高斯光束变换光路组件设于所述调节平台上。9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述调节平台包括光学平台和导轨，所述激光器设于所述光学平台上，所述高斯光束变换光路组件设于所述导轨上。
【文档编号】H01J37-10GK204271035SQ201420666669
【发明者】冯洁 [申请人]湖北大学